Fakultät Mathematik und Naturwissenschaften, Fachrichtung Physik Durchbruch in der modernen Physik? Aktuelle Ergebnisse zur Suche nach dem Higgs Teilchen am CERN Michael Kobel Technische Universität Dresden Seniorenakademie Akademisches Donnerstagskolloquium Dresden 11.10.2012 1. BEDEUTUNG DER TEILCHENMASSE 2. Massen-Mechanismus im Standardmodell (SM) 3. Suche nach dem Higgs Boson im SM 4. Auswirkungen der möglichen Entdeckung des Higgs Bosons Dresden, 11.10.2012 Michael Kobel 2 of 49 Das große Bild S l S S S S LHC: Nachstellen der Prozesse zwischen Elementarteilchen 10-12 s nach dem Urknall Teilchenbeschleuniger: LHC LEP http://lhc-milestones.web.cern.ch/lhc-milestones Geschichte der Physik Zurück zum Urknall Dresden, 11.10.2012 Michael Kobel 3 ENERGIE ist der Schlüssel zu … zu Raum: zu Masse: zu Zeit: Dresden, 11.10.2012 Michael Kobel 4 Einige Fragestellungen v Zeit: - Untersuchung von Einzelprozessen bei 10-12 s nach dem Urknall - Untersuchung der “Ursuppe” bei 10-6 s nach dem Urknall - “Klang” des Universums 380 000 Jahre nach dem Urknall -… v Raum: - Welche Teilchen haben noch eine Unterstruktur ? Welche Teilchen sind elementar? Gibt es mehr als 3 Raumdimensionen? … v Materie: - Gibt es neue schwerere Elementarteilchen? - Was ist Dunkle Materie? - Woher bekommen Teilchen ihre Masse? - Was ist überhaupt Masse? -… Dresden, 11.10.2012 Michael Kobel 5 Masse im Alltag… v … ist die Masse aus v zusammengesetzten Teilchen wie Proton und Neutron 99% davon ist „Quanten-Schaum“, (d. h. Bindung zwischen 3 Quarks) © Fermilab Today v Kann mit Supercomputern theoretisch berechnet werden v Zukünftige Experimente: FAIR in Darmstadt • • • CBM PANDA … v Werden hier nicht besprochen Dresden, 11.10.2012 Michael Kobel http://www.buw-output.uni-wuppertal.de/ausgabe1/fodor/ 6 v …deckt 14(!) Größenordnungen ab • n ~ Sandkorn • e ~ Auto • t ~ Ozeandampfer v … ist eine Eigenschaft der Teilchen ( kilo-tons ) Masse der Elementarteilchen… und nicht eine Frage der Größe (alle „gleich groß“= ohne Unterstruktur !) v … ergibt charakteristische Muster • bzgl. Teilchen-Generationen • bzgl. leichter Neutrinos (~ 1010 leichter als ihre Partner) xxxxx Xxxxxxx -1 v Warum? -2 xxxx -3 The Dawn of Physics Beyond the Standard Model, by Gordon Kane, Scientific American, June 2003 Dresden, 11.10.2012 Michael Kobel 7 Bedeutung der Teilchenmassen Beispiel: Elektron ® Einfluss auf Größen- und Energieskala der Atome (Moleküle, Festkörper, Lebewesen, …) ® Elektronmasse regiert atomare Energien und Radien ® Bindungsenergie steigt mit me 2 E0 (me ) = - 12 Z 2a em me 2 H - Atom : - 12 a em me = 13,6 eV ® Größe der Atomhülle (Bohr—Radius) fällt mit 1 / me r0 (me ) = a em = Dresden, 11.10.2012 1 Za em me 1 137,0359991 ... Michael Kobel 8 8 … was wäre wenn … Kleinere W-Masse Tatsächlicher Ablauf Kleinere d-Quarkmasse Kleinere Elektronmasse View Online: http://www.tricklabor.com/de/portfolio/was-waere-wenn