Обнаружение бозона Хиггса – последнего недостающего звена Стандартной Модели

1. Обнаружение бозона Хиггса – последнего недостающего звена Стандартной Модели М.Данилов Институт теоретической и экспериментальной физики Зав. Кафедрами МФТИ и МИФИ

2. МАТЕРИЯ e Атом Взаимодействия γ-переносчик э/м взаимодействия g - глюон переносчик сильного взаимодействия W, Z-бозоны переносчики слабого взаимодействия e n uud udd e γ e¯ uud e¯ ядро udd P g q q e e¯ W- νе d { u d n p Бозон Хигса Н дает частицам массы Он найден в 2012г на Б.А.К.! d } u u

3. Структура материи Множество «элементарных» частиц было открыто в 50е – 60е годы Большинство из них адроны – так Л.Окунь назвал сильно взаимодействующие частицы барионы (спин полуцелый (фермионы)) – p, n,… мезоны (спинцелый (бозоны))π+ , π-, ρ + ,… Гелл-Манн, Цвейг (1964) Все адроны состоятлибо из трех кварков - этобарионы n = udd p = uud либо из кварка – антикварка - это мезоны π+ =ud π-=ud Кварки имеют спинs=1/2,дробный электрический заряд qu=+2/3qe+ qd=-1/3 qe+, барионный заряд В=1/3 и три цвета, Цвет это аналог электрического заряда для сильного взаимодействия

4. Конфайнмент - невылетание кварков g С ростом расстояния между кварками энергия струны глюонов растет → u d Сила притяжения кварков – 12 тонн! g g Энергетически выгоднее родить пару и разорвать струну → qq u d d d Вместо свободных кварков при натяжении глюоннойструны возникает пучок частиц

5. Рассеяние электрона на кварке Transverse view (R-Phi) e e X Энергии в калориметре X Side view (R-z) Кварк “наблюдается” как пучок частиц

6. Установка сделанного в ИТЭФ калориметра в детектор Н1 для изучения структуры протона

7. ν  c s ντ  t b ПОКОЛЕНИЯ КВАРКОВ И ЛЕПТОНОВ Все, что нас окружает состоит из 2 кварков u,d ,eиνe νe e u d Природа создала еще два набора (поколения) кварков и лептонов Лептоны Кварки Массы и константы связи кварков сильно различаются Третье поколение связано слабее со вторым чем второе с первым Третье с первым еще слабее

8. В эксперименте ARGUS обнаружена связь кварков третьего и первого поколений

9. МНОГО ВОПРОСОВ: Почему массы кварков так различаются? mu~2 МэВ md~5 МэВ mc~1250 МэВ ms~100 МэВ mt~175000 МэВ mb~4200 МэВ Откуда возникает иерархия констант связей ? Vud ≈ Vcs ≈ Vtb ≈ 1 Vus ≈ Vcd ≈ 0.2 Vbc ≈ Vts ≈ 0,04 Vub ≈0.004Vtd ≈ 0.004 Зачем нужны три поколения?! Кобаяши-Маскава (1973) – для нарушения симметрии между материей и антиматерией Зачем нужно это нарушение? – А.Сахаров – для барионной асимметрии Вселенной

10. Vtd α Vub γ β Vus·Vbc Γ(t)(B°→Ј/ΨΚ°s)- Γ(t)( B°→ Ј/ΨΚ°s) ~sin2β· sin ΔΜ.t Γ(t)(B°→Ј/ΨΚ°s)+Γ(t)( B°→ Ј/ΨΚ°s) Константы связи кварков образуют треугольник на комплексной плоскости Измерение сторон впоказало, что углы большие Углы этого треугольника определяют различие в распадах частиц и античастиц Кобаяши и Маскава предложили свою теорию, когда третье поколение еще не было открыто!

11. Различие свойств материи и антиматерии – СР нарушение так распадается прелестные мезоны а вот так антипрелестные мезоны • СР нарушение в распадах прелестных мезонов открытоBelle • (с участием БИЯФ и ИТЭФ)в 2001 году в распаде B0→J/ψ K0. • Практически одновременно такой же результат получен BaBar • Сегодня сотрудничество Belle измерило параметр нарушения с точностью 3%, а также исследовало десятки других распадов...

12. 1974 – Теоретическое предсказание механизма различия свойств Материи и Антиматерии – нарушения СР-симметрии Нобелевская премия 2008 Однако, обнаруженный механизм недостаточен для объяснения избытка материи во Вселенной. Готовятся(ВELLEII)и ведутся(LHCb)поиски новых механизмов нарушения СР-симметрии

13. Изготовленный ИТЭФ электромагнитный калориметр LHCb e h  Руководителем коллаборации из 700 ученых со всех стран мира несколько лет был сотрудник ИТЭФ

14. Объединение Взаимодействий Силы слабого и электромагнитного взаимодействий сравниваются при больших энергиях (данные ер коллайдера ГЕРА)  Электро-слабая теория!

