LHC Wielkiemu Zderzaczowi Hadronów Czego już dowiedzieliśmy się dzięki

(1)

Czego już dowiedzieliśmy się dzięki Wielkiemu Zderzaczowi Hadronów

LHC

Jan Królikowski, Festiwal Nauki, wydz. Fizyki UW 24-25.09.2010

Jan Królikowski

Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego

i

Współpraca Compact Muon Solenoid (CMS) przy LHC

1

(2)

2

20 krajów członkowskich CERN

Obserwatorzy: UNESCO, UE, Israel, Turcja, USA, Japonia, Rosja

(3)

Wielki Zderzacz Hadronowy LHC

ATLAS ALICE CMS LHCb W tunelu LEP

W CERNie k/ Genewy-

27 km obwodu

Uruchomiony we wrześniu 2008. Uległ awarii po 9 dniach.

Rozpocznął

ponownie pracę w listopadzie2009.

3 3

(4)

Wykorzystano istniejący tunel zderzacza e

⁺

e

^-

LEP o obwodzie ok. 27 km.

Zbudowano pierścień magnesów nadprzewodzących dipolowych

(~1300) zapewniający zamknięte orbity dla dwóch przeciwbieżnych wiązek protonów lub jonów (aż do jonów Pb).

Maksymalna indukcja B w dipolach to 8.4 T  maksymalna energia wiązki p 7 TeV.

System kriogeniczny LHC jest największy na świecie.

Magnesy dipolowe pracują w temperaturze nadciekłego helu 1.9 K

Zderzacz LHC

(5)

Wkład zespołów polskich

Polskie zespoły naukowe uczestniczą we wszystkich 4 eksperymentach przy LHC.

Wniosły znaczny wkład (~1% w każdym eksperymencie) aparaturowy w detektory i oprogramowanie.

Aktywnie uczestniczą w zdefiniowaniu i realizacji programów fizycznych, przygotowując analizy

danych, uczestnicząc w integracji i kalibracji

detektorów i systemów akwizycji oraz zbieraniu danych z LHC i danych kosmicznych.

Jan Królikowski, Festiwal Nauki, wydz. Fizyki UW 24-25.09.2010 5

(6)

Plan

1. Fizyka cząstek elementarnych: kwarki, leptony i Model Standardowy

2. LHC- status, świetlność etc.

3. Układy detekcyjne

4. Wyniki: kiedy odkrycia?

(7)

Cząstki w Modelu Standardowym

Tego szukamy!

7

(8)

Model Standardowy Model Standardowy

Teoria Elektrosłaba

Z

⁰

/W LEP/SLC/

TeVatron

Fizyka Zapachu Fabryki B/

TeVatron

Chromodynamika kwantowa QCD

DIS, TeVatron,

QCD a Ciężkie Jony

Mechanizm

Spontanicznego

Łamania Symetrii

Poszukiwania cząstek Higgsa

Bardzo dobrze sprawdzona ~M _Z

pQCD dobrze sprawdzona

Niewiele

wiadomo

(9)

Fizyka Oddziaływań Elementarnych ma bliski związek z Kosmologią.

Wielkie energie

odpowiadają bardzo wczesnym etapom ewolucji

Wszechświata.

LHC

9

Gdzie jesteśmy na drodze poznania świata subjądrowego?

9

(10)

2. Zderzacz LHC

Podstawowe parametry:

• Energia E;

• LHC zaprojektowano na energie 7+7=14 TeV.

• Po awarii magnesów w 2009 dokonano częściowych napraw; reszta zostanie skończona w 2 połowie 2011. Dokonane naprawy umożliwiają bezpieczną pracę z połową energii 7 TeV.

• Świetlność L;

• To wielkość zdefiniowana jako liczba oddziaływań w zderzaczu na jednostkę przekroju czynnego i na sekundę pracy.

