1. El bosón de Higgs en el acelerador de
partículas LHC (Large Hadron Collider)
del CERN
Begoña de la Cruz
CIEMAT-Madrid
EUITA-ETSIA-EIAE (UPM)
30-Nov, 2012
2. CERN – European Centre for Nuclear Research
En el corazón de Europa,
en uno de los
mayores laboratorios del mundo…
2
3. CERN – European Centre for Nuclear Research
Se sitúa la más rápida y trepidante carrera…
~2800 paquetes
con 1011 protones
cada uno, corren
en un anillo de 27
km de perímetro
con el
99.999999% de la
velocidad de la luz,
Colisionando unos
contra otros
40,000,000 veces
por segundo
(40M Hz)
3
4. CERN – European Centre for Nuclear Research
En un espacio más vacío que el espacio interestelar…
El vacío en el tubo del haz es mayor que en el espacio exterior.
La presión (~10-13 atm) es 1/10 de la existente en la superficie lunar.
4
5. CERN – European Centre for Nuclear Research
En una de las regiones más frías del universo…
He líquido superfluido se mantiene a 1.9 K (-271.3 C), ligeramente más
frío que el espacio interestelar, para refrigerar los imanes . Mayor
planta de criogenia instalada en el mundo.
5
6. CERN – European Centre for Nuclear Research
Donde ocurrirán algunas de las reacciones más
calientes de nuestra galaxia…
Colisiones de partículas muy violentas, correspondientes a
temperaturas 105 veces más altas que el centro del sol.
Hablamos de unos 1,600,000,000,000 C
6
7. CERN – European Centre for Nuclear Research
Para ser observadas por los “ojos” más complejos jamás
construidos,
Los detectores cuentan con 140 millones de canales de datos recibiendo
información 40 millones de veces por segundo
7
8. CERN – European Centre for Nuclear Research
…y analizados por el sistema de computación más potente del
mundo
Los detectores envian datos a un ritmo de 700 MB/sec.
Esto es ~30,000 Enciclopedias Britannicas cada segundo!
8
11. Aceleradores: herramientas en física de
partículas
La Física de Partículas
estudia la materia en sus
dimensiones más ínfimas
Aceleradores
y detectores
Microscopios
La Astrofísica/Cosmología
estudia la materia en sus
dimensiones más grandes
Binoculares
Telescopios ópticos y
radiotelescopios
Se requieren distintos tipos de aparatos para explorar
objetos de distintas dimensiones
11
12. ¿Qué es la Física de Partículas?
Es el campo de la Física que estudia
las partículas más pequeñas de la materia en el Universo
y las relaciones entre ellas.
estas partículas, no compuestas, se
llaman elementales
Universo:
mundo subnuclear (microscópico) y
cosmológico (macroscópico)
Cómo interaccionan
entre sí
Simbiosis física de partículas teórica y experimental
aportar los datos experimentales
interpretar en el marco de modelos propuestos
encajar las piezas del puzzle de la materia y sus interacciones
Bosón de Higgs en LHC del CERN
12
13. Partículas elementales de materia
Atomo
Estructura Atómica
p, n, e-
Tabla Periódica
Protón
Estructura protón
u, d (quarks)
u
u
d
u
d
gluones
Bosón de Higgs en LHC del CERN
13
15. Partículas Elementales de Materia
Toda la materia está formada a
partir de estas 12 partículas.
protón: (uud)
neutrón: (udd)
Existen también las
correspondientes antipartículas
(igual masa pero números
cuanticos de signo distinto)
Todas las partículas de materia
son Fermiones . Tienen spin
semientero (1/2, 3/2, …)
Bosón de Higgs en LHC del CERN
15
16. Interacciones fundamentales
..
. -2.
10 .
.
4 interacciones básicas
-40
10
Fuerza gravitatoria
1
núcleo
Fuerza fuerte
átomo
Fuerza
electromagnética
-5
10
n p + e- + ne
Fuerza débil d u + e- + ne
Bosón de Higgs en LHC del CERN
16
17. Interacciones fundamentales
Se producen por el intercambio de una partícula mediadora
http://www.cerimes.education.fr/
Las partículas de materia interaccionan
a distancia intercambiando una partícula « mensajera ».
El alcance de la interacción disminuye a medida que la masa de
la partícula mediadora aumenta.
Bosón de Higgs en LHC del CERN
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18. Interacciones fundamentales
Se producen por el intercambio de una partícula mediadora
http://www.cerimes.education.fr/
Las partículas de materia interaccionan
a distancia intercambiando una partícula « mensajera ».
