Parçacık Fiziğinde Gözlemsel Anomaliler

Transkript

1 Parçacık Fiziğinde Gözlemsel Anomaliler Halil Gamsızkan Anadolu Üniversitesi Fizik Bölümü YEFIST

2 Status Quo Yeni fizik beklentisinin yüksek olduğu LHC deneylerinin sonuçları artık elimizde. (Yeni) bir skaler parçacık keşfedildi. Parçacığın gitgide daha fazla SM Higgs'e benzediği anlaşılıyor. Gözlemlenmiş bir SUSY parçacığı bulunmuyor, ek boyutlar, karanlık madde... Herhangi bir SM Ötesi fizik işareti? Şubat 2014 itibari ile CMS in SM süreçleri için üretim tesir kesiti ölçüm sonuçları. >>> SM ile son derece uyumlu. ATLAS'ta da durum farksız. is this the Stairway to hell? 2

3 Anomaliler Ancak durum aslında o kadar da karamsar değil.. Çünkü şu an bile yeni fizik bize anomaliler biçiminde göz kırpıyor olabilir. Kuramsal öngörü ile deneysel ölçüm arasındaki farklılıklar anomali olarak adlandırılır. Anomaliler pek çok sebepten ortaya çıkabilir. Geçmişte de ortaya çıkmış ve kaybolmuş pek çok anomali mevcut. Bunların (kaybolanlar) arasında en güncel olanı Tevatron top asimetri anomalisi. Bugün parçacık fiziğinde mevcut olan başlıca anomalileri sizlere, Mart/2014 itibari ile son durumlarıyla birlikte özetlemeye çalışacağım. 3

4 Muon Anomalous Magnetic Moment (g-2) Anomalisi

5 Muon g-2 Anomalisi Müon g 2, en hassas ölçülebilmiş (ppm mertebesinde) ve kuramsal olarak en detaylı çalışılmış olan fiziksel niceliklerden biri. BNL E821 deneyinden gelen ilk hassas sonuçlarla birlikte (2000 yılı) kuramla ölçüm arasında 3σ dan büyük bir sapma ortaya çıktı. Bu sapma sonraki ölçümlerde de sürdü. Müon g 2 sapması, temiz bir EW ölçülebilir nicelik için gözlemlenmiş en büyük sapmadır. Dolayısıyla bu sapmanın yeni fizik için ipucu olma ihtimali var [K. Hagiwara, R. Liao, A. D. Martin, D. Nomura and T. Teubner, J. Phys. G 38 (2011) ] 5

6 Anomalous Magnetic Moment? Spini ½ olan bir temel parçacığın manyetik dipol momenti: Manyetik moment gyromagnetic oran spin elektromanyetik etkileşim Hamiltonian ı g=2 (kuramsal, Dirac öngörüsü) ancak deneysel değeri g>2 g=2 değeri ağaç seviyesi genliklere karşılık geliyor. Bu değerden sapma radiative/kuantum etkilerden kaynaklanıyor. Sapma miktarı (g-2) anomalous magnetic moment olarak adlandırılıyor ve a ile ifade ediliyor

7 a µ için SM kuramsal öngörüsü (arxiv: ) 7

8 SK kuramsal öngörü (Hadronik katkılar) SM a µ kuramsal öngörüsü, tüm katkılar arasında en çok hadronik (güçlü etkileşim) katkılara karşı hassas. Hesaplardaki başlıca iki belirsizlik: Hadronik vakum polarizasyonu (HVP) Hadronik light-by-light (HLxL) etkisi HVP HLxL Bunlar görece düşük enerjilerde e + e - deneyleriyle (π + π - kanalı) önemli ölçüde azaltılabilecek belirsizlikler. 8

9 a µ Nasıl Ölçülür? Spin presesyon etkisinden yararlanarak: Manyetik alanda bulunan bir parçacığın spini presesyon yapar (Larmor presesyonu) B manyetik alanında müonların depolama bulunan bir müonun spin halkasında dönüş presesyon frekansı frekansı DENEYSEL YÖNTEM: Müonlar homojen manyetik alan barındıran bir halkada depolanır (Anti)müonlar, spinleri yönünde momentum taşıyan (pozitron) elektronlara bozunma eğilimindeler, Bozunum elektronları sayılarak müon spin açısı ve spin presesyon frekansı (ω s ) bulunur. 9

