Qué es el bosón de Higgs? Universidad Antonio Nariño Semana de la ciencia y la tecnología 2012 Biblioteca Luis Angel Arango 01/10/2012 1
Contenido Motivación Partículas elementales e interacciones El modelo estándar de partículas El Large Hadron Collider (LHC), ATLAS La búsqueda del bosón de Higgs Más allá del modelo estándar 2
Por qué estudiar física de partículas? Es la clave para resolver preguntas fundamentales: - Cuál es la física que rige nuestro universo? - Cómo adquieren masa las partículas que observamos? - El 96% del universo esta hecho de materia/energía oscura: de dónde viene esto? - Existe una teoría que explique todos los fenómenos naturales de manera fundamental? 3
De qué estamos hechos? Hoy sabemos que la materia esta compuesta de partículas fundamentales La materia esta hecha de átomos, los átomos de protones, electrones y neutrones Los electrones son leptones, partículas elementales, no divisibles Los protones y neutrones están hechos de otras partículas fundamentales: los quarks 4
Interacciones Estas partículas elementales interactúan entre sí Existen 4 tipos de interacciones en la naturaleza o fuerzas: 4. Interacción gravitacional 1.Interacción Electromagnética 2. Interacción fuerte 5 3. Interacción débil
4 fuerzas y sus partículas intermediarias Fuerza nuclear fuerte: Gluones (sin masa). Es la de mayor intensidad Fuerza electromagnética: Fotones (sin masa). Siguiente en intensidad Fuerza nuclear débil: Bosones W y Z (con masa). Menos intensidad que las dos anteriores Fuerza gravitacional: Gravitón? La mas débil de las 4 fuerzas El intercambio de una partícula es el responsable de la fuerza 36
Los fotones γ Los fotones son las partículas intermediarias de la interacción electromagnética Son las partículas responsables de la luz que vemos Gracias a esta interacción tenemos electricidad, fenómenos magnéticos y químicos Los fotones interactúan solamente con partículas cargadas: quarks y leptones cargados 7
Bosones vectoriales W,Z Los bosones W y Z son las partículas intermediarias de la interacción débil Los decaimientos radioactivos son producto de este tipo de interacción Los quarks y los leptones sienten la interacción débil 8
Gluones Los gluones son los portadores de la fuerza fuerte Esta fuerza es sentida por los quarks y es la que mantiene unidos los protones, neutrones Es la interacción responsable de la gran energía nuclear en los átomos 9
Gravitón? La fuerza gravitacional la experimentamos todos los días Es experimentada por todas las partículas con masa y es a la vez, la más débil de las interacciones El gravitón sería la partícula intermediaria de esta fuerza, pero no ha sido observada experimentalmente aún 10
Cómo se conecta todo esto? El modelo estándar de partículas 11
El modelo estándar (ME) La materia esta hecha de 12 bloques fundamentales. Estos interactúan a través de 4 fuerzas fundamentales. La mejor descripción de cómo estas 12 partículas y 3 de las fuerzas están relacionadas es el modelo estándar de partículas. 6 quarks y 6 leptones. Fuerzas electromagnética, débil y fuerte. Las interacciones son producto del intercambio de partículas intermediarias: bosones. Este modelo describe extremadamente bien las interacciones entre partículas fundamentales. 12
La fuerza electrodébil La base del ME es la unificación de las fuerzas electromagnética y débil Bosones correspondientes: W, Z, γ Para que esto funcione, los bosones correspondientes a esta interacción deben no tener masa, que sabemos no es cierto masa boson Z 13
El mecanismo de Higgs La solución a este problema fue propuesta por Peter Higgs en los años 70 Se introduce una interacción adicional: el campo de Higgs Este campo en algún momento del inicio del universo, se acopló a ciertas partículas dandoles la masa que tienen Este mecanismo es un rompimiento espontáneo de la simetría que tenía el universo en ese entonces 14
Simetrías en la naturaleza Ejemplo de una simetría rotacional rota Antes de formar el copo de nieve, los átomos de hidrógeno y oxígeno tienen su propia simetría (traslacional) Cuando se forma la molécula de agua, la molécula adquiere una simetría rotacional Al bajar la temperatura, se forma un cristal simétrico: la simetría original de las moléculas se ha roto 15
