STANDART MODEL in SON PARÇASI: Higgs Parçacığı Ege Üniversitesi Fizik Bölümü Nasuf Sönmez 12
STANDART MODEL in SON PARÇASI: Higgs Parçacığı Ege Üniversitesi Fizik Bölümü Nasuf Sönmez 2
İÇİNDEKİLER Fizik Nedir? Evrenin Çok Kısa Tarihi Temel Etkileşmeler, Standart Model in Doğuşu Higgs Mekanizması ve Kendiliğinden Simetri Kırılması Mekanizması Higgs Mekanizmasının Sonuçları Standart Model ve Kütleler CERN in Tarihi ve Kısa Bilgi LHC Hızlandırıcısı ve CERN Deneyleri Higgs Parçacığının keşfi Nasuf SÖNMEZ, Ege Üniversitesi Fizik Bölümü 3
Bazı Sorular? Fizik nedir? Yunanca dan gelen Fizik "bilgi, doğanın bilimi" anlamına gelmektedir ve doğa felsefesi ile doğa bilimlerinin bir dalıdır. Uzay ve zaman içinde madde ve onun hareketini, kuvvet ve enerji gibi kavramlarla açıklayan bilim dalıdır. En genel anlamı ile evrenin içindeki doğanın nasıl davrandığının analizidir. Atom altı parçacıkların (<10-18 m) dünyasından yıldızlara hatta galaksilere kadar geniş bir yelpazede sistemleri ele almaktadır. Fizik Nasıl Çalışır? Bilimsel metodlar geliştirerek hipotezler üzerinden doğadaki gözlemleri matematiksel modeller ile açıklamaktadır ve yeni öngörülerde bulunarak en sonda kanunlar ortaya çıkarmaya çalışmaktadır. Nasuf SÖNMEZ, Ege Üniversitesi Fizik Bölümü 4
Evrenin Çok Kısa Tarihi Kuantum Dalgalanmaları Evrenin Hızlı Genleşmesi Galaksi ve gezegenlerin oluşması Evrenin Hızlanarak genişlemesi 13.798 ± 0.037 Milyar yıl Nasuf SÖNMEZ, Ege Üniversitesi Fizik Bölümü 5
Temel Etkileşimler ve Özellikleri Doğadaki meydana gelen tüm olaylar ve etkileşmeler 4 temel kuvvet ile açıklanabilmektedir. Kuvvetlilik Menzil Yerçekimi 6x10-39 Sonsuz graviton, spin-2 Elektromagnetik 1/137 Sonsuz foton, spin-1 Zayıf Nükleer Kuvvet 10-6 10-18 W-, W+, Z0 bozonları, spin-1 Güçlü Nükleer Kuvvet 1 10-15 Gluon, spin-1 Nasuf SÖNMEZ, Ege Üniversitesi Fizik Bölümü Taşıyıcı parçacık 6
Standart Model in Doğuşu 20yy da Kuantum Mekaniğinin, Rölativite teorisinin ortaya atılması ile etkileşmeler ifade edebilmek için farklı simetrilere sahip ayar alanları kullanılmıştır. Buna göre; Her bir maddesel parçacık spini yarım tam sayılı bir alanın kuantumudur. Etkileşmeler spini tam sayılı olan ayar alanları ile ifade edilebilmiştir. Bu birleşimin ilk sonucu olarak Kuantum ElektroDinamiği geliştirilmiştir. Foton kütlesiz ve sonsuz menzile sahip olması sebebiyle U(1) ayar alanı vr elektriksel yüke sahip parçacıklar arasındaki etkileşmeleri ifade edebilmek için kullanılmıştır. Ltoplam=Lmaddesel+LU(1)+Letkileşme Fakat parçacıkların tür değiştirmelerinden sorumlu olan Zayıf Nükleer Kuvvet çok kısa bir menzile sahiptir. Bu ayar alanının kısa menzile sahip olması aynı zamanda kütleli olduğu anlamına gelmektedir. Zayıf Nükleer Kuvvet için Lagrange yoğunluk fonksiyonuna ~m 2 AµA µ şeklinde bir kütle terimi eklenememektedir. Teorinin en temel simetrilerinden biri olan Ayar değişmezliğini kırmaktadır. Bu sebeple 20yy ikinci yarısında bir çok bilim adamı ayar alanlarına nasıl kütle kazandırılabileceği üzerinde çalışmıştır. Nasuf SÖNMEZ, Ege Üniversitesi Fizik Bölümü 7
