LHC, HIGGS VE ÖTESİ. veya: Endişelenmeyi bırakıp Higgs i sevmeyi nasıl öğrendim? V. Erkcan Özcan Boğaziçi Üniversitesi TFD 30

Transkript

1 LHC, HIGGS VE ÖTESİ veya: Endişelenmeyi bırakıp Higgs i sevmeyi nasıl öğrendim? V. Erkcan Özcan Boğaziçi Üniversitesi TFD 30

2 TFD 24 Sözlü Sunum: Higgs Bozonları olmadan Elektrozayıf Simetri Kırılmasının LHC de Araştırılması Engin Arık la ilk ve son görüşmem. :(

3 Klasik Başlangıç Beklenti Gerçek 3 ATLAS & CMS: ~5fb -1 7TeV pp. 20+fb -1 8TeV pp.

4 Sinyalin Tanımı/Büyüklüğü Beklenti Gerçek 125.5GeV Higgs için 19pb gg füzyonundan 4

5 Sinyalin Yapılandırılması Beklenti Gerçek 5 ATLAS-CONF H->4l yapılandırma

6 Sonuç Beklenti Gerçek ATLAS-CONF Evet gördük, 6σ anlamlılık.

7 Higgs mi, nasıl olabilir ki? 2006: Wolfgang Kilian dan okuduğum basit bir bakış açısı. Proton kütlesi güçlü etkileşimin ölçeğiyle ilişkili, makroskopik cisimlerin kütle ölçeğini belirliyor. Fermi ölçeği elektron gibi temel parçacıkların kütlesini belirliyor. m e ise atomun boyutlarını, ve dolayısıyla cisimlerin uzunluk ölçeğini belirliyor. Planck ölçeği, yerçekiminin kuvvetini ve dolayısıyla cisimlerin ağırlık ölçeğini belirliyor. 7

8 Hikaye Elektrozayıfta! Yani asıl hiyerarşi problemi elektrozayıfta! Wolfgang Kilian, EWSB Bottom-Up Approach

9 Deneyci Gözüyle: Higgs mi, neden ki? 8x10 9 avroyu neden harcadık? Eğer SM de (hafif) bir Higgs yoksa ne olur? V L V L (V=W/Z) saçılma tesir kesidi uçar. Neden? Vektör bozonlar kabuktayken, kuazi-elastik saçılma kesidi sonsuza gidiyor. Saçılma genliğini uniterize edecek bir mekanizma lazım TeV skalasında. Güzel de, neden bir tanecik Higgs olsun ki bu? 9

10 Dinamik Kütle Açıklaması 1861: Maxwell - On Physical Lines of Force 1884: Heaviside - Vektör kalkülüs ile Maxwell denklemleri Işık taşıyan esir (aether) 1881: J.J. Thomson - yüklü bir küre esirde hareket ederken efektif bir ek eylemsizlik kazanıyor 1889: Heaviside - bu ek değil, bu bayağı kürenin kütlesine eklenir 1897: Elektronun keşfi 1900: Wien - On the Possibility of an Electromagnetic Foundation of Mechanics 1902: Abraham - Acaba elektronların eylemsizliği sadece EM alanın dinamik etkileriyle açıklanabilir mi? Evreni kaplayan esir, onunla etkileşimin sonucu kütle. Zamanının HEŞETi (Theory of everything) 10

11 Ama Sonra? 1905: Özel görelilik 1920 ler: Kuantum mekaniği 1940 lar: Kuantum elektrodinamiği 2006 da çıkardığım anafikir: Herşeye çare gibi görünen hiçbir şeye, ve özellikle de 50 yıllık bir öneriye (Higgs) gözümle görmeden inanamam. Sürpriz: Higgs doğru çıktı! 11

12 Higgs Filmini Başa Saralım Kendiliğinden simetri kırılması (KSK): Lagrangian ın simetrileri vakumun simetrisi değil. Süperiletkenliğin açıklanması: Landau, Ginzburg (1950), BCS (1957) Global simetrilerin KSKsı: Nambu (1960), Goldstone (1961) Ama yeni bozon kütlesiz. Anderson (1963): Plazma salınımlarında, kütleli bozonlar çıkarabiliyoruz. Ama rölativistik değil. Rölativistik olması mümkün mü? Gilbert (1964): Hayır, olamaz => Yanlış. Evet, olabilir. Nasıl mı? 12