Rompimiento espontáneo de simetría Sombrero mejicano: Si se pone una esfera en la cima, tiene igual probabilidad de caer en cualquier lado del sombrero En este momento el sistema tiene simetría rotacional alrededor de su eje vertical Cuando la esfera cae, esta simetría se rompe El campo de Higgs tiene una energía potencial de este tipo En un momento después del inicio del universo, el campo escoge un valor, rompiendo la simetría Este valor determina la masa de las partículas con las que interactúa 16
En resumen: Mecanismo de Higgs Se introduce un campo nuevo a la teoría: El campo de Higgs El campo de Higgs tiene una energía potencial descrita por una función similar a la del sombrero mejicano Cuando el potencial escoge un valor, ocurre un rompimiento espontáneo de simetría Este proceso es el que da masa a las partículas en el modelo estándar Separa la interacción débil de la electromagnética 17
El bosón de Higgs La introducción del campo de Higgs, predice también una nueva partícula: el bosón de Higgs Esta nueva partícula es masiva pero no es posible predecir su valor Hasta hace un par de meses, no se había podido medir una partícula de estas en ningún experimento 18
El bosón de Higgs El campo de Higgs atraviesa todo el universo y se acopla a ciertas partículas dandoles masa No se acopla por ejemplo al fotón o al gluon, mediadores de las interacciones electromagnéticas y fuertes Tampoco se acopla a los neutrinos, los neutrinos no tienen masa en el ME Si se acopla por el contrario al resto de los fermiones y los bosones W y Z, mediadores de la fuerza débil 19
Espectro del modelo estándar 20
Cómo buscar una partícula nunca antes vista? Un gran colisionador de hadrones 21
Cómo sabemos que el ME funciona? Colisionadores de partículas Toda teoría debe ser validada por un experimento para ser considerada verdadera. Los colisionadores de partículas han sido la piedra angular de todos los descubrimientos de partículas elementales en los últimos 50 años. Gracias a estos experimentos se han descubierto los bosones W, Z, el gluon, el lepton tau y los quarks charm, bottom y top. Todos estos descubrimientos han permitido verificar el ME. 22
Colisionadores de partículas Imaginen que queremos mirar un mundo similar al nuestro pero mucho mas pequeño Sabemos hay muchos bloques como estos en ese mundo pero no podemos ver de que estan hechos o para que sirven Podemos entonces colisionar un par de estos bloques y ver que pasa 23
Colisionadores de partículas De las primeras colisiones observamos que siempre se producen las mismas cosas: Vidrio Metal Caucho Algunos líquidos como aceite, gasolina Pero luego de repetir el experimento varias veces encontramos otras cosas: Ruedas Luces Espejos Las colisiones se pueden clasificar dependiendo de los objetos observados, p.e: Colisiones donde salen 2 ruedas Colisiones donde salen 4 ruedas Colisiones donde salen 6 ruedas 24
Colisionadores de partículas A pesar de no poder ver directamente las partes de estos bloques, sabemos que son una especie de vehículo Sin embargo, aún no podemos estar seguros: nunca hemos visto el interior de estos bloques, no hay señales del motor u otras partes que deberían existir para que este vehículo funcione Para poder confirmar entonces, necesitamos colisionarlos con mayor energía y repetir el experimento muchas más veces 25
Colisionadores de partículas Esta es la idea detrás de un colisionador de partículas De cada colisión salen usualmente las mismas cosas: electrones, muones, fotones, energía Cada colisión es diferente: solo si repetimos el experimento muchas veces, empezamos a ver cosas se repiten Los posibles objetos finales y su número nos permiten clasificar los eventos Al igual que en el último paso del ejemplo, necesitamos incrementar la energía y número mayor de colisiones para encontrar el bosón de Higgs 26
El Large Hadron Collider (LHC) Ubicado en la frontera Franco-Suiza 27 Km de circunferencia Mayor energía que cualquier otro colisionador 600 millones de colisiones por segundo Protones acelerados a 99.9999991% la velocidad de la luz Detectores de gran precisión construidos para registrar esta información 27
Experimentos en el LHC 4 experimentos independientes. ATLAS y CMS son detectores multi-propósito. ALICE: colisiona iones de plomo para estudiar condiciones justo después del big bang. LHCb: especializado en estudiar diferencia materiaantimateria en el universo. 28