El alcance de la interacción disminuye a medida que la masa de
la partícula mediadora aumenta.
Bosón de Higgs en LHC del CERN
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19. Partículas Mediadoras de Interacciónn
Bosones (spin entero: 0,1,2)
• Fotón () Int. Electromagnética
• Gluón (g) Int. Nuclear Fuerte
• W (W+ y W) y Z Int. Nuclear
Débil
• Gravitón Int. Gravitatoria
Bosón de Higgs en LHC del CERN
19
20. Modelo Estándar de Partículas Elementales
Teoría cuántica de campos
Engloba int. electromagnética,
nuclear débil y fuerte, pero no
Gravitación
describe la naturaleza
predice valores medidas
probada con ~1% precisión
pero……
Simetrías
… presenta un problema con la
masa de las partículas…
Bosón de Higgs en LHC del CERN
20
22. Unificación de interacciones
Fuerza Electromagnética
Simetría Electrodébil
Fuerza Nuclear Débil
BIG
BANG
Fuerza Nuclear Fuerte
Gravitación
Tiempo
Tras el Big-Bang solo existía un único tipo interacción.
Al expandirse y enfriarse el Universo (T crítica) aparecieron diversas
manifestaciones de la interacción (ruptura espontánea de simetrías),
Las partículas evolucionaron y se recombinaron, adquiriendo masa.
Bosón de Higgs en LHC del CERN
22
23. Mecanismo de Higgs – Masa
Propuesto ~1960s por P.Higgs,
F. Englert, R. Brout, G. Guralnik,
C. Hagen & T. Kibble (6 magníficos)
Mecanismo de Higgs da masa
a las partículas mediadoras W y
Z (bosones) y, como
subproducto, a las de materia
(fermiones).
Un procedimiento distinto en
cada caso.
Bosón de Higgs en LHC del CERN
23
24. Mecanismo de Higgs . Bosones
Tras Big Bang
campo Higgs (spinor complejo – 4 componentes reales) : H0, H+, H- , h
bosones de interaccion, con masa nula: W1, W2, W3, B
Bosón de Higgs en LHC del CERN
24
25. Mecanismo de Higgs . Bosones
Tras Big Bang
campo Higgs (spinor complejo – 4 componentes reales) : H0, H+, H- , h
bosones de interaccion, con masa nula: W1, W2, W3, B
W1 y W2 se combinan con H+, H- , adquiriendo masa W+ , W-
Cartoon by Flip Tanedo
Bosón de Higgs en LHC del CERN
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26. Mecanismo de Higgs . Bosones
Tras Big Bang
campo Higgs (spinor complejo – 4 componentes reales) : H0, H+, H- , h
bosones de interaccion, con masa nula: W1, W2, W3, B
W1 y W2 se combinan con H+, H- , adquiriendo masa W+ , WW3 y B se “mezclan” y combinan con H0 Z (masivo), (masa nula)
Cartoon by Flip Tanedo
Bosón de Higgs en LHC del CERN
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27. Mecanismo de Higgs . Bosones
Tras Big Bang
campo Higgs (spinor complejo – 4 componentes reales) : H0, H+, H- , h
bosones de interaccion, con masa nula: W1, W2, W3, B
W1 y W2 se combinan con H+, H- , adquiriendo masa W+ , WW3 y B se “mezclan” y combinan con H0 Z (masivo), (masa nula)
Queda remanente un Higgs, h. Este es el Higgs buscado en el LHC.
La interacción del resto de las partículas
(fermiones) con el campo creado por este
Higgs les confiere masa.
Cartoon by Flip Tanedo
Bosón de Higgs en LHC del CERN
27
28. Mecanismo de Higgs . Fermiones
Las partículas interaccionan con el campo creado por la partícula de
Higgs, h y adquieren masa, mayor, cuanto mayor sea la intensidad de la
interacción.
Este campo llenaría todo el universo.
Interacción con el
campo de Higgs
≡
Fricción con un líquido
viscoso
Bosón de Higgs en LHC del CERN
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29. Mecanismo de Higgs . Fermiones
Las partículas interaccionan con el campo creado por la partícula de
Higgs, h y adquieren masa, mayor, cuanto mayor sea la intensidad de la
interacción.
Este campo llenaría todo el universo.
Interacción con el
campo de Higgs
≡
Fricción con un líquido
viscoso
Unico “Higgs” observado hasta ahora en un
experimento…el propio Dr. Higgs!!