10 a µ Nasıl Ölçülür? 10

11 Deney Sonuçları (arxiv: ) En son BNL sonucuna (2004) göre sapma miktarı: sapmanın kendisi toplam EZ kuramsal katkısından daha büyük! 11

12 Yeni Fizik? Anomaliler ve yeni fizik ilişkisi başlı başına bir konuşma konusu. Ancak müon g-2 anomalisine neden olabilecek birkaç yeni fizik ihtimali olarak aşağıdakiler sayılabilir: 4. fermiyon ailesi Ek ayar bozonları (ör. Z ) SUSY?.. 12

13 Gelecek için Deneysel Planlar Ölçüm hassasiyetini 4 kat artırmayı hedefleyen iki yeni deney için çalışmalar sürüyor: FermiLab da g2 kolaborasyonu yeni bir deney için (E989) hazırlıklarını sürdürüyor: (Rominsky/Moriond2014) Müon halkası Fermilab a ulaştı ve inşası tamamlanmak üzere Dedektör grupları dedektör testleri ve tasarımı üzerinde çalışmakta (son aşama) J-PARC g-2 deneyi (Tokai, Japonya) Sihirli gamma değeri dışında bir enerjide çalışacak, kompakt müon halkasına sahip 2016 yılında başlaması planlanıyor FNAL g-2 için tamamlayıcı olması bekleniyor 13

14 Referanslar ve Diğer Okumalar The muon g-2 F. Jegerlehner, A. Nyffeler, Physics Reports 477 (2009) Muon g-2: a mini review Zhiqing Zhang, arxiv: v1 (2008) Status of the New g-2 experiment at Fermilab, Mandy Rominsky, Invited talk, Moriond 2014 New g-2 experiment at J-PARC J-PARC g-2 Collaboration, Chin.Phys. C34 (2010) Resonaances, Particle Physics Blog Jester 14

15 Nötrino Anomalileri

16 Nötrino Anomalileri 90'lı yılların özellikle son dönemi nötrino salınımı deneyleri açısından epey hareketliydi. Örneğin salınım fenomeni (bir BSM fenomeni) kanıtlandı. (Bu noktada nötrino salınımı keşfine giden yolda zamanın nötrino anomalilerinin de önemli payı olduğunu vurgulamakta yarar var..) Ancak daha ilk deneylerden beri ortada olan çeşitli soru işaretleri bulunuyor.. Mevcut salınım ölçümleri standart üç nötrinolu senaryo ile uyumlu. Ancak bu senaryodan sapma gösteren ölçümler de var.. Nötrino anomalilerini tartışmaya, on yıldır anlaşılamayan, nötrino anomalilerinin hası ile başlayalım.. LSND anomalisi. 16

17 LSND deneyi: LSND & MiniBooNE l LANL'da işledi, arasında veri alındı, bir -> appearence deneyi l Temel parametreler: MeV, L=30m, fazlalığı (appearance) gözlemlendi (hep-ex/ ) Nötrino salınımı hipotezi ile uyumlu.. Fakat: LSND sonuçlarına göre nötrinoların kütle farkı 0.1eV civarında olmalı, oysa diğer deneyler bu farkın daha küçük olması gerektiğini buldu. (eğer 3 standart neutrino varsa) LSND dedektörünün iç görünümü l Acaba bu farklık 4. bir tür nötrino kütle durumunun/türünün varlığı için ipucu olabilir mi.. Örneğin steril neutrinoların. l LSND sonuçlarının teyidi için MiniBooNE deneyi gerçekleştirildi.. 17 (hep-ex/ )

18 LSND & MiniBoone MiniBoone, Fermilab ( ) GeV, L=540m, L/E oranı LSND ile yakın ν µ -> ν e appearence (antinötrino ışını da mümkün) MiniBooNE Dedektörü Düşük enerjilerde ν e olaylarında fazlalık gözlendi (salınım) Sonuç: MiniBooNE LSND sonuçlarını değilliyor mu? 2007: Evet! (arxiv: ) 2012: pek sayılmaz (C. Polly, talk at Neutrino 2012, Kyoto, Japan, June 3-9, 2012.) LSND ile tamamen uyumlu sinyal (arxiv: ) 18

