Bozon Higgsa oraz SUSY

(1)

Bozon Higgsa oraz SUSY

!  Bozon Higgsa

!  Poszukiwania bozonu Higgsa w LEP i Tevatronie - otrzymane ograniczenia na mas" H

!  Plany poszukiwa# w LHC

!  Supersymetria (SUSY)

!  Zagadkowe wyniki CDF

(2)

Masy cz$stek – cz$stki Higgsa

PROBLEM:

Teoria przewiduje zerowe masy dla bozonów cechowania. Nie jest to problem dla QED i QCD bo foton i gluon maj$ zerowe masy, ale jest to powa%ny problem dla bozonów: W i Z.

Mo%liwe rozwi$zanie problemu:

wprowadzenie dodatkowych bozonów – neutralnych cz$stek Higgsa o spinie=0. Stowarzyszone z cz$stk$ pole Higgsa nadaje innym

cz$stkom masy przez oddzia!ywanie z nimi.

(3)

D. Kie!czewska, wyk!ad 7 3

Sukcesy unifikacji elektro-slabej (z wyk!adu 7)

Maj$c bardzo precyzyjne pomiary masy W i Z mo%na by!o wyznaczy& mas" kwarka t przed jego wykryciem z pomiaru przekroju czynnego na:

oraz uwzgl"dniaj$c poprawki wy%szych rz"dów:

m_t = 171, 2 ± 2,1 GeV

Ale okazuje si",

%e potrzebna jest jeszcze jaka' cz$stka,

%eby uzyska&

zgodno'& z

danymi: ^H⁰

(4)

Masy cz$stek – cz$stki Higgsa

Mo%liwe rozwi$zanie problemu:

wprowadzenie dodatkowych bozonów – neutralnych cz$stek Higgsa o spinie=0. Stowarzyszone z cz$stk$ pole Higgsa nadaje innym

cz$stkom masy przez oddzia!ywanie z nimi.

Sta!e

sprz"%enia:

(5)

Mechanizm Higgsa

Wyobra(my sobie sal" bankietow$ równomiernie wype!nion$ lud(mi (pole Higgsa):

(6)

Mechanizm Higgsa

Pojawia si" s!awny naukowiec (bozon cechowania, np. W) przyci$gaj$c uwag" zebranych

(7)

Mechanizm Higgsa

Ludzie cisn$cy si" wokó! naukowca utrudniaj$ mu poruszanie si"

(nadaj$ mu mas")

(8)

Mechanizm Higgsa

Ludzie na bankiecie mog$ te% spontanicznie tworzy& zg"szczenia (bozon Higgsa)

(9)

Mechanizm Higgsa c.d.

Np. fotony s$ bezmasowe, bo nie oddzia!uj$ z bozonem H.

bezmasowe neutrina neutrina masowe

Mechanizm Higgsa: cz$stki Higgsa H o spinie 0 wype!niaj$ pró%ni".

Gdy jaka' cz$stka napotyka na H zmienia swoj$ skr"tno'&

np. LH"RH. W ten sposób cz$stki staj$ si" masowe. Im cz"'ciej oddzia!uj$ z H, tym wi"ksza masa.

(10)

Poszukiwanie cz$stek Higgsa

Problem:

nie zaobserwowano dot$d cz$stki Higgsa

Wskazówka dla eksperymentów:

Najsilniejsze sprz"%enia do kwarka t i bozonów W i Z.

Trzeba mie& dosyc energii, %eby wyprodukowa& te cz$stki.

Dotychczasowe poszukiwania

^-

LEP, Tevatron

Najwy%sza energia osi$gni"ta:

w LEP:

e⁺e^!

s = 210 GeV

p p

s = 1.96 TeV

w Tevatronie:

(11)

Poszukiwania Higgsa w LEP

e

⁺

e

^!

" H + Z

⁰

" bb + X

(12)

Poszukiwania Higgsa w LEP

PDG 2006

Sygna! ???

Tylko ~2

LEP wy!$czono, %eby dalsze poszukiwania robi& w LHC.

e

⁺

e

^!