Download: : www.teilchenphysik.de/multimedia/informationsmaterial/veranstaltungen v Massen von Elementarteilchen v bestimmen den Ablauf der Kosmologie Wissenschaftler wollen zunächst verstehen, was Masse ist, um danach versuchen, die Werte zu verstehen Dresden, 11.10.2012 Michael Kobel 9 v Warum brennt die Sonne so langsam? • p + p à D + e+ + n • • v (Energiegewinn: DE = 0,5 MeV) Vermittelndes W-Teilchen sehr schwer: mW = 80400 MeV Rate unterdrückt um ~ (DE / mW )4 > 10-20 p Weiterführende Literatur W+ n ne e+ http://prola.aps.org/abstract/RMP/v68/i3/p951_1 R.N. Cahn, „The 18 arbitrary parameters of the standard model in your everyday life“(1996) http://arxiv.org/abs/hep-ph/9707380 V.Agrawal, S.M.Barr, J.F.Donoghue, D.Seckel, „The anthropic principle and the mass scale of the Standard Model“ (1997) http://arxiv.org/abs/astro-ph/9909295v2 C. Hogan, „Why the Universe is Just So“ (1999) http://arxiv.org/abs/0712.2968v1 Th Damour und J.F.Donoghue, „Constraints on the variability of quark masses from nuclear binding“ (2007) Dresden, 11.10.2012 Zerfallsprodukte des W+ Michael Kobel n entsteht über W+ 10 of 49 1. Bedeutung der Teilchenmasse 2. MASSEN-MECHANISMUS IM STANDARDMODELL (SM) 3. Suche nach dem Higgs Boson im SM 4. Auswirkungen einer möglichen Entdeckung des Higgs Bosons Dresden, 11.10.2012 Michael Kobel 11 of 49 “Standardmodell“ der Teilchenphysik (1961-73) v 3 Fundamentale Wechselwirkungen zwischen Teilchen (+ Schwerkraft) • erfordern Botenteilchen (Austauschteilchen) • werden aus Symmetrien vorhergesagt! v Bausteine der Welt • Träger von Ladungen • „Spielfeld“ der entsprechenden Wechselwirkungen v Massenmechanismus • Herkunft der Teilchenmassen noch unbekannt • Symmetrien verbieten Teilchenmassen !! • Hypothese: “Spontane Symmetriebrechung“ durch Hintergrundfeld • Nachweis: Higgs-Teilchen v Errungenschaft des Standardmodells • beschreibt *alle* bekannten Prozesse • Ist (derzeit) DIE grundlegende Theorie der Physik Dresden, 11.10.2012 Michael Kobel 12 Fundamentale Wechselwirkungen Dresden, 11.10.2012 Michael Kobel 13 of 49 Die Ordnung der WW-Stärke hängt vom Abstand ab! Kernphysik Teilchenphysik „Wir“ www.schmunzelmal.de Dresden, 11.10.2012 Michael Kobel 14 Das Spielfeld der Wechselwirkungen v Bausteine geordnet nach Ladungen • Eine Ladung für jede Wechselwirkung • (generiert die W.Wirkung) § Elektrische Ladung § Schwache Ladung § Starke Ladung Herkunft der Anordnung der Teilchen in „Multiplettstruktur“ unverstanden! Dresden, 11.10.2012 Michael Kobel 15 „Weltformel“: Lagrangedichte des Standardmodells v auf CERN T-shirt und Mouse Pad Dresden, 11.10.2012 Michael Kobel 16 Bedeutung v Aufstellung der Terme dieser „Weltformel“: • Natur verlangt ihre Invarianz unter 3 Symmetrien („lokalen Umeichungen“) • Terme, die die Symmetrie nicht erfüllen, sind verboten • Symmetrie lässt sich nur mit Hilfe von Wechselwirkungen erfüllen -> lokale Eichsymmetrie ist Ursache der Wechselwirkungen ! v Erläuterung der Formel: • Jedem Term entspricht in dieser Reihenfolge à à à à kinetische Energie freier Teilchen Wechselwirkung zwischen Teilchen Massen und Mischungen der Teilchen (über Hintergrundfeld) Potenzielle Feldenergie und Anregungen (Higgs-Teilchen) • Alle Prozesse lassen sich mit Hilfe dieser Formel vorhersagen (z.B. Licht, Magnetismus, Elektromotor, Radiowellen, Kernzerfälle, Brennen von Sternen…) Michael Kobel Dresden, 11.10.2012 17 Etappen auf dem Weg zum „Standardmodell“ v v v v v 1961: GLASHOW (*1932) 1964: ENGLERT, BROUT, HIGGS KIBBLE, GURALNIK, HAGEN (Bilder) 1964: GELL-MANN (*1929), ZWEIG(*1937) 1965: HAN, NAMBU (*1921), GREENBERG 1967: SALAM (1926-96), WEINBERG (*1933) Weinberg:“A model of Leptons” Lokale Elektroschwache Eichsymmetrie Spontane Symmetriebrechung zur Massenerzeugung (“Higgs Boson”) Quarks Starke “Farb-” Ladung Anwendung auf Baustein-Teilchen (Nobelpreis 1979 mit Glashow, Foto) 2010 1979 Dresden, 11.10.2012 http://prl.aps.org/pdf/PRL/v19/i21/p1264_1 Michael Kobel Masse für Bausteine 18 Lokale Eichtransformation auf einer Waage Hier Dort 60 60 Messung: Messung: 50 v Dresden, 11.10.2012 Michael Kobel Lokale Eichinvarianz erfordert • Absorption oder Emission von “Eich-Teilchen” (g, W, Z, g) 19 Spontane Symmetriebrechung v Idee von Brout, Englert, Higgs, Kibble, Hagen und Guralnik, 1964 • Allgegenwärtiges Hintergrundfeld æf + Φ=ç çf 0 è ö ÷ ÷ ø mit Potenzial V ~ f4 § Oft auch (unvollständigerweise) „Higgsfeld“ genannt § Völlig homogen, strukturlos 1 æ0ö çç ÷÷ bricht Rotationssymmetrie 2 èu ø • Grundzustand Φ0 = • 1 Anregungsmöglichkeit: Φ0 = 1 æ 0 ö çç ÷÷ 2 èu + H ø § (berechtigt) genannt: „Higgs-Boson“ H § Beweist Existenz des Hintergrundfelds v 2 neue freie Parameter • • v (Vakuumerwartungswert) f0 l (Steilheit des Potenzials) Dresden, 11.10.2012 Michael Kobel f+ 20 of 49 Konsequenzen • Anregungen erscheinen als massives Higgs Boson § Zuerst gezeigt von Peter Higgs, PRL 13 (1964) 508 mH = 2l u • Kinematischer Term des Hintergrundfelds (D f ) (D f ) ~ (u ² + 2uH + H ²)(g W W + (g † µ µ 2 W 1 8 + µ -µ 2 W + gY2 ) Z µ Z µ ) § erzeugt Z-H u. W-H Wechselwirkung mit bekannten Stärken g § erzeugt W und Z-Boson Massenterme à Massen vorhersagbar! mW = 12 gWu mZ = 12 gW2 + gY2u mg = 0 • Erzeugung der Baustein-Massen § Postulat (Weinberg): Jedes Baustein-Teilchen f koppelt mit seiner eigenen Kopplung yf an das Hintergrundfeld mf = 1 2 Dresden, 11.10.2012 y fu Michael Kobel 21 Parameter-Übersicht v Hintergrundfeld Erwartungswert v : „Elektroschwache Skala“ • Setzt Skala für *alle* Teilchenmassen (Bausteine, W, Z, Higgs Boson) • Genau bekannt z.B. aus Myon Zerfall: v =(Ö2 GF) -½ = 246,221 GeV • Herkunft und Größe dieser Skala bzgl. Planck Skala ~ 1019 GeV unklar („Hierarchie-Problem“) v Steilheit des Potentials l • Beschreibt „Steifigkeit, Zähigkeit“ des