19 Galyum Anomalisi SAGE BNO/Rusya (?), ve GALLEX LNGS Galyum hedefli radyokimyasal deneylerdi, güneş kaynaklı nötrino ölçümleri için kuruldular. Kalibrasyon amacıyla dedektörlerin içine radyoaktif kaynaklar yerleştirildi ve elektron nötrino akısı ölçüldü. Gözlenen/beklenen akı oranı 0.86 ± 0.06 olarak ölçüldü. Sonuç salınım hipotezi ile uyuşuyor. Ancak ölçümün karşılık geldiği nötrino kütle farkı değeri yine ev seviyesinin üzerinde...acaba nötrinolar steril nötrinolara salınım yaparak ortadan kayıp mı oluyor? 19

20 Reaktör Anomalisi l Eski veri üzerinde görece yeni bir anomali.. (arxiv: v4) l Nükleer santrallerden, nükleer tepkimeler esnasında yayınlanır. Reaktör deneyleri de bu santraller civarına kurulu olup reaktörden yayınlanan nötrinolar hakkında veri topladılar. Nötrino akısında beklenenden önemli bir sapma gözlemlenmemişti. l Ancak yakın geçmişte nükleer tepkimelerin kuramsal modellerindeki gelişmeler neticesinde beklenen ortalama nötrino akısında yaklaşık 3.5%'luk bir artış meydana geldi. l Dolayısıyla yıllar boyu alınan reaktör nötrino akısı verisi kuramsal öngörünün 94%'üne düştü ve 2.5σ bir sapma ortaya çıktı (salınım ile uyumlu). Ancak nötrino kütle farkı değeri yine 1eV un üzerinde l Çalışmaları 2008 yılında başlayan Nucifer deneyinde (Saclay) reaktör anomalisinin de sınanması amaçlanıyor l Nucifer deneyi dedektör kurulumu ve nükleer santral civarında test sürecinde (?). 20

21 Nötrino Anomalileri Neye İşaret Ediyor? Ne yazık ki tutarlı şekilde yeni fiziğe işaret etmiyorlar. [Maltoni / Moriond 2014] 21

22 LHCb Anomalisi

23 LHCb Anomalisi l B fiziğinin önemli bir özelliği nadir bozunumlar aracılığıyla standart model ötesi fiziğe hassas olması. Önemli nadir bozunumlardan birisi de B 0 K *0 μ + μ - (BR=10-7 ) l Ağustos 2013'te açıklanan LHCb sonuçlarında (1/fb) ölçümlerin SM öngörüleri ile uyum içinde olduğu görüldü (arxiv: ). Bununla birlikte ölçülen niceliklerin birinde SM öngörüsünden sapma olduğu gözlendi. l Anomali (?) bozunumun açısal dağılım parametrizasyonunda, bir açı parametresinde görüldü. Parametre düşük q 2 bölgesinde SM öngörüsüne kıyasla 3.7σ sapma (fazlalık) gösteriyor. l Aynı bozunumun bazı özellikleri önceden b-fabrikalarında, Tevatron da ve LHC'de ölçülmüştü ve SM öngörülerinden 23 herhangi bir sapmaya rastlanmamıştı.

24 B 0 Bozunumunun Anatomisi (ve nadir B bozunumları neden önemlidir?) B 0 bir psödoskalar mezon (b-d) Bozunum tam olarak: B 0 K *0 ( K + π - ) µ + µ -, >> parton seviyesinde b s µ + µ - bozunumu b-s geçişimi sadece ilmek/kutu süreçleriyle mümkün, dolayısıyla yeni fiziğe hassas ilmek baskılaması (O(10TeV)), ve CKM baskılaması (V bs <<1) mevcut [Altmannshofer/Moriond 2014] Genel BSM genliği genlikte bir baskılama olması gerekmiyor 24

25 Açı Dağılım Parametrizasyonu l θ K, θ l ve φ'ın müon çiftinin değişmez kütlesi q 2 in fonksiyonu olarak diferansiyel dağılımları ölçülüyor [Kagan/DPF2013] ve parametrize ediliyor [Resonaances blog] 25

26 Anomali [arxiv: ] P 5 parametresinde 4.3<q 2 <8.68 GeV 2 aralığında SM öngörüsüne kıyasla 3.7σ sapma (fazlalık) olduğu görüldü (SM öngörüsü: Descotes-Genon, Hurth, Matias, Virto ) 26