" H + Z

⁰

H " bb (2 quark jets)

(13)

Ograniczenia na mas" Higgsa (SM)

Wiele wielko'ci fizycznych

mierzonych precyzyjnie w LEP wg.

teorii zale%y od procesów wy%szych rz"dów z wirtualn$

wymian$ m.in. bozonu Higgsa.

Z / W Z / W

H

Porównuj$c pomiary z obliczeniami metod$ np.

uzyskujemy informacje o masie Higgsa.

)$czna analiza wielu pomiarów daje konsystentne wyniki:

(14)

Poszukiwanie cz$stki Higgsa w Tevatronie (Fermilab)

Tevatron: ^p ^{+ p}

1 TeV + 1 TeV

Przekrój czynny na produkcj" Higgsa silnie maleje z mas$ H:

(obliczony wg Modelu Standardowego)

Rozpady Higgsa:

(15)

Poszukiwanie Higgsa w Tevatronie

Problem: je'li masa H jest <140 GeV to dominuje rozpad:

Ale para mo%e powsta& w wyniku wielu

innych bardziej prawdopodobnych procesów („t!o”).

H ! b + b b + b

Kolejne ploty otrzymane po „ci"ciach”

wybieraj$cych po%$dane cechy przypadków czyli zmniejszaj$cych t!o wzgl"dem sygna!u.

sygna! x10

(wg. MS) PDG2009:

m(H⁰) >114 GeV

(16)

Produkcja cz$stek Higgsa ^{w LHC}

t

(17)

Poszukiwanie Higgsa (SM) ^{w LHC}

Wzgl"dne prawdop. kana!ów rozpadu H

(18)

Rozpady cz$stek Higgsa

1) Je'li

Dominuj$cy rozpad:

Jednak podobne d%ety kwarkowe b"d$

produkowane g!ównie w oddz. silnych i rozpad H zgin$!by w tle. Okazuje si",

%e !atwiej szuka& rozpadów:

(19)

Poszukiwanie cz$stek Higgsa w LHC

2) Je'li

to stosunki rozga!"zie# na rozpady na W i Z staj$ si" dostatecznie du%e,

%eby skorzysta& z !atwiejszej separacji od t!a leptonów ni% hadronów.

masa niezmiennicza 4 leptonów

niewidoczne

(20)

(21)

Higgs w detektorze

CMS

Symulacja dzia!ania detektora CMS dla zdarzenia:

(22)

Poszukiwanie cz$stek Higgsa

w LHC

Powy%ej rozwa%ali'my tylko cz$stk" Higgsa H

⁰

przewidzian$ w Modelu Standardowym.

Natomiast

w modelach supersymetrycznych

przewidywanych jest wi"cej cz$stek Higgsa.

Stan LHC:

od III 2010 zbiera dane przy energiach 2*3.5 TeV

(23)

Supersymetria (SUSY)

Podstawowa symetria:

#  ka%dy fermion ma supersymetrycznego partnera bozonowego

#  ka%dy bozon ma supersymetrycznego partnera fermionowego

•  Symetria zak!ada te same masy, !adunki i te same sprz"%enia dla supersymetrycznych partnerów.

•  Fakt, %e dotychczas nie znaleziono %adnego supersymetrycznego partnera zwyk!ych czastek 'wiadczy o tym, %e symetria jest

!amana przy niedostatecznie du%ych energiach.

•  Masy cz$stek SUSY >100 GeV

(24)

Spin = 1/2 Spin = 0

Spin = 0 higgs

Spin = 1

Spin = 1/2 higgsino Spin = 1/2

Cz$stki SUSY

s- spin, L- liczba leptonowa, B-liczba barionowa

1 1 1

1

-1 -1 -1

-1

(25)

Po co SUSY? - problem hierarchii

Wielkie unifikacje cz$stki o wielkich masach

niesko#czone poprawki radiacyjne

Ale poprawki od p"tli fermionowych i bozonowych maj$ przeciwne znaki, czyli symetria SUSY prowadzi do skasowania poprawek