Hintergrundfelds, • • je zäher, umso schwerer dessen Anregung und umso schwerer das Higgs Boson Erlaubter Bereich nach vorherigen Higgs Suchen : l = 0,1 – 10 l unbekannt, also Higgsmasse nicht vorhersagbar v Fermion „Yukawa“ Kopplung yf • Beschreibt Stärke der Wechselwirkung der Fermionen mit Hintergrundfeld • Präzise rückrechenbar aus Teilchenmassen • Breites Spektrum von yt = 0,995±0.006 bis ye = 0,00000294 • (immernoch unbekannt für Neutrinos) Herkunft von yf völlig unklar! Dresden, 11.10.2012 Michael Kobel 22 In Bildern v “Leeres” Vakuum (v = 0 ) • alle Teilchen sind masselos • Bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit v Hintergrundfeld (v ¹ 0 ) • Teilchen werden durch Wechselwirkung • • mit dem Feld verlangsamt Teilchen erhalten effektiv eine Masse Wert hängt von der Stärke yf der WW mit dem Hintergrundfeld ab v Higgs-Teilchen • Quantenmechanische Anregung • des Hintergrundfeldes Notwendige Konsequenz des Konzepts! Dresden, 11.10.2012 Michael Kobel 23 Eigenschaften des Higgs Bosons v Alle Eigenschaften vorhersagbar (abgesehen von mH) m • Kopplung y f Hf von Bausteinteilchen an Higgsboson: y = 2 u • Spin, Parität: JPC = 0++ (wie Vakuum) v Als Funktion von mH eindeutig vorhersagbar: • Produktionsprozess • Verzweigungsverhältnisse im Zerfall und Breite (Lebensdauer) f R f L f bekannt Lebensdauer 10-26 s 10-24 s 10-22 s Dresden, 11.10.2012 Michael Kobel 24 24 1. Bedeutung der Teilchenmasse 2. Massen-Mechanismus im Standardmodell (SM) 3. SUCHE NACH HIGGS BOSON IM SM 4. Auswirkungen einer möglichen Entdeckung des Higgs Bosons Dresden, 11.10.2012 Michael Kobel 25 of 49 Higgs-Boson Suche (seit > 35 Jahren) v Früher (1980er-2011) • e+e-: CESR, Cornell und • • DORIS, DESY Eee =10GeV L(arge) E(lectron) P(ositron) collider CERN, Eee = 85 –208 GeV Tevatron, FNAL `pp E`pp = 2 TeV v Heute: • pp: LHC, CERN, Epp = 7-14 TeV v Zukunft: Linear Collider ? • e+e-: ILC / CLIC, Eee = 0.5-3.0 TeV Dresden, 11.10.2012 Michael Kobel 26 26 Die Suche am LEP 1989-2000 gg-> Hadronen qq WW ZZ v Grenze: ZH(114) • mH > 114 GeV Maximale Schwerpunktsenergie Folie 27 von 20 27 Suchergebnisse vom LEP Dresden, 11.10.2012 Michael Kobel 28 of 49 LHC: Datenmengen und Ereignishäufigkeiten Für L = 1033cm−2s−1 v Steigende Datenmengen: • 2010: L ~ 1031cm−2s−1 ∫Ldt ~ 0.04 fb−1 • • • Jets 2011: L = 1-3.5 x 1033cm−2s−1 ∫Ldt = 4.8 fb−1 `tt 2012: L = 6-8 x 1033cm−2s−1 ∫Ldt = 20-25 fb−1 ? ³ 2015: L ³ 1034cm−2s−1 ? ∫Ldt ³ 100 fb−1 pro Jahr ? Dresden, 11.10.2012 Michael Kobel 29 of 49 LHC: Leistung 2012 v Integrierte Lumi 2012: bisher 16 fb-1 (2011: 4.8 fb-1 ) ° ALICE CMS °ATLAS ° ° LHC-b 2012 Spitzenwert pro Tag 2011 Dresden, 11.10.2012 Michael Kobel 30 of 49 ATLAS: Dresden, 11.10.2012 TU Dresden + ISEG Rossendorf: Hochspannung + Ausleseelektronik Michael Kobel 31 of 49 ATLAS Detektorverständnis: v pT , ETmiss, 2-jet Massen… v Simulation: Exzellente Datenbeschreibung über viele