• L zależy od liczby i intensywności zderzajacych się paczek oraz ich wymiarów poprzecznych

• Nominalna świetlność LHC ma być 10/nb.s, obecnie wynosi ona 10000

razy mniej- 1/nb.s

(11)

Jan Królikowski, Festiwal Nauki, wydz. Fizyki UW 24- 25.09.2010

11

Atom= boisko piłkarskie

(powiększony 10 ¹² razy)

W tej skali jadro ma ~1 cm.

Rzędy wielkości

W LHC będziemy mogli badać

obiekty 10 ⁴ razy mniejsze.

(12)

Przykład:

produkcja pary

kwark- antykwark przez „fuzję”- zlepienie się dwóch gluonów.

Podobnie można myśleć o mechanizmach produkcji np.

wzbudzonych kwarków, gdyby takie istniały.

Zderzenia proton- proton

to zderzenia układów kwarków

Tylko część energii protonów przekazywana jest

produkowanym cząstkom.

(13)

Kwarki są uwięzione

Co wprowadza dodatkowe komplikacje.

Przy dużych energiach kwarki i gluony produkują skolimowane strumienie, DŻETY hadronów:

(14)

„Nowa Fizyka”

jest rzadka nawet w

LHC

1 barn= 10 ^-24 cm ² = 100 fm ² Przekrój czynny= rozmiary tarczy strzelniczej

1 rok

Zderzacza=

=10 ⁷ s.

(15)

Granice świetlności dla zderzaczy

y x

N f N

L ^  ¹  ²

Granice intensywności

Granice rozmiarów wiązek

+granice energii Granice mocy RF

N~10 ¹¹ p,

= 20 m, f=40 MHz

LHC: L= 10 / nb.s

15

(16)

Całkowita zebrana świetlność CMS

2010

Od kwietnia

do wczoraj

(17)

3. Układy detekcyjne.

Eksperymenty: supermikroskopy

(18)

Eksperymenty „ogólnego

przeznaczenia”

(19)

Eksperymenty dedykowane:

ALICE i LHCb

ALICE- zderzenia jonów (jader atomowych) wysokich energii

(20)

LHCb- detektor cząstek z

kwarkiem b

(21)

Detekcja Cząstek w CMS

miony Tracker: cząstki

naładowane

Kalorymetr EM: Fotony i elektrony, dżety

Kalorymetr Had:

hadrony , dżety

21

(22)

CMS : Compact Muon Solenoid

Wkład Warszawy: elektronika systemu wyzwalania na miony

Instalacja detektora śladowego

200 m

²

krzemu

XII. 2007

(23)

“masa niezmiennicza”

X

Z

Y E _Y , P _Y

E _Z , P _Z

M _X

Informacje o parach cząstek są wykorzystywane do badania, czy pochodzą one z rozpadu innej, cięższej cząstki

(24)

Masa niezmiennicza (cont.)

M ₅ M ₃

M ₂

M ₆ M ₁

M ₄

Wiele różnych kombinacji par cząstek

Można zredukować tą tę liczbę poprzez „cięcia” na innych

własnościach torów.

Nadal pozostaje pewne tło od sztucznych Etc.

kombinacji.

(25)

LHCb

(26)

Energie LHC

• 2009: 900 GeV, niewiele danych

• 2010: 2.38 TeV; niewiele danych !

• 2010: 7 TeV, L=ok. 3.5 /nb !

! – najwyższe dostępne energie

zderzaczy

(27)

Małe świetlności: fizyka MS przy nowych energiach

Do chwili obecnej wykonano wiele pomiarów sygnałów znanej fizyki ale przy najwyższych dostępnych energiach zderzaczy.

Podstawowy cel to testowanie i kalibracja:

• Aparatury detekcyjnej , systemu wyzwalania i systemu zbierania danych.

• Współpracy detektorów ze zderzaczem ( np. kontrola synchronizacji)

• Rozproszonych systemów obliczeniowych rekonstrukcji przypadków i analizy danych (GRID)

Niektóre przykłady podamy poniżej. Okazuje się, że aparatury działają bardzo dobrze, zgodnie z założonymi parametrami.