La colaboración ATLAS Es el detector de partículas más grande del mundo. Cerca de 3000 personas (1000 de ellos estudiantes). 38 países miembros. 174 universidades y laboratorios. Capaz de medir con 0.001 cm de precisión. Localizado en Meyrin, Suiza. 29
ATLAS - Colombia El grupo experimental de altas energías de la universidad Antonio Nariño hace parte de la colaboración desde 2007 Dra. Marta Losada (líder) Dra. Gabriela Navarro Dr. Luis Mendoza MSc. Yohany Rodríguez Dr. 30
El detector ATLAS Es cerca de la mitad del tamaño de la catedral de Notre Dame y pesa lo mismo que la torre Eiffel en París 31
Un evento visto por ATLAS 32
Como seleccionar eventos: Trigger Si todos los eventos fueran registrados, necesitaríamos almacenar el equivalente a 100.000 CDs por segundo El trigger es el sistema encargado de escoger que eventos guardar y cuales no El trigger de ATLAS registra cerca de 200 eventos por segundo 33
Como analizar los datos: La GRID Los eventos seleccionados por el trigger son guardados centralmente para posterior análisis Los datos del LHC son distribuidos usando la red del GRID alrededor del mundo para uso de todos sus miembros remotamente 34
La búsqueda del bosón de Higgs 35
Canales de búsqueda del Higgs H ZZ 4l H γγ H WW lνlν H bb H ττ El bosón de Higgs se puede producir en diferentes canales de decaimiento Cada canal tiene una probabilidad de ocurrir para determinada masa del bosón de Higgs Para Higgs livianos (mh<150 GeV) los canales predilectos son decaimiento a 2 fotones, 2 bosones vectoriales, 2 quarks b o 2 taus 36
H->ZZ->e e μ μ 37
H->4l La búsqueda se hizo en eventos con 4 leptones en el estado final Estos pueden ser 4 electrones, 4 muones, o 2 electrones y 2 muones Se observa un exceso en la sección eficaz para una masa del Higgs cerca a 126 GeV 38
H->ΥΥ 39
H->ΥΥ La búsqueda se hizo en eventos con 2 fotones en el estado final También se observa un exceso en la sección eficaz para una masa del Higgs cerca a 126 GeV 40
Una partícula Higgs-like!!! ATLAS y CMS reportaron en julio la observación de una nueva partícula en la búsqueda del bosón de Higgs La partícula fue observada inicialmente en eventos con dos fotones en el estado final, en eventos con 4 leptones, así como en eventos con dos W, dos quarks b y dos leptones τ Aunque la partícula es consistente con el boson de Higgs del ME, este no es en absoluto el fin de la historia Es necesario medir con precisión sus propiedades para conocer su procedencia 41
Qué sigue? Más allá del modelo estándar 42
Mas allá del modelo estándar El ME es la mejor descripción que tenemos pero no es una teoría completa del universo: - Bosón de Higgs del ME? - No incluye la fuerza gravitacional. - Qué es la materia oscura, por qué es responsable de la mayor parte de la materia en el universo? - Qué es la energía oscura? - Cómo se explica la relación materia-antimateria? - Qué le da masa de los neutrinos? Todas las preguntas sin responder acerca del ME tienen un denominador común: es necesario un colisionador de muy alta energía para buscar respuestas Large Hadron Collider 43
Física mas allá del ME Los interrogantes: - Gravedad? - Qué es la materia oscura, por qué es responsable de la mayor parte de la materia en el universo? - Cómo se explica la relación materia-antimateria? - Por qué debería existir una única partícula que dé masa a todas las demás? - Cómo adquieren masa los neutrinos? Posibles respuestas: - Modelos con bosones de Higgs adicionales - Modelos con simetrías adicionales: SUSY - Dimensiones extra - Muchas otras extensiones del ME 44
Neutrinos Los neutrinos son fermiones de carga neutra que no tienen masa en el ME. Sin embargo, la evidencia experimental de su oscilación indica que por el contrario, tienen una masa muy pequeña. Existe un mecanismo que les de masa en el ME? Hay otros tipos de neutrinos? 45
Modelos con dimensiones extra Podría explicar algunas de las preguntas del ME: jerarquía entre los acoples del ME por ejemplo Por qué es la fuerza gravitacional mucho mas débil que las otras fuerzas? Es posible que actúe parcialmente en otras dimensiones? Las dimensiones extra son muy pequeñas para nuestra percepción ( 1mm) pero alterarían la física que vemos en el LHC 46
Materia y energía oscura La materia como la conocemos solo representa el 4% del universo Mediciones de galaxias y clusters de galaxias son evidencia de la existencia de esta misteriosa materia y energía oscura. Si los constituyentes de esta materia oscura son nuevas partículas, deberíamos poder ver evidencia de ellas en el LHC. Simetrías extra (SUSY)? Dimensiones extra? 47
