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

.. .10-2. . .

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