Bosón de Higgs en LHC del CERN
29
30. Predicción bosón Higgs
Falta 1 pieza: Higgs
La teoría del ME necesita existencia del
bosón de Higgs para ser predictiva y
calculable, y no dar resultados infinitos
(divergentes) en alguno de los procesos
de la naturaleza (scattering WW). No sólo
para originar masa.
Este mecanismo (u otros semejantes) es
necesario para explicar la naturaleza tal
como la observamos .
El modelo Estándar predice muchas de
sus propiedades; pero no su masa, mh
Bosón de Higgs en LHC del CERN
30
31. Colisiones de partículas de alta energía:
E=mc2
ECMS = Eh + Eh’
100 m
Haz de partículas, Eh
C. Vander Velde
Haz de partículas, Eh’
Bosón de Higgs en LHC del CERN
31
32. Colisionadores de partículas
Energía de la colisión se emplea
en crear partículas de masa m.
A mayor energía, podemos
crear partículas más masivas
Estas partículas masivas se
desintegran rápidamente en
otras más ligeras y estables.
Estas colisiones recrean las
condiciones que existieron en el
Universo tras el Big-Bang.
Energía de acelerador (E=2 Ehaz) está relacionada con:
E=mc2, energía disponible para crear nuevas partículas
E ~1/, tamaño de objeto a investigar
E =KT, probar condiciones del universo primario (T>>>)
32
33. Elementos de un acelerador
Cavidades aceleradoras
Tubo del haz
Superconductoras Nb (a 4.5 K)
Vacío mejor que espacio exterior
Dipolos
Imanes superconductores, curvan trayectoria
Túnel
Gran obra ingeniería civil
Cuadrupolos, Sextupolos
Focalizan y empaquetan haz
33
34. Túnel del LHC
27 km de circunferencia
100 m bajo tierra, 8 sectores independientes
en criogenia y sistemas eléctricos y 8
enormes cavernas para albergar detectores
(~50000 m3)
34
35. Definición y mantenimiento de órbitas
1232 Imanes dipolares o dipolos
r=1/r=eB/p
I11000 A
proporciona
B= 8.3T
35
36. Óptica del haz
~400 Imanes cuadrupolares
(lentes magnéticas)
y
x
Los cuadrupolos focalizan en una coordenada
(x) y desfocalizan en la otra (y)
Normalmente están organizados por parejas donde
los elementos están girados 90 grados entre ellos
Los paquetes de partículas que pasan a través de
ellos reducen sus dimensiones transversales pero
aumentan su dimensión longitudinal.
36
38. Cavidades aceleradoras
Las partículas se aceleran con
campos eléctricos alternantes
(cavidades aceleradoras) de
5MV/m de radiofrecuencia
+
400MHz.
E ~ 5 MV/m
-
+
+
+
+
+
+
+
- +
- +
- +
+
+
+
+
-
+
+
+
- +
- +
- +
+
- +
- +
- +
-
+
- +
- +
- +
-
Los paquetes de partículas se hacen
más compactos. La partículas más
retrasadas se aceleran más mientras
que las más adelantadas se aceleran
menos.
Las pérdidas energéticas por
radiación sincrotón se compensan
en las cavidades de aceleración.
38
40. LHC es el más grande y potente “microscopio”
en la historia de la Ciencia!
CMS
LHCb
ALICE
ATLAS
Bosón de Higgs en LHC del CERN
41. Colisiones protón-protón en LHC
3.5 - 4 1012 ev
~1034 cm-2 s-1
1380 (2808)
1011
Energía del haz
Luminosidad
Paquetes de protones/haz
Protones/Paquete
25 ns
Cruce de paquetes 4x107 Hz
Paquetes 7.5 cm x 16 x16 m2
Haces Protón Protón
colisionando a 7 TeV
Colisiones de Protones 107 - 109 Hz
Colisiones de quarks/gluones
Producción de nuevas partículas 10-5 Hz
(Higgs, SUSY, …)
Bosón de Higgs en LHC del CERN
Sucesos interesantes
1 cada 10,000,000,000,000
41
42. Detección de partículas
C. Vander Velde
Detector constituido por capas
concentricas, cada una con
tareas
específicas
43. Detección de partículas
Objetivo: Identificar y medir magnitudes (energía, momento, carga
eléctrica, trayectoria, masa) de las partículas creadas.
Basado interacción partícula-materia
Requisitos detectores de LHC
hermético (4)
rápidos (25-50 ns)
finamente segmentados
resistentes a radiación
capaces de identificar y medir partículas
individuales y chorros –jets (quarks).