Größenordnungen Dresden, 11.10.2012 Michael Kobel 32 of 49 Strategie zum Erreichen der Physikziele v 2010 • Kalibrierung des Detektors verstehen • „Wiederentdeckung“ des Standardmodells v 2011 • Genaues Verständnis bei hohen Energien § Einfluss von Proton-Verteilungsfunktion § Verteilung von zusätzlichen Jets § Untergrund zu neuer Physik • Neue Physik § Erlaubte Bereiche stark eingeschränkt v 2012 • Aufschluss über Massen-Mechanismus • (Higgs oder nicht Higgs?) … und vielleicht mehr Dresden, 11.10.2012 Michael Kobel 33 of 49 SM Higgs-Boson Erzeugung und Zerfall am LHC v Entdecke Hintergrundfeld d. Higgs-Boson Erzeugung • Higgs Boson ~ Anregung des Hintergrundfelds • (wie Wirbel ~ Anregung der Luft) Schwere Teilchen mit hoher Energie erzeugen Anregung = Higgs-Teilchen im Hintergrundfeld v Higgs Boson Zerfälle Copyright: DLR, Köln vorhersagbar • Hängen im SM nur ab von unbekanntem MH Dresden, 11.10.2012 Michael Kobel Folie 34 von 20 Ohne experimentelle Sensitivität: Endzustände mit Quark-Jets dominieren WW Dresden, 11.10.2012 Michael Kobel 35 of 49 Nach Trigger, Rekonstruktion, Untergrundabzug: Völlig andere Endzustände dominieren Dresden, 11.10.2012 Michael Kobel 36 of 49 HàWW: Massenreko erschwert wg. Neutrinos (alle Bilder zeigen nur Teilmengen der Daten) v Spin-Korrelation: • Leptonen aus HàWW Zerfall bevorzugen kleine DF Öffnungswinkel W+ H W+ WW- e- μ+ ν ν v Bei 8 TeV: „transversale Masse“ mT aus Impulskomponenten transversal zur Strahlrichtung: Daten etwas höher als Untergrund Dresden, 11.10.2012 Michael Kobel 37 of 49 Ereigniskandidat W+W-àµ+n e-n Dresden, 11.10.2012 Michael Kobel 38 of 49 HàZZà 4 Leptonen (e oder µ) v „Goldener Kanal“ (praktisch kein Untergrund außer ZZ ohne Higgs) v Sensitivster Endzustand für 200 GeV<mH<275 GeV v zweitsensitivster (nach WW) für 130 GeV<mH<200 GeV v Sehr gute Massenrekonstruktion möglich Dresden, 11.10.2012 Michael Kobel 39 of 49 www.atlas.ch/news/2011/status-report-dec-2011.html http://cms.web.cern.ch/news/cms-search-standard-modelhiggs-boson-lhc-data-2010-and-2011 Ergebnisdarstellung v Messe: • 95% Obergrenze auf • zusätzliche Beiträge gegenüber reiner Untergrunderwartung (*ohne* Higgs-Beitrag) Normiere diese Obergrenze auf erwarteten Wirkg.-Querschnitt sSM des SM Higgs-Signals v Gestrichelt: • Mittlere Erwartung für viele Experimente für reinen Untergrund v Bänder: • Grün: 1s.d. Streuung • Gelb: 2 s.d. Streuung v Schwarz: • Messung Dresden, 11.10.2012 Michael Kobel 40 Ausschlussgrenzen allein aus H->ZZ http://cdsweb.cern.ch/record/1460411 (7.4.12) Dresden, 11.10.2012 Michael Kobel 41 H à gg v Empfindlichster Kanal bei mH < 120 GeV v Zweitempfindlichster Kanal bei 120<mH<130 GeV v Erwartung kleines Signal bei sehr großem Untergrund v Zusätzliches Problem: Überlagerung vieler pp-Kollisionen Photonen besitzen keine Teilchenspur ! v Kalorimeter-Segmentierung hilft gegen p0 Untergrund und falsche Kombinationen