27 Yeni Fizik Olabilir mi? Kuramcılardan bazı görüşler: P' 5 parametresindeki gerilim, diğer ölçülebilirlerdeki daha küçük gerilimlerle korelasyon içinde. Tüm ölçümlerle tutarlı yeni fizik açıklamaları mümkün (arxiv: , arxiv: ). Anomali 0.6 TeV < Λ YF < 35 TeV aralığındaki yeni bir fizik skalası ile uyumlu olabilir (üzgünüm SUSY ciler ama..) Anomalinin SUSY senaryoları ile uyumu düşük (arxiv: ) En belirgin uyum Z' öngören modeller ile. ( örneğin m(z') ~ 7 TeV (arxiv: ) ) Z' senaryosunun müon g-2 anomalisi için de Z' ın kütlesine bağlı etkileri var. 27

28 Anomali hakkında diğer yorumlar Bir istatistiksel dalgalanma olabilir mi? >> 8 TeV 3/fb analiz sonuçları yakında yayınlanacak Kuramsal belirsizlikler olması gerekenden düşük mü öngörülüyor? >> Belirsizliklerin değişmesi anomaliyi ortadan kaldırabilir. (arxiv: ) Ölçülenler temiz ve basit/yalın değişkenler değil, karmaşık bir açı analizi ile karşı karşıyayız. >> Bu da hem kuram hem deney açısından belirsizliği artıran bir durum. 28

29 Sonuç..anomalilerden ne öğreniyoruz? 29

30 Sonuç İstatistiksel anlamlılık bir anomali için önemli bir kriter (kaç sigmalık bir etki). Bir diğer kriter de anomalinin bir kuramsal yapıya oturtulabilmesi. Bir anomali zaman içerisinde çeşitli nedenlerle, özellikle de toplanan verinin artmasıyla birlikte ortadan kaybolabilir. Bu geçmişte pek çok kez yaşanmış olan bir durum. Anomaliler çift-deneylerin önemini ortaya koyuyor (ör. D0 ve CDF) >> Bir deneyde ortaya çıkan bir anomali diğeri tarafından değillenebiliyor (veya onaylanabiliyor) Anomaliler yeni fizik için birer geçit işlevi görebilir (ve/veya yeni makaleler için ;) Öte yandan bu sık görülen bir durum değildir ;-) 30

31 Sonuç Anomali, fiziksel bir nicelik için ölçümsel değer ile kuramsal öngörü arasında kayda değer bir fark olması olarak tanımlanıyor. Dolayısıyla bir anomaliden aşağıdaki sebeplerden herhangi biri sorumlu olabilir: Deneysel nedenler İstatistiksel etkiler. Eldeki verinin artmasıyla anomali ortadan kalkabilir. Sistematik etkiler. Kontrol altında olmayan, veya eksik değerlendirilmiş sistematik hatalar. Nötrino fiziği örneğinde olduğu gibi çalışılan alanın tabiatından kaynaklanan içsel güçlükler. Veri analizinden kaynaklanan (ör. Analiz yöntemi, MC) etkiler Diğer deneysel etkiler (parçacık fiziği deneylerinin genel olarak oldukça karmaşık olması (sausage machine?), analiz problemleri, yazılım bug ları, tam oturmamış fiber-optik kablolar, çupakabralar?..) Kuramsal nedenler Kuramsal hesaplardaki eksiklikler ve belirsizlikler. Hesaplamalarda yapılan (kimi zaman yapılmış olduğu unutulan) bazı varsayımlar son olarak da elbette, hepimizin gönlünden geçen, yeni fiziğin göz kırpması 31

32 Sonuç Anomalilerin (ve genel olarak yeni fizik sonuçlarının) son durumunu takip etmek için bazı pratik seçenekler: Güvenilir internet kaynakları: Interactions.org, symmetry magazine. Ayrıca mutlaka görülmesi gerektiğini düşündüğüm bir blog: Resonaances ( CMS ve ATLAS deneylerinin açık fizik sonuçları sayfaları ( ( 32

33 Örnek: CMS SM Fizik Sonuçları Sayfası Sunuşun ilk sayfasında bulunan SM ÜTK plotu *Are you watching closely?* Şimdi plota biraz daha yakından bakalım. 33

34 Örnek: CMS SM Fizik Sonuçları Sayfası Bir anormallik fark ettiniz mi? 34

35 Örnek: CMS SM Fizik Sonuçları Sayfası Evet, tam burada. Bu henüz adı konmuş bir anomali değil, ancak takip altında tth tesir kesitinde. tth TK nin 13 TeV enerjide yaklaşık 5 kat artması bekleniyor 35

36 Teşekkürler 36