Np. masa Higgsa:

Pod warunkiem, %e

top stop

(26)

Nowa liczba kwantowa – parzysto'& R

#  Wszystkie „stare” cz$stki maj$ R=+1

#  Cz$stki SUSY maj$ R=-1

#  Iloczyn R jest zachowany

Tzn. cz$stki SUSY musz$ by& produkowane tylko parami:

Czyli najl%ejsza cz$stka SUSY (LSP) powinna by& stabilna

LSP jest kandydatem na cz$stk" Ciemnej Materii

(27)

Najl%ejsza cz$stka SUSY - LSP

#  LSP pozosta!y z Wielkiego Wybuchu i wype!niaj$ Wszech'wiat

#  Oddzia!uj$ tylko grawitacyjnie, bo inaczej ju% by zosta!y zaobserwowane. S$ wi"c neutralne.

Nie mog$ znika& w oddz. z normaln$ materi$, bo zabrania im zachowanie parzysto'ci R.

#  Kandydaci: grawitino oraz neutralino (mieszanka fotina, zina i higgsina)

Je'li LSP jest cz$stk$ Ciemnej Materii to:

Bardzo trudne do wykrycia!

(28)

D. Kie!czewska, wyk!ad 9

Detekcja cz$stek SUSY

G!ówna cecha przypadków z udzia!em cz$stek SUSY to du%y niezbilansowany p"d poprzeczny, bo zawsze na ko#cu musz$

powstawa& jakie' LSP, które s$ ci"%kie, neutralne i nie rozpadaj$ si".

LEP

nie znaleziono cz$stek SUSY - wyznaczono ograniczenia na ich masy

LHC

poszukiwania w!a'nie si"

rozpocz"!y

(29)

Grawitino w LHC?

Za!ó%my, %e grawitino jest najl%ejsz$ cz$stk$ SUSY:

Wtedy cz$stka SUSY najl%ejsza z pozosta!ych, np. stau rozpada!by si":

z bardzo d!ugim czasem %ycia, bo sprz"%enie grawitacyjne b. ma!e Czas móg!by by& rz"du godzin, lat...

Czyli b"dzie szukany czyli na!adowana cz$stka, o du%ej masie, wychodz$ca z wielkich detektorów LHC

np. o masie 10 GeV

(30)

Rozpad protonu w SUSY

Problem rozpadu protonu sta! si" problemem do'wiadczalnym - teoretycznie mo%liwy jest b. szeroki zakres parametrów.

Zachowanie parzysto'ci

wymaga tylko zachowania B-L czyli mo%liwy rozpad z niezachowaniem oddzielnie B i L :

Model SU(5) SUSY przewiduje dla tego rozpadu:

Podczas gdy do'wiadczalnie stwierdzono:

(gdzie B to stosunek rozga!"zie# dla tego rozpadu) model SU(5) SUSY wykluczony

(31)

Zagadkowy wynik CDF

Badanie di-bozonów WW, WZ⁰

arXiv:1104.0699

(32)

Zagadkowy wynik CDF

D. Kie!czewska, wyk!ad 9

a) „excess significant at 3.2 s.d”

b) „the cross section of the observed excess is not compatible with SM WH production with ” ^H ^{! bb}

masa niezmiennicza 2 d%etów masa niezmiennicza 2 d%etów

nonSM Higgs???

np. arXiv:1104.5209

(33)

Podsumowanie

!  Symetrie cechowania w Modelu Standardowym narzucaj$

przenoszenie oddzia!ywa# przez „bozony cechowania”

!  Ale z obserwacji wiemy, %e bozony oddz. s!abych maj$ wbrew symetrii bardzo ró%ne masy

!  Aby nada& im masy zaproponowano mechanizm Higgsa

!  W dotychczasowych eksperymentach nie znaleziono cz$stki Higgsa - nadzieja w LHC

!  Teoria SUSY (Supersymetrii) przewiduje wiele nowych cz$stek o masach od 100 do 1000 GeV - nadzieja w LHC

Bozon Higgsa oraz SUSY