von Vertex-„Aufhäufungen“ • Extrapolation ergibt Vertex-Zuordnung mit Präzision von wenigen mm mgg2 =2E1E2(1-cosq) Dresden, 11.10.2012 Michael Kobel 42 of 49 Gemessenes 2-photon-Massenspektrum Dresden, 11.10.2012 Michael Kobel 43 of 49 ATLAS Kombination v Erwartete und beobachtete Signifikanz eines 125-126 GeV Higgs gg WWàℓ+nℓ-n ZZàℓ+ℓ-ℓ+ℓ- gesamt Kanal Erwartung 2.3 s 2.5 s 2.7 s 4.9 s Beobachtung 2.8 s 4.5 s 3.6 s 6.0 s v p0 : lokale Wahrscheinlichkeit der Beobachtung • unter „nur-Untergrund“ Hypothese: einzeln: Dresden, 11.10.2012 kombiniert p0 =1,7 x 10-9 Michael Kobel 44 of 49 Zeitliche Entwicklung des Signal Dresden, 11.10.2012 Michael Kobel 45 of 49 Ist es ein Higgs? Messung der Eigenschaften v Masse: 126,0 +- 0,6 GeV (ATLAS) • v Signalstärke = 125,3 +- 0,6 GeV (CMS) Produktion*Zerfall l = 0,130 nun bekannt (wenn SM Higgs !) v Nächster Update: • März 2013 mit 3-facher Datenmenge • DPG Jahrestagung Physik in Dresden: § Öffentlicher Abendvortrag: Mi, 6.März 2013 Dresden, 11.10.2012 Michael Kobel 46 of 49 1. Bedeutung der Teilchenmasse 2. Massen-Mechanismus im Standardmodell (SM) 3. Suche nach dem Higgs Boson im SM 4. AUSWIRKUNGEN EINER MÖGLICHEN ENTDECKUNG DES HIGGS BOSONS Dresden, 11.10.2012 Michael Kobel 47 of 49 Auswirkungen der Higgs Masse auf die Stabilität des elektroschwachen Vakuums Elias-Miro et al. : http://arxiv.org/pdf/1112.3022.pdf v TODAY FUTURE? die Potential-Steilheit l v Konsequenz: ändert sich bei hohen Energien µ, • Metastabiles Vakuum abhängig von mh. • Lebensdauer (~10100 Jahre) Wird negativ bei ~1010 GeV weit länger als Alter des Universums, für mh =126 GeV aber trotzdem… v Ausweg: • Neue Physik ab ~1010 GeV ? Dresden, 11.10.2012 Michael Kobel 48 of 49 Dresden, 11.10.2012 Michael Kobel 49 of 49 Dresden, 11.10.2012 Michael Kobel 50 of 49 Zusammenfassung und Ausblick v Wir haben „online“ die Entdeckung eines neuen Teilchens erlebt v Es könnte sich um das Higgs-Boson des SM handeln, es könnte aber auch (etwas) andere Eigenschaften haben • Vielleicht ist das Hintergrundfeld ein Gemisch aus 2 oder mehr Komponenten? • v Mehrere Möglichkeiten der Anregung à mehrere Higgs-Bosonen Vielleicht ist das Hintergrundfeld ein „Kondensat“ einer neuen Wechselwirkung § à zusammengesetztes Higgsboson (wie Cooper-Paar in Supraleitung oder Pion in Kernkraft) Wir müssen nun die Eigenschaften des neuen Teilchens genau messen • Hat es wirklich Spin J=0 ? • v § § § Es wäre das erste solche Elementarteilchen bzw. Feld! Spin 0 Felder sind extrem interessant für Kosmologie (Inflation!) Zerfällt es genau mit den vorhergesagten Wahrscheinlichkeiten? § à Einblicke in die (völlig unverstandene!) WW mit Bausteinteilchen Wenn es tatsächlich das Higgs-Boson des SM mit Masse 125-126 GeV ist: • Das elektroschwache Vakuum ist metastabil • Sollte dies uns Sorgen machen? v AUFREGENDE ZEITEN ERWARTEN UNS ! Dresden, 11.10.2012 Michael Kobel 51 of 49