Como detectar materia oscura? En un experimento como ATLAS, la materia oscura se presentaría como energía perdida en el detector Hay varios candidatos a ser materia oscura dependiendo del modelo WIMPs: partículas masivas que interactuan débilmente Detección directa: nueva partícula Detección indirecta: efecto en estados finales conocidos 48
Supersimetría (SUSY) Quizás la extensión mas popular del ME Introduce nuevos grados de libertad: todas las partículas del ME tendrían un compañero supersimétrico Dentro de estas nuevas partículas se pueden postular candidatos a ser materia oscura Sería posible incluir gravedad en la teoría Unifica las fuerzas fuerte y electrodébil a gran escala 49
Conclusiones La física de partículas atraviesa por un gran momento El modelo estándar de partículas ha tenido gran éxito describiendo la fenomenología que vemos El descubrimiento de un boson de Higgs es muy importante: vamos en la dirección correcta Sin embargo siguen habiendo preguntas sin resolver Las respuestas a estas pueden estar en diferentes búsquedas hechas en el LHC ATLAS ha buscado nueva física en diferentes escenarios: Dimensiones extra, SUSY, materia oscura, extensiones simples del sector de Higgs Hasta el momento no hemos encontrado nueva física pero este es solo el comienzo de la era del LHC, más descubrimientos seguro vendrán! 50
Back-Up 51
Rompimiento espontáneo de simetría El rompimiento espontáneo de simetría ocurre en la naturaleza en muchos fenómenos Transiciones de fase, fenómenos ferroeléctricos Un metal magnético caliente tiene simetría rotacional A medida que se baja la temperatura, los elementos en el material se alinean y el material se magnetiza: la simetría rotacional se ha roto En un superconductor: los electrones son libres de moverse a alta temperatura Sin embargo, debajo de una temperatura crítica los electrones forman pares, se rompe su simetría 52
Cual es la probabilidad de encontrar el Higgs? Es necesario un colisionador de alta energía de centro de masa para explorar esta región 53 El bosón de Higgs se puede producir en diferentes canales de decaimiento Cada canal tiene una probabilidad de ocurrir para determinada masa del bosón de Higgs Para Higgs livianos (mh<150 GeV) los canales predilectos son decaimiento a 2 fotones, 2 bosones vectoriales, 2 quarks b o 2 taus
Dimensiones extra Podría explicar el problema de jerarquía: por qué es la escala electrodébil mucho menor que la escala de Planck? Modelo ADD: solo la gravedad se propaga en las dimensiones extra Puede manifestarse en el LHC de diferentes maneras: intercambio virtual de gravitones o producción directa de gravitones La observación sería una desviación en el background del ME ATLAS ha buscado usando la sección eficaz de 2 fotones y no ha encontrado nada 54
Materia oscura Búsqueda en términos de energía perdida en el detector Hecha en el marco del modelo ADD y el modelo WIMP Los WIMPs (weakly inteacting massive particles) son posibles candidatos de materia oscura La búsqueda se ha hecho en ATLAS en eventos con monophotons en el estado final Se buscan desviaciones del background del ME 55
Modelos con 2 dobletes de Higgs El mecanismo de Higgs se vale de la introducción de un doblete de Higgs. Por qué no más de uno? El modelo de 2 dobletes de Higgs (2HDM) es la extensión mas simple del sector de Higgs del ME Podría explicar el por qué de la jerarquía en las masas de las partículas Como consecuencia del doblete extra aparecen 5 bosones de Higgs Mas natural que una única partícula especial responsable de la masa de las demás 56
Supersimetría (SUSY) ATLAS ha hecho múltiples búsquedas de SUSY en diferentes canales y asumiendo diferentes variantes del modelo Hasta el momento no hay evidencia de la existencia de una partícula supersimétrica pero, Se han impuesto muchas restricciones a los parámetros de SUSY 57
Bosones pesados? Otra posible señal de física mas allá del ME: existencia de bosones como W y Z pero más pesados Buscados en ATLAS en su decaimiento a leptones y neutrinos. Se hizo una búsqueda de bosones cargados W y W* en una extensión del ME: SSM No se encontró ningún exceso que indique la existencia de estas partículas. Búsquedas similares se han hecho para bosones neutros (Z ) con resultados similares 58