13 XYZ Mekanizması Englert, Brout, Higgs, Guralnik, Hagen, Kibble mekanizması OR ABEGHHK'tH mekanizması: Goldstone bozonunu yiyen ayar bozonları kütle kazanıyor. Elektrozayıf kuramın içine bu mekanizmasının konulması. (Weinberg 1967, Salam 1968) Higgs çiftinin (doublet) üç serbest parametresini yiyerek kütleli W ve Z bozonları elde ediyoruz. Renormalizasyon ( t Hooft 1970, 1971) Ancak sadece Peter Higgs kütleli skalar bir bozon olacağına dikkat çekiyor: Higgs bozonu Bunu yapmasını sağlayan ise makalesinin ilk halinin yolladığı dergiye kabul edilmemesi 13

14 Arayalım bari Hem gökte, hem yerde. Üretim mekanizması kütlesine bağlı 14

15 Pekiyi nasıl bozunuyor? Bozunma kanalları ve oranları kütleye bağlı 15

16 Ama epeyce uzun bir yol Bir fenomenolog bir deneyciye ne zaman sinyal çıkabilir bilemiyorum diyorsa, epeyce sabırlı olmak gerekiyor 16

17 İlk Higgs Sinyali Υ(1S)->γ+hadrons Υ(1S)->γ+ττ İki kanalın toplamı: 5σ Sonuç SM veya 2HDM ile uyumlu değil, ve zaten sonradan buhar oluyor. SLAC-PUB-3380, Crystal Ball Collaboration, ICHEP 22,

18 LHC nin Hikayeye Girişi Chris Llewellyn Smith, Nature 448, : LEP ile aynı tünelde LHC fikri. 1981: LEP için yeşil ışık. 1983: Avrupa-ABD: 3-0 (Europe 3, U.S. not even Z-zero) 1984: Uzun Vadeli Planlama Grubu (başkanı Rubia), LHC yi CERN için öneriyor. SSC ye makul fiyatlı, tamamlayıcı fizik yapması olası bir alternatif. (Protonların dışında ağır iyon + LEP+LHC birlikte.) 1987: Reagan - SSC için yeşil ışık. 1991: CERN Konseyi - LHC CERN ün geleceği için doğru makina. (89-93 arası Rubia CERN müdürü) 18

19 Tanrı Parçacığı - Bu kafa karıştırıcı isim nereden çıkmış? 1993 Meyrin, Geneva Satışları yükseltecek bir isim. Maalesef SSC yi kurtarmaya yetmiyor. 19

20 LHC nin Gerçek Tarihi Ekim 1993: SSC nin karanlık sonu. 1993: Almanyaların birleşmesi pahalıya patlıyor, CERN bütçesine katkısı azaltılıyor. Aralık 1993: İlk gerçek uzunluğunda LHC dipollerinin testi. Aralık 1993: CERN Konseyi - öneri olarak LHC başlama tarihi 2002 uygun ama masrafı azaltın. 1994: ABD den bilirkişi paneli - devlet LHC ye destek vermeli. Japonya, Rusya, Hindistan - biz de katılabiliriz. Haziran 1994: Başlangıç tarihini yapalım, bütçeyi azaltalım. LHC ye yeşil ışık oylaması nda 17 evet, 2 cevapsız. Almanya ve B.K. - İsviçre ile Fransa daha çok ödesin. 20

21 LHC nin Gerçek Tarihi Aralık 1994: İki adımlı LHC, ilk adımda dipollerin üçte biri olmasın. Ama dışarıdan bulunan para CERN üyelerinin ödeyeceklerini değiştirmesin, çok bulunursa doğrudan ikinci adıma gidilebilsin. İsviçre, Fransa - yıllık %2 artırdık. Konsey - yeşil ışık. 1995: Japonya yla imza. Arkasından Rusya, Hindistan, Kanada, ABD ile görüşmeler olumlu. Tek adımda bitirmek mümkün görünüyor. Temmuz 1996: Almanya - CERN e katkımızı %8-9 kesiyoruz. BK de biz de bütçenin azaltılmasını istiyoruz. 1997: ISS den başı yanan ABD LHC desteğini tekrar tartışmaya başlıyor. Aralık 1997: Konsey - LHC 2005 de hizmete girsin. Personelin maaşı %2 kesilsin. İleriki yıllardaki bütçenizden borç almanızı kabul ettik. Aralık 1997: ABD-CERN anlaşması sonunda imzalanıyor. 21