15. Константа сильного взаимодействия уменьшается с ростом энергии из-за поляризации вакуума

16. Константы связи Н пропорциональны массам: Рождение с помощью самых тяжелых частиц Распады на самые тяжелые частицы Но через петлевые диаграммы распадается на γγ – важный распад для регистрацииН при малых массах Массы частиц в СМ возникают из-за взаимодействия с полем Хиггса Свойства Бозона Хиггса

17. Большой Адронный Коллайдер Основная задача – поиск бозона Хиггса CMS LHCb ALICE ATLAS БАК :27 км 17 La France et le CERN / octobre 2009 France et CERN / Mai 2009 l'Université de Genève 450 ans/ 1 avril 2009

22. However loop diagrams increase MH to ~MP Need a mechanism to stabilize MH

23. Стандартная Модель –самая совершенная теория, замечательно описывающая (почти) все эксперименты в ФЭЧ Однако В ней слишком много параметров Не ясна причина иерархии масс и констант связи. Не до конца ясно зачем нужны 3 поколения Естественная масса Н ~ 1019 ГэВ – внутреннее противоречие СМ CМ описывает только малую долю того, что есть во Вселенной

24. Состав Вселенной

25. ТЕМНАЯ МАТЕРИЯ Астрофизики показали что более 80% материи во Вселенной имеет неизвестную природу! Первые указания получены в 1933 г. (Zwicky) Свидетельства существования темной материи Скорости звезд, облаков газа не зависят от R до R во много раз больших видимых размеров галактик Согласно Законам Ньютона VR~√VR=const  M(r<R) ~ R  Eсть невидимая – «темная материя», там где уже нет звезд M(r‹R)/R

27. Суперсимметричная Холодная Тёмная Материя? Теория Суперсимметрии (SUSY)(Гольфанд и Лихтман (1971)) фермионы бозе-двойники ферми-двойники бозоны электрон кварк фотон нейтрино гравитон … сэлектрон скварк фотино снейтрино гравитино … Частица ТМ не должна участвовать в сильном и электромагнитном взаимодействиях, только в слабом и гравитационном: WIMP - (Weakly Interacting Massive Particle) Нейтралиноявляется наиболее обоснованнымкандидатом в WIMP

28. c c Регистрация WIMPа Мишень (вещество детектора) Атомное ядро Екин в кэВной области Ядро может регистрироваться детектором: Величина сигнала ~ выделившейся энергии

29. В эксперименте Z III,используя метод, развитый в МИФИ и ИТЭФ получен лучший предел на поток частиц ТМ для спин-зависимого взаимодействия и второй по точности предел для спин-независимого. Прототип детектора Z III (ИТЭФ) Ведется подготовка более чувствительного эксперимента

30. μ+ ν W+ Поиски ТМ по продуктам аннигиляции нейтралино χ W+ χ - χ νрегистрируется АНТАРЕСом W- Подводный нейтринный телескоп АНТАРЕС

31. LHC можетоткрыть SUSY с массой до ~1ТэВ Пока только пределы Однако определить все свойства этих частиц будет сложно Для этого планируется создать е+е- коллайдер- ILC c энергией 0.5-1ТэВ Частица Тёмной Материи

32. Рождение и смерть черной дыры на Большом Адронном Коллайдере

33. Дополнительные измерения пространства • Быть может, мы зажаты на • трехмерной пространственной мембране • Гравитация распространяется в дополнительных измерениях • Дополнительные измерения могут быть и большими и маленькими

34. Поиск измерений дополнительных измерений Прямые поиски – Z-бозон и потерянная энергия Гравитон Дополнительные измерения Наш мир Косвенные поиски – изменения в сечении рассеяния Гравитон Доп. измерения Наш мир

35. Международный е+е- линейный коллайдер (ILC) Обсуждается возможность его строительства в Дубне В сентябре Япония предложила построить ILC-250 ИТЭФ, МИФИ и МГУ участвуют в создании калоримера для ILC на основе Российских технологий

36. Калориметр ILC на основе российских технологий Электронный чип Свет собирает спектросмещающее волокно и SiPM SiPM 3х3 cm2 счетчик с SiPM

37. Why do we need both LHC & ILC? • Two machines have different characters. • Advantages of lepton colliders: e+ and e- are elementary particles (well-defined kinematics). Less background than in LHC experiments. Whole energy is available for new phenomena (only ~1/6Etot in LHC, but still more than in ILC) Beam polarization, energy scan. g - g, e- g, e- e- options, Z pole option. LHC ILC

38. Coupling measurements at ILC (Ecm>700 GeV) LHC: (10)% for ratios of coupling constants ILC: a few % determination Higgs self-coupling mH=120 GeV, Ecm=300-500 GeV.L=500fb-1

40. scenario

41. Заключение Мы знаем из чего состоит Материя и её взаимодействия Скоро на LНС поймём механизм возникновения массы Но возможно мы знаем только половину фундаментальных частиц Есть надежда прояснить это в ближайшие 10 лет Мы выяснили основной механизм различия свойств Материи и Антиматерии в случае кварков (механизм КМ) Но он не объясняет доминирование Материи во Вселенной Нужны новые механизмы нарушения СР-инвариантности Их поиски ведутся Астрофизики показали, что ТМ в 6 раз больше чем барионной Но природа её не известна Есть надежда выяснить это в ближайшие 10 лет

42. ИТЭФ, КИ, МГУ участвуют в создании эксперимента АМS на МКС для нового поиска антиматерии и Темной материиво Вселенной

44. Обнаружение нового типа адронов bbud + Zb(10610)+ Zb(10650)+ - Эксперимент BELLE впервые обнаружены адроны вне простейшей кварковой модели (2011) Минимальный кварковый состав резонансов – два кварка и два анти-кварка. Близость измеренных масс к порогам BB* и B*B* предлагает молекулярный характер новых состояний (впервые предсказаны Л.Б.Окунем и М.Б.Волошиным).