Bosón de Higgs en LHC del CERN
43
44. Compact Muon Solenoid: CMS
CALORIMETROS
IMAN SUPERCONDUCTOR
ECAL
Cristales centelladores
de PbWO4
HCAL
Plásticos centelladores
intercalados con bronce
Yugo de hierro
TRACKER
Silicon Microstrips
Pixels
Peso total : 12,500 t
Diámetro total : 15 m
Longitud total : 21.6 m
Campo magnético : 4 Tesla
Tapas laterales
Detector de MUONES (Barril)
Cámaras de
tubos de deriva
Cámaras de
placas resistivas
de MUONES
Cámaras de strips catódicos
Cámaras de placas resistivas
44
45. Solenoide Superconductor
En CMS, el mayor solenoide
superconductor (13m largo,
6m diámetro interior) jamás
construido.
Hilos de Niobio-Titanio (Nb-Ti)
enfriados a -271oC llevan 20000 A
para generar un campo
magnético de ~4 T – unas 10000
veces mayor que el terrestre.
Objetivo: Dotar al detector con un campo magnético para
curvar las trayectorias de partículas cargadas
Bosón de Higgs en LHC del CERN
45
46. Detector de Si para trayectorias
Detector de Si muy finamente
Segmentado (píxeles y tiras)
Registra la trayectoria de
partículas cargadas, que
permite medir su momento
(muy buena resolución,
pt/pt ~1-2% a alto ángulo)
dxy~10 m, dz ~50 m
Similar a cámara digital 70
Megapixel tomando 40
millones fotos/s!
Objetivo: medir trayectorias & momenta de partículas cargadas
46
47. Calorímetro Electromagnético
80000 cristales de PbWO4
producen luz al paso de las
partículas incidentes.
La cantidad de luz depende
de la energía de la partícula.
~80% metal, pero transparente!
Objetivo: medir la energía de electrones, positrones y fotones
47
48. Calorímetro Hadrónico
Varias capas de material denso
(Cu, acero) entremezcladas con
plásticos centelleadores ó fibras
de cuarzo (material activo).
De armas a instrumentos
científicos! Latón (Cu) para el
calorímetro recuperado de los
barcos de guerra rusos.
Objetivo: medir la energía de hadrones (protones, neutrones…
48
49. Cámaras de muones
Diversos tipos de cámaras de
muones, basados en ionizar un
gas al paso del muón, que genera
una nube de electrones marcando
el camino seguido por él.
El área total cubierta por estos
detectores en experimentos LHC
es ~6000m2 - como campo fútbol!
Objetivo: Identificar muones y medir su momento
Bosón de Higgs en LHC del CERN
49
50. Cámaras de deriva multihilos para muones
CIEMAT responsable 25% cámaras de deriva de muones en zona central del
experimento CMS:
construcción
pruebas
instalación
electrónica de lectura de datos
alineamiento
calibración
análisis científico de datos
2.5m
2.5m
Bosón de Higgs en LHC del CERN
50
51. Esquema transversal de un sector de CMS
Visualiza el paso de cada tipo de partícula a través de los detectores
Bosón de Higgs en LHC del
CERN
51
52. Bajando la rueda central del detector
1900 Toneladas
Bosón de Higgs en LHC del CERN
52
53. Los detectores de muones de las tapas y el
calorímetro hadrónico
Bosón de Higgs en LHC del CERN
53
56. …. y ya cerrado!
Bosón de Higgs en LHC del CERN
56
57. En el LHC hay 4 grandes detectores
CMS
Propósito general
LHCb
Física del quark b
Violación CP
ALICE
Plasma de quarks
y gluones
ATLAS
Propósito general
Bosón de Higgs en LHC del CERN
59. A Toroidal LHC ApparatuS: ATLAS
Bosón de Higgs en LHC del CERN
59
60. A Toroidal LHC ApparatuS: ATLAS
Bosón de Higgs en LHC del CERN
60
61. A Toroidal LHC ApparatuS: ATLAS
Bosón de Higgs en LHC del CERN
61
62. Excelente funcionamiento del LHC
Cada año progreso enorme en luminosidad
(número de protones por cm2 y por s), en
control de parámetros del acelerador.
Desde Marzo 2010 colisiones pp a ECMS= 7
TeV. Durante 2012 , ECMS = 8 TeV.
Eficiencia de recogida datos (CMS activo)
(95%) y de calidad óptima para análisis
científico (94%) .