22 LHC nin Gerçek Tarihi 1998: ATLAS için inşaat işleri başlıyor. 15m lik dipoller 8.3 Tesla da. 1999: Rusya dan SPS-LHC transfer hattının mıknatısları geliyor. 2000: ABD den gelen ilk LHC parçaları. Kasım 2000: LEP in sonu. 2001: European Data Grid projesi, ardından LCG. ATLAS mağarası tamam. LEP tünelinde her bir parçanın nereye geleceğinin işaretlenmeye başlaması (2 yıl). 22

23 LEP de Higgs LEP1 ( ): s=91 GeV e + e -> Z -> HZ* -> Hl + l veya Hνν LEP2 ( ): s=209 GeV e kadar e + e -> Z* -> HZ 23

24 LEP de Higgs Sinyali? s 206 GeV de toplam 0.5 fb -1 veri. Lepton-Photon ve EPS konferanslarında sunum. Acaba 115GeV de bir Higgs sinyali mi var? Sırf arka plan (fon) olma ihtimali = 3.4% 24

25 LEP Kesin Sonuçlar 2003 Sinyal ile ilgili yorum ortadan kalkmış. 115 deki sinyal 2σ dahi değil. 25

26 Birden Fazlanın Önemi Sinyalin çoğu ALEPH den. DELPHI tam tersine hiç görmüyor. 26

27 LHC nin Gerçek Tarihi : Bir sürü iş (detektörler, mıknatıslar, soğutma sistemi, kablolar, yerleştirme ) itibariyle: Herkesi ikna etmek için yapılan hesaplar tabi ki iyimser. Gene de malzeme açısından sadece %20 fazlaya mal oluyor CERN müdürü C. L. Smith: it is not wise to approve projects without contingency on the basis of optimistic assumptions, although it may be worth it if as in the case of the LHC this is the only way to get them approved. 2008: LHC de ilk demet. 27

28 Kaza Geliyorum Der Mi? Bilim kurgudan kopya çeker mi? 2007 SSC SSC de zaten bu yüzden yapılamamış! (Bknz. John Cramer in 1997 de basılan romanı) 28

29 Kaza Eylül LHC kendi prototipi 29

30 2011 Sonu Kolay kısımlar temizlenmiş. ATLAS ve CMS GeV civarında zayıf sinyaller görüyor. BYB etkisini hesaba katınca, deney başına 2σ. 30

31 Giderek Artan Sinyal Sinyalin anlamlılığı zamanla artıyor. 31

32 Sinyalin Birikmesi 32

33 Son Durum Higgs, spin doğru, etkileşimler doğru Ama başka hiç birşey yok arxiv: v2 33

34 Ne yapacağız? Deneyci: Aramaya devam - hatta Higgs i de ara parçacık olarak kullanarak (örneğin FCNC kuarkların Higgs bozunmaları), ağır başka Higgs ler, SUSY, vs. Kuramcı: Aslında zaten MSSM fazla iyimserdi, ama LHC 13TeV için çok da ümitlenmeyin. S. Dimopoulos, SUSY

35 Veya Hikaye Yazalım? Leon Lederman a da arada hak vermemek mümkün değil. 35

36 Eski Dostumuz Elektron Elektronun klasik yarıçapı Bir kesim noktası, kuramın bittiği, bir sonrakinin başlaması gereken yer. Ve yeni fiziğin girdiği mertebe bizim seçtiğimizden düşük. N. Arkani-Hamed, SUSY 2013 Hiyerarşi ve doğallık! 36

37 Doğallık - İnce Ayar 1999 Ay ve Güneş - her ikisinin de çapı yaklaşık yarım derece. Çaplar arası fark, ortalamalarının %3 ü mertebesinde. Dinötron veya diprotonların olmaması: 60keV lik %1 lik bir kaza. 37

38 İşte Kolay Anlaşabileceğim Bir Kuramcı N. Arkani-Hamed, SUSY

39 LHC Takvimi? LHC çalışma ve iyileştirme için olası bir takvim (CERN-ATS ). HL-LHC: 3000fb -1. HE-LHC: TeV 39

40 100 TeV e Çıkabilir Miyiz? 80-km süper yüksek enerjili LHC (HE-LHC) (~4 milyar İsviçre Frangı tünel kazımı için) Şimdiki LHC dipolleriyle s=40, yüksek-sıcaklık süperiletkenleriyle 100TeV e çıkılabilir. 40

41 Son 41