(28)

(29)

29

ICHEP 2010 J. Schukraft 29

ALICE: High Multiplicity Event

No match for heavy ions, but not too bad for pp (>120 charged tracks in TPC) Jan Królikowski, Festiwal Nauki, wydz. Fizyki UW 24-25.09.2010

(30)

Badanie „starych” cząstek przy nowych energiach

1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010

p ⁰ h ⁰ J/y W ^± ,Z ⁰ ^TOP _quark

Within 3 mins!

p ⁰ h ⁰

J/y

CMS

(31)

31

Early K⁰_s  π⁺π^-observed in Dec 2009, few days after first collisions

Λ π^- π^- p

PDG: 1321.32

Ξ  Λπ

Inner Detector: from early observation of peaks to cascade decays and J/ψ  ee

To extract signal from background:



2 EM clusters matched to tracks



p

_T

(e

^±

tracks) > 4, 2 GeV



track quality, calo shower shapes



key handle: large transition radiation in TRT



invariant mass from track parameters after Brem recovery (GSF)

Signal : 222 ± 11 events Background : 28 ± 2 events Mass peak : 3.09± 0.01 GeV Mass resolution : 0.07 ± 0.01 GeV

78 nb^-1

J/ψ  e⁺e^-

Momentum scale known to permil in this range Resolution as expected (dominated by multiple scattering)

ATLAS

(32)

ALICE/CMS:Multiplicity Distribution

Results:

- most of the „stronger increase‟

is in the tail of N

_ch

- ALICE & CMS still agree perfectly !

Multiplicity Distribution 900 GeV Multiplicity Distribution 7 TeV

ALICE

CMS

(33)

W and Z particles

W ⁺ ^ e ^- n

Z ⁰  e ⁺ e ^-

(34)

Two b-jets candidate

CMS: rozpoznawanie (znaczenie) dżetów b

(35)

CMS: Kandydat na produkcję pary t- anty t

pp t t

b b







 n

 





n

35

(36)

Galeria procesów BSM

(37)

Kiedy odkrycia?

Będą wymagały zebrania statystyki; zależnie od procesu potrzebujemy od 100 do 1000 /pb.

SUSY wymaga najmniej; higgsy znacznie więcej.

Tak więc najwcześniej w połowie 2011

(38)

Poszukiwanie higgsów

Mechanizmy produkcji i rozpadów higgsów:

Cząstki Higgsa sprzęgają się najmocniej do

najcięższych cząstek, na które mogą się rozpaść.

Np. rozpad

dominuje dla 140 < m

_H

< 2 m

_W

czyli w obszarze mas higgsów 140- 180 GeV/c

²

.

Stąd poszukiwanie higgsów polega na badaniu

różnych kanałów rozpadów zależnie od obszaru masy poszukiwanej cząstki.

Ponieważ możliwości detekcji, tło i zdolności

rozdzielcze różnych kanałów rozpadu są różne, czułość eksperymentów na odkrycie higgsów zależy od masy higgsów.



 W



W

H

(39)

Produkcja i rozpad higgsa

Czułość w poszczególnych kanałach zależy od masy higgsów

39

(40)

Poszukiwanie higgsa

Jeżeli higgs istnieje i jeżeli ma masę ok. 130 GeV/c

²

… Taki sygnał zobaczymy w CMS po 1 roku zbierania danych z maksymalną świetlnością 10/nb.s Szerokość sygnału jest przede wszystkim efektem aparaturowym. Szerokość higgsa jest zaniedbywalnie mała.

“tło” pochodzące od fałszywych kombinacji dwóch kwantów gamma

m

_

dN/dm

_

(41)

LHC Wielkiemu Zderzaczowi Hadronów Czego już dowiedzieliśmy się dzięki

Czego już dowiedzieliśmy się dzięki Wielkiemu Zderzaczowi Hadronów

LHC

Jan Królikowski

Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego

i

Współpraca Compact Muon Solenoid (CMS) przy LHC

20 krajów członkowskich CERN

Obserwatorzy: UNESCO, UE, Israel, Turcja, USA, Japonia, Rosja

Wielki Zderzacz Hadronowy LHC

ATLAS ALICE CMS LHCb W tunelu LEP

W CERNie k/ Genewy-

27 km obwodu

Uruchomiony we wrześniu 2008. Uległ awarii po 9 dniach.

