dr. Frank Filthaut Radboud Universiteit Nijmegen & …filthaut/talks/NikhefOpenDag-Higgs1.pdfdonkere...

Massahysterie over het massamysterie

dr. Frank FilthautRadboud Universiteit Nijmegen & Nikhef

Higgs: massahysterie over het massamysterie Nikhef open dag, 6-10-2012

Voorbij het blote oog

Antoni van Leeuwenhoek, 1632-1723:

uitvinding van de microscoop

ontdekking van de eerste bacteriën (“kleine beestjes”), 0.5 - 500 μm

2

E. coli (grootte ~ 1 μm)

Resolutie beperkt tot ~ λgrens bij zichtbaar licht: 0.5 μmverbetering to ~ 1Å mogelijk met bijv. STM


Klein - kleiner - kleinst

3



ondeelbaar3



ondeelbaar

ondeelbaar

3


Geboorte van de deeltjesfysicaStrijd tussen Thomson (ontdekker elektron, 1897) enRutherford

Beslist door het gebruik van deeltjes om binnen hetatoom te kijken

Rutherford + Geiger, Marsden: botsingen vanα-deeltjes (4He-kernen) met een goudfolie

4

ladingsverdeling met atoomkern(Rutherford)

diffuseladingsverdeling(Thomson)

Ernest Rutherford


Zoektocht naar elementaire deeltjes...

5

Rutherford, 1911

Friedman, Kendall, Taylor, 1968

kleine afmetingen ➠ hoge energieën


Licht als krachtdeeltjeFoto-electrisch effect (1905):➠ deeltjeskarakter van licht

maar ook:“golfkarakter”van deeltjes(elektronen)

Elektromagnetische wisselwerking kan wordenbeschreven als het uitwisselen van fotonen in hetkrachtenveld tussen de twee deeltjes

Kwantum-electrodynamica (QED): voorspellingengeverifieerd tot precisie 10-13: een succes!

6

Albert Einstein

Richard Feynman


... en de wisselwerkingen tussen deeltjes

4 basis typen wisselwerkingen

7


... en de wisselwerkingen tussen deeltjes

4 basis typen wisselwerkingen

‘Standaard- model’

Prachtig!Dezelfde theorie voor 3 krachten

7


Elementaire deeltjes in het StandaardmodelLeptonen:

2 × 3

Quarks:

2 × 3 × 3

... en antideeltjes

Krachtdeeltjes:

foton (elektromagnetisme)

gluonen (sterke wisselwerking)

W/Z (zwakke wisselwerking)

8

Ontbrekend (tot dit jaar): het Higgsdeeltje


Elementaire deeltjes in het StandaardmodelLeptonen:

2 × 3

Quarks:

2 × 3 × 3

... en antideeltjes

Krachtdeeltjes:

foton (elektromagnetisme)

gluonen (sterke wisselwerking)

W/Z (zwakke wisselwerking)

8

Ontbrekend (tot dit jaar): het Higgsdeeltje

5⋅10-3

5⋅10-3

1,5

0,3

173

4,8

5⋅10-4 0,1 1,8

91

80

0

0

< 10-8

massa’s in GeV/c2 ~ mp

zwaar ➠ korte dracht (≪ 1fm = 10-15 m)


MassaEen onveranderlijke eigenschap van de materie?

9


Massa uit interactie

Waterstofatoom: bindingsenergiet.g.v. Coulomb-interactie

mH < mp + me

Proton: bijna alle massa t.g.v.interactie

som van quarkmassa’s ≪ mp

10


Massa door het Higgs-veldGeeft massa aan alle andere elementaire deeltjes

11


Massieve fotonenMeißner-effect: een supergeleider stoot magnetische veldlijnen af

wiskundige beschrijving: massieve fotonen

maar dit heeft een medium (e- paar condensaat) nodig!

In de deeltjesfysica is het “medium” het vacuüm!

12


Dramatis Personae

Theoretische artikelen uit 1964: bijna een halve eeuw oud!

pas echt belangrijk na aantonen van de consistentie van het Standaardmodel(‘t Hooft en Veltman, 1973) en de ontdekking van de W- en Z-deeltjes (1983/4)Nobelprijzen in 1984 en 1999... het wachten is op 9 oktober

13

Robert Brout ✝ François Englert Peter Higgs


Technieken

14

E = mc2 + Ekin


TechniekenHet Higgsdeeltje leeft zeer kort (τ ≈ 10-22 s) dus hoe het te ontdekken?