Gran desafío: pile-up (múltiples interacciones
pp en mismo cruce de paquetes).
1fb-1 of pp collisions @ s= 7 TeV 601012 events
Suceso de toma datos 2012 con 25 vértices reconstruidos
Z μμ
Bosón de Higgs en LHC del CERN
62
63. Cómo buscamos el bosón de Higgs??
Bosón de Higgs en LHC del CERN
63
64. Producción de Higgs
u
u
u
u
d
mh parámetro libre (en ME)
d
p
p
Colisiones q-q, q-g, g-g
g
q
q
q
H
g
g
q
t
t
q
q
W
H
g
H
W*
q
H
W
W
q
Consideraciones teóricas
sobre dispersión WW
implican mh < ~1 TeV
q
64
65. Desintegración del bosón de Higgs
El Higgs se desintegra inmediatamente
a fermiones (quarks y leptones)
a bosones vectoriales (W, Z, , g)
BR = Fracción (razón) de desintegración = fracción de veces que se desintegra
en un determinado estado final
Bosón de Higgs en LHC del CERN
65
66. Desafío en la búsqueda
Gran variedad de procesos físicos ya
establecidos y conocidos
Producidos con una probabilidad
(sección eficaz) varios órdenes de
magnitud superior
Las signaturas o estados finales son
muy semejantes
es como buscar aguja en un pajar!!!
Búsqueda especializada en diversos canales,
combinando modos de producción y de
desintegración
Abundancia
Claridad de señal en detectores
Capacidad de discernir entre otros
procesos
Bosón de Higgs en LHC del CERN
66
67. Desafío en la búsqueda
Gran variedad de procesos físicos ya
establecidos y conocidos
Producidos con una probabilidad
(sección eficaz) varios órdenes de
magnitud superior
Las signaturas o estados finales son
muy semejantes
es como buscar aguja en un pajar!!!
Búsqueda especializada en diversos canales,
combinando modos de producción y de desintegración
H ZZ 4 l (l = e, )
H
H WW 2l 2n
H bb
H
Bosón de Higgs en LHC del CERN
67
68. H ZZ 4 l (l = e, )
Z
Z
e+
e+
-
Z e+e-, +- posible estados finales 4e, 4, 2e 2
A través de productos de desintegración, reconstruir
Z e+e-, + y luego H ZZ
Reconstruccion en términos masa invariante del
sistema: E2= (mc2)2 + (pc)2
Z+-
Bosón de Higgs en LHC del CERN
68
69. H ZZ 4 l (l = e, )
Gráfico de frecuencias de masa reconstruida de 2 muones: m
u, d, s
c
b
Procesos de fondo
Bosón de Higgs en LHC del CERN
69
70. H ZZ 4 l (l = e, )
Gráfico de frecuencias de masa reconstruida de 2 muones: m
u, d, s
c
b
Procesos de fondo
Bosón de Higgs en LHC del CERN
70
71. H ZZ 4 l (l = e, )
Reconstruir H ZZ 2e 2
e
e
Bosón de Higgs en LHC del CERN
71
72. H ZZ 4 l (l = e, )
Reconstruir H ZZ 4
Bosón de Higgs en LHC del CERN
72
73. H ZZ 4 l (l = e, )
• Gráfico de frecuencias de masa reconstruida de 4 leptones: m4l
• Mismo exceso de sucesos alrededor de m4l ~125 GeV obtenido
independientemente por CMS & ATLAS
Bosón de Higgs en LHC del CERN
73
74. H
Procedimiento similar para H
Reconstruimos masa invariante del sistema de 2 fotones: m
Bosón de Higgs en LHC del CERN
74
75. H
De nuevo, ambos experimentos
observan exceso en m ~ 125 GeV
Bosón de Higgs en LHC del CERN
75
77. Cómo continuamos?
LHC continúa funcionando y CMS/ATLAS recogiendo y analizando
datos, para acumular mayor número sucesos
Confirmar/Identificar si la nueva partícula descubierta es el bosón
de Higgs predicho por Modelo Estándar (otras alternativas)
modos produccion/desintegracion
en las proporciones (secciones eficaces)predichas
con los numeros cuánticos (spin, paridad..)
En marzo 2013 LHC parará durante ~1 ½-2 años, para adaptar sus
imanes y su funcionamiento a Eh = 6-7 TeV => ECMS ~13-14 TeV
Alguna sorpresa puede estar
a la vuelta de la esquina!
Bosón de Higgs en LHC del CERN
77