Higgs Parçacığı! http://prl.aps.org/50years/milestones#1964 Broken Symmetry and the Mass of Gauge Vector Mesons F. Englert and R. Brout Phys. Rev. Lett. 13, 321 (1964) More Information Read Letter Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons Peter W. Higgs Phys. Rev. Lett. 13, 508 (1964) More Information Read Letter Global Conservation Laws and Massless Particles G. S. Guralnik, C. R. Hagen, and T. W. Kibble Phys. Rev. Lett. 13, 585 (1964) More Information Read Letter Brout Englert Guralnik Higgs Hagen Kibble teorisi / mekanizması These Letters contain an explanation that shows how mass could arise in local gauge theories. Gauge symmetries explain how the strong and electroweak forces arise, but such symmetries forbid vector boson mass terms. The authors showed how gauge symmetries could be spontaneously broken in such a way that the vector bosons of the theory acquire mass. A number of earlier Physical Review papers foresaw different aspects of this mechanism. The Large Hadron Collider at CERN is searching for a particle (generally called the Higgs ) that will constitute evidence for these theories. The 2004 Wolf Prize was awarded to Englert, Brout, and Higgs for their contributions to the theories. Kibble, Guralnik, Hagen, Englert, Brout ve Higgs - 2010 APS Sakurai Prize Winners Nasuf SÖNMEZ, Ege Üniversitesi Fizik Bölümü 8
Kibble, Guralnik, Hagen, Englert, Brout ve Higgs mekanizması 1964 te Kibble, Guralnik, Hagen, Englert, Brout ve Higgs tarafından önerilen mekanizmaya göre. Bir sistemin vakum durumu (minimum enerjili hal) her zaman potansiyel tarafından belirlendiğine göre, Meksika şapkası şeklinde bir potansiyel denklem önerildi. L = T V -h +h (1) Eğer μ 2 < 0, minimum enerji hali φ = 0 olur ve μ terimi φ nin kütlesi olur. (2) Eğer μ 2 > 0, φ = 0 mimimum enerji = = µ 2 /2 h Higgs potansiyeli (kendisi ile olan etkileşmesi) sıfırdan farklı bir nokta için minimum değere sahiptir. Sistem minimum enerjili hale geldiğinde ayar simetrisi kendiliğinden kırılmış ve sonlu bir değere sahip olur. Böylece sıfırdan farklı Higgs alanı vakumun bir özelliği olur. olur. Nasuf SÖNMEZ, Ege Üniversitesi Fizik Bölümü 9
Kibble, Guralnik, Hagen, Englert, Brout ve Higgs mekanizması 1964 te Kibble, Guralnik, Hagen, Englert, Brout ve Higgs tarafından önerilen mekanizmaya göre. Bir sistemin vakum durumu (minimum enerjili hal) her zaman potansiyel tarafından belirlendiğine göre, Meksika şapkası şeklinde bir potansiyel denklem önerildi. L = T V Minimum Enerji Durumu.. -h +h (1) Eğer μ 2 < 0, minimum enerji hali φ = 0 olur ve μ terimi φ nin kütlesi olur. (2) Eğer μ 2 > 0, φ = 0 mimimum enerji = = µ 2 /2 h Higgs potansiyeli (kendisi ile olan etkileşmesi) sıfırdan farklı bir nokta için minimum değere sahiptir. Sistem minimum enerjili hale geldiğinde ayar simetrisi kendiliğinden kırılmış ve sonlu bir değere sahip olur. Böylece sıfırdan farklı Higgs alanı vakumun bir özelliği olur. olur. Nasuf SÖNMEZ, Ege Üniversitesi Fizik Bölümü 9
Higgs Mekanizmasının Sonuçları L =( µ )( µ ) µ 2 2 + 4 Eğer bu basit ve 4 adet serbestlik derecesine sahip skaler alanı (spin-0) Lagrange fonksiyonuna ekleyip vakum etrafında seriye açılır ve gözlenebilir fiziksel durumlar için SU(2) alanları döndürülerek karıştırılırsa, Ayar Alanları olan W 1, W 2, W 3 Higgs alanı ile çapraz terimler oluşturur ve gözlenebilir kütleli W - /W + /Z 0 durumları oluşur. L = 1 2 ( µh) 2 + g2 4 + l,q,q Higgs Parçacığı m 2 H 2 H2 h H 3 h 4 H4 W µw µ + 1 2c 2 Z µ Z µ W ml mq ll + qq + mq q q H 2 +2 H + H 2 g: Kuplaj sabiti fermiyon-electrozayıf bozonlar arasında h: Higgs kendisi ile olan bağlanma sabiti λ: Higgs alanın vakum beklenen değeri U(1)xSU(2) ayar simetrileri ile