El bosón de Higgs en el acelerador de partículas LHC (Large Hadron Collider) del CERN

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 10 11 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 10 5 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 La Física de Partículas estudia la materia en sus dimensiones más ínfimas partículas La Astrofísica/Cosmología estudia la materia en sus dimensiones más grandes Aceleradores y detectores Microscopios 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 u Protón u Estructura protón u, d (quarks) u d 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 10-40 4 interacciones básicas...... 10-2 átomo Fuerza gravitatoria 1 Fuerza electromagnética 10-5 núcleo Fuerza fuerte Fuerza débil n p + e - + n e d u + e - + n e 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 = mc 2 E kt 21

Unificación de interacciones Fuerza Electromagnética Simetría Electrodébil Fuerza Nuclear Débil Fuerza Nuclear Fuerte BIG BANG 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) : H 0, 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) : H 0, 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) : H 0, 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 - W 3 y B se mezclan y combinan con H 0 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) : H 0, 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 - W 3 y B se mezclan y combinan con H 0 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, m h Bosón de Higgs en LHC del CERN 30

Colisiones de partículas de alta energía: E=mc 2 E CMS = E h + E h 100 m Haz de partículas, E h Haz de partículas, E h C. Vander Velde 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 E haz ) está relacionada con: E=mc 2, 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 Superconductoras Nb (a 4.5 K) Dipolos Imanes superconductores, curvan trayectoria Tubo del haz Vacío mejor que espacio exterior 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 m 3 ) 34

Definición y mantenimiento de órbitas 1232 Imanes dipolares o dipolos r = 1 / r = e B / 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 10 12 ev Energía del haz ~10 34 cm -2 s -1 Luminosidad 1380 (2808) Paquetes de protones/haz 10 11 Protones/Paquete 25 ns Cruce de paquetes 4x10 7 Hz Paquetes 7.5 cm x 16 x16 m 2 Haces Protón Protón colisionando a 7 TeV Colisiones de Protones 10 7-10 9 Hz Colisiones de quarks/gluones Producción de nuevas partículas 10-5 Hz (Higgs, SUSY, ) Sucesos interesantes 1 cada 10,000,000,000,000 Bosón de Higgs en LHC del CERN 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 IMAN SUPERCONDUCTOR CALORIMETROS 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 Detector de MUONES (Barril) Cámaras de tubos de deriva Cámaras de placas resistivas Tapas laterales 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 -271 o C 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) d xy ~10 m, d z ~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 PbWO 4 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 ~6000m 2 - 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

Excelente funcionamiento del LHC Desde Marzo 2010 colisiones pp a E CMS = 7 TeV. Durante 2012, E CMS = 8 TeV. Cada año progreso enorme en luminosidad (número de protones por cm2 y por s), en control de parámetros del acelerador. 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 10 12 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 m h parámetro libre (en ME) p u d u u d u p Colisiones q-q, q-g, g-g g q q q H g g g t t H q q W * H W q q W W q q H Consideraciones teóricas sobre dispersión WW implican m h < ~1 TeV 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: E 2 = (mc 2 ) 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: m 4l Mismo exceso de sucesos alrededor de m 4l ~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