Rozpocznął

ponownie pracę w listopadzie2009.

Wykorzystano istniejący tunel zderzacza e

e

LEP o obwodzie ok. 27 km.

Zbudowano pierścień magnesów nadprzewodzących dipolowych

(~1300) zapewniający zamknięte orbity dla dwóch przeciwbieżnych wiązek protonów lub jonów (aż do jonów Pb).

Maksymalna indukcja B w dipolach to 8.4 T  maksymalna energia wiązki p 7 TeV.

System kriogeniczny LHC jest największy na świecie.

Magnesy dipolowe pracują w temperaturze nadciekłego helu 1.9 K

Zderzacz LHC

Wkład zespołów polskich

Polskie zespoły naukowe uczestniczą we wszystkich 4 eksperymentach przy LHC.

Wniosły znaczny wkład (~1% w każdym eksperymencie) aparaturowy w detektory i oprogramowanie.

Aktywnie uczestniczą w zdefiniowaniu i realizacji programów fizycznych, przygotowując analizy

danych, uczestnicząc w integracji i kalibracji

detektorów i systemów akwizycji oraz zbieraniu danych z LHC i danych kosmicznych.

Plan

1. Fizyka cząstek elementarnych: kwarki, leptony i Model Standardowy

2. LHC- status, świetlność etc.

3. Układy detekcyjne

4. Wyniki: kiedy odkrycia?

Cząstki w Modelu Standardowym

Tego szukamy!

Model Standardowy Model Standardowy

Teoria Elektrosłaba

Z

/W LEP/SLC/

TeVatron

Chromodynamika kwantowa QCD

QCD a Ciężkie Jony

Mechanizm

Spontanicznego

Łamania Symetrii

Poszukiwania cząstek Higgsa

Bardzo dobrze sprawdzona ~M Z

pQCD dobrze sprawdzona

Niewiele

wiadomo

Fizyka Oddziaływań Elementarnych ma bliski związek z Kosmologią.

Wielkie energie

odpowiadają bardzo wczesnym etapom ewolucji

Wszechświata.

LHC

Gdzie jesteśmy na drodze poznania świata subjądrowego?

2. Zderzacz LHC

Podstawowe parametry:

• Energia E;

• LHC zaprojektowano na energie 7+7=14 TeV.

• Po awarii magnesów w 2009 dokonano częściowych napraw; reszta zostanie skończona w 2 połowie 2011. Dokonane naprawy umożliwiają bezpieczną pracę z połową energii 7 TeV.

• Świetlność L;

• To wielkość zdefiniowana jako liczba oddziaływań w zderzaczu na jednostkę przekroju czynnego i na sekundę pracy.

• L zależy od liczby i intensywności zderzajacych się paczek oraz ich wymiarów poprzecznych

• Nominalna świetlność LHC ma być 10/nb.s, obecnie wynosi ona 10000

razy mniej- 1/nb.s

Atom= boisko piłkarskie

(powiększony 10 12 razy)

W tej skali jadro ma ~1 cm.

Rzędy wielkości

W LHC będziemy mogli badać

obiekty 10 4 razy mniejsze.

Przykład:

produkcja pary

kwark- antykwark przez „fuzję”- zlepienie się dwóch gluonów.

Podobnie można myśleć o mechanizmach produkcji np.

wzbudzonych kwarków, gdyby takie istniały.

Bardzo dobrze sprawdzona ~M _Z

(powiększony 10 ¹² razy)

obiekty 10 ⁴ razy mniejsze.

1 barn= 10 ^-24 cm ² = 100 fm ² Przekrój czynny= rozmiary tarczy strzelniczej

=10 ⁷ s.

L ^  ¹  ²

N~10 ¹¹ p,

Y E _Y , P _Y

E _Z , P _Z

M _X

M ₅ M ₃

M ₂

M ₆ M ₁

M ₄