14

E = mc2 + Ekin


TechniekenHet Higgsdeeltje leeft zeer kort (τ ≈ 10-22 s) dus hoe het te ontdekken?

botsingen: converteer kinetische energie naar massa

vervalsprocessen: reconstrueerde massa van het vervallende deeltje (als alle vervalsproductengemeten worden)

14

[MeV]-p m1080 1100 1120 1140 1160 1180 1200

Entri

es /

1 M

eV

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

Invariant Mass

=900 GeV)sMinimum Bias Stream, Data 2009 (

> 100 MeV, Si hits > 6TBoth tracks: p) > 0.8, flight distance > 0.2 mmcos(

DataSimulation

Gauss (+poly) fit 0.1 (stat) MeV± = 1116.0 µ 0.1 (stat) MeV± = 3.2

0.006 MeV± =1115.683 PDG (2009) m

ATLAS Preliminary

mΛ

(niet het Higgsdeeltje...)

E = mc2 + Ekin


De Large Hadron Collider

27 km omtrek, 2 protonbundels metE = 4 TeV (v/c ≈ 0,9999997) ➠ 7 TeV

hoge energie ➠ sterk magneetveld(tot 8.5 Tesla)

superfluïde (T = 1,9 K)

15

ATLAS

CMS


De LHC: een succes!

16


De LHC: een succes!

16

Month in YearJan Apr Jul Oct

]-1D

eliv

ered

Lum

inos

ity [f

b

02468

10121416182022

= 7 TeVs2010 pp = 7 TeVs2011 pp = 8 TeVs2012 pp

ATLAS Online Luminosity

In 2 jaar meer botsingendan in 10 jaar bij de vorigeversneller


ATLAS: A Toroidal Lhc ApparatuS

17


Botsingen in de LHC/ATLAS100 miljard protonen per pakketje van 30 μm dik, 10 cm lang

iedere 8 meter een pakketje

Tot 40 miljoen “foto’s”per seconde!

~ 100 miljoen “pixels” per foto

18


De uitdagingInteracties bij de LHC worden gedomineerd door de sterke wisselwerking

waarschijnlijkheid om Higgsdeeltjes te maken is ~ 10 miljard keer kleiner➠ onderdrukken van achtergrondenis de kunst

19

ECM (TeV)Meer details in de volgende lezing


Beschikbare informatie

Massa van het Higgsdeeltje is a priori onbekendalle andere eigenschappen bekend voor gegeven massa➠ we weten “precies” waarnaar we moeten zoeken!

20

80.3

80.4

80.5

150 175 200

mH [GeV]114 300 1000

mt [GeV]m

W [

GeV

]

68% CL

!"

LEP1 and SLDLEP2 and Tevatron (prel.)

August 2009

1

10

100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

1

10

mH(GeV/c2)

95%

CL

Lim

it/SM

Tevatron Run II Preliminary, L 8.6 fb-1

ExpectedObserved±1 Expected±2 Expected

LEP Exclusion TevatronExclusion

SM=1

Tevatron Exclusion July 17, 2011

directe zoektochten bij eerdere versnellers

indirecte aanwijzingen vanprecisiemetingen


4 juli

21


VervolgSommige eigenschappen zijn meteen bekend!

bijvoorbeeld massa: mH ≈ 126 GeV/c2

Maar nog te bepalen:

koppelingssterktes aan andere deeltjes (kunnen subtiel verschillen inuitbreidingen van het Standaardmodel)

andere eigenschappen

En dan gerichter verder zoeken naardie uitbreidingen!

donkere materie & energie➠ zie lezing later vanmiddag

zwaartekracht

waar is de antimaterie?➠ zie lezing later vanmiddag

22

dr. Frank Filthaut Radboud Universiteit Nijmegen & …filthaut/talks/NikhefOpenDag-Higgs1.pdfdonkere...

Documents

Transcript of dr. Frank Filthaut Radboud Universiteit Nijmegen & …filthaut/talks/NikhefOpenDag-Higgs1.pdfdonkere...