Elektromagnetik Kuvvet ve Zayıf Nükleer Kuvvet birleştirilmiştir. Foton a ait U(1) ayar alanı Aµ kütlesiz kalırken, Zayıf Nükleer Kuvvet in 3 adet ayar alanı (SU(2)) W i kütle kazanmaktadırlar. Teorideki madde alanları Higgs in vakum değerine sahip olması ile onlar da kütle kazanmaktadırlar. En önemli sonuç, SU(2) ayar alanına bağlanan 3 serbestlik derecesinin yanında geriye 1 adet serbestlik derecesi kendisi ile etkileşerek skaler bir parçacık öngörmektedir. Higgs Parçacığı Nasuf SÖNMEZ, Ege Üniversitesi Fizik Bölümü 10
Standart Model ve Kütleler 1964 sonrası W-/W+ ve Z0 bozonları şanslı şekilde CERN de gözlemlenmiştir ve sonrasında temel parçacıklar ile etkileşmelerini çok hassas şekilde ifade edebilen bu teoriye Standart Model adı verilmiştir. SM e ait Lagrange yoğunluk fonksiyonunun temel simetrileri ile etkileşmeler sayısız kez testlerden geçmiştir fakat Higgs alanının kendisi ile olan etkileşmelerinden ortaya çıkan Higgs parçacığı tüm arayışlara rağmen 2012 de ancak keşfedilebilmiştir. Nasuf SÖNMEZ, Ege Üniversitesi Fizik Bölümü 11
Avrupa Nükleer Araştırma Laboratuvarı - CERN 12
CERN in Kısa Tarihi İkinci dunya savaşı sonrası, Fransiz fizikçi Louis de Broglie bir Avrupa Laboratuvarının kuruluşu için ilk resmi öneriyi Aralık 1949 Lozan da Avrupa Kültür Konferansında yapmıştır. Temmuz 1953'de CERN Konvansiyonu kuruldu ve aşamalı olarak tüm kurucu ülkeler tarafından imzalandı. 29 Eylül 1954'de Almanya ve Fransa'nın imzaları sonrasında Avrupa Nükleer Araştırmalar Organizasyonu resmi olarak vücut buldu. En başta kabul edilen ad değişmiş fakat kısa adı CERN olarak kaldı. İsviçre - Fransa sınırında bulunmaktadır ve şu an dünya üzerindeki en büyük hızlandırıcı kompleksidir. Paralel ve yüksek hesaplama gücü sunan GRID Projesinin merkezidir. LHC deneyi ile EVREN HAKKINDAKİ SORULARIN CEVAPLARINI ARAMAKTADIR. Nasuf SÖNMEZ, Ege Üniversitesi Fizik Bölümü 13
LHC Hızlandırıcısı ve CERN Deneyleri CMS LHCb ALICE ATLAS 100m Yer altında dairesel bir tünel ~27 km ~27 km çevresi olan ve yaklaşık 100 m yer altında dairesel bir tünel içinde çeşitli mıknatıs sistemleri ile oluşan bir kompleksdir. LHC halkası üzerinde ~100 deney bulunmaktadır, fakat yeni fizik kanunları ve parçacıklarının arandığı 4 büyük deney bulunmaktadır. Nasuf SÖNMEZ, Ege Üniversitesi Fizik Bölümü 14
Hızlandırıcı Kompleksi 7 TeV 7 TeV Lüminozite =10 34 cm -2 sec -1 Nasuf SÖNMEZ, Ege Üniversitesi Fizik Bölümü 15
LHC nin Mıknatıs Sistemleri LHC bir Proton - Proton Çarpıştırıcısıdır Hızlandırıcı içinde parçacıklardan oluşan iki proton demeti ışık hızına çok yakın değerlere kadar hızlandırılarak birbirlerine çarpıştırılmaktadırlar. E(8 TeV)>> mp (0.931 GeV), E/c=26 667=> v=0.999 999 998 59378515559c LHC nin içi sıvı He ile doldurulmuştur ve 1.8-4.5K dedir. Dış uzay dan daha soğuktur. Farklı boy ve amaç için üretilmiş 1232 dipol ve 392 kuadrupol magnetinden oluşmaktadır. Çarpışma noktalarının hemen öncesinde proton demetlerini sıkıştırıp odaklayarak çarpışma olasılığını artırmaktadırlar. ~27km lik çevreye sahip bir çember içinde proton demetlerini tutabilmek için süperiletken dipolllerin içinde 9 Tesla lık magnetik alan bulunmaktadır. Her bir proton demetinde 10 11 adet proton bulunmaktadır ve aralarında 25 ns zaman aralığı ile çarpıştırılmaktadırlar. Nasuf SÖNMEZ, Ege Üniversitesi Fizik Bölümü 16
CMS Dedektörü Nasuf SÖNMEZ, Ege Üniversitesi Fizik Bölümü 17