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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
CERN – European Centre for Nuclear Research
En el corazón de Europa,
en uno de los

mayores laboratorios del mundo…

2
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
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
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
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
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
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
Bosón de Higgs en LHC del CERN

9
…del acelerador LHC!
Large Hadron Collider
CMS
LHCb

ALICE

ATLAS
Bosón de Higgs en LHC del CERN

10
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
¿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
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
Partículas elementales de materia

Bosón de Higgs en LHC del CERN

14
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
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
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

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

18
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
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




13.7 billion years

Partículas sin masa

Partículas
masivas

E = mc2

E  kT

21
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
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
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
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

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+ , WW3 y B se “mezclan” y combinan con H0  Z (masivo),  (masa nula)

Cartoon by Flip Tanedo
Bosón de Higgs en LHC del CERN

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)



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
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

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

Unico “Higgs” observado hasta ahora en un
experimento…el propio Dr. Higgs!!
Bosón de Higgs en LHC del CERN

29
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
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
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
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
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
Definición y mantenimiento de órbitas
1232 Imanes dipolares o dipolos

r=1/r=eB/p

I11000 A
proporciona
B= 8.3T

35
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
Interconexión de criodipolos

37
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
Cadena de aceleradores en CERN

39
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
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
Detección de partículas

 C. Vander Velde

Detector constituido por capas
concentricas, cada una con
tareas
específicas
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Bajando la rueda central del detector
1900 Toneladas

Bosón de Higgs en LHC del CERN

52
Los detectores de muones de las tapas y el
calorímetro hadrónico

Bosón de Higgs en LHC del CERN

53
Bosón de Higgs en LHC del CERN
Listo para cerrarlo…

Bosón de Higgs en LHC del CERN

55
…. y ya cerrado!

Bosón de Higgs en LHC del CERN

56
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
A Toroidal LHC ApparatuS: ATLAS
45 m

24 m

58
A Toroidal LHC ApparatuS: ATLAS

Bosón de Higgs en LHC del CERN

59
A Toroidal LHC ApparatuS: ATLAS

Bosón de Higgs en LHC del CERN

60
A Toroidal LHC ApparatuS: ATLAS

Bosón de Higgs en LHC del CERN

61
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  601012 events
Suceso de toma datos 2012 con 25 vértices reconstruidos

Z μμ

Bosón de Higgs en LHC del CERN

62
Cómo buscamos el bosón de Higgs??

Bosón de Higgs en LHC del CERN

63
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
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
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
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
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
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
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
H  ZZ  4 l (l = e, )
Reconstruir H  ZZ  2e 2



e

e

Bosón de Higgs en LHC del CERN

71
H  ZZ  4 l (l = e, )
Reconstruir H  ZZ  4








Bosón de Higgs en LHC del CERN

72
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
H  
Procedimiento similar para H  
Reconstruimos masa invariante del sistema de 2 fotones: m




Bosón de Higgs en LHC del CERN

74
H  
De nuevo, ambos experimentos
observan exceso en m ~ 125 GeV

Bosón de Higgs en LHC del CERN

75
Anuncio descubrimiento 4-Julio-2012

Bosón de Higgs en LHC del CERN

76
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

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El bosson de higgs en lhc

  • 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
  • 9. Bosón de Higgs en LHC del CERN 9
  • 10. …del acelerador LHC! Large Hadron Collider CMS LHCb ALICE ATLAS Bosón de Higgs en LHC del CERN 10
  • 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
  • 14. Partículas elementales de materia Bosón de Higgs en LHC del CERN 14
  • 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 17
  • 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 18
  • 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
  • 21.   13.7 billion years Partículas sin masa Partículas masivas E = mc2 E  kT 21
  • 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 25
  • 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 26
  • 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 28
  • 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 I11000 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
  • 54. Bosón de Higgs en LHC del CERN
  • 55. Listo para cerrarlo… Bosón de Higgs en LHC del CERN 55
  • 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
  • 58. A Toroidal LHC ApparatuS: ATLAS 45 m 24 m 58
  • 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  601012 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
  • 76. Anuncio descubrimiento 4-Julio-2012 Bosón de Higgs en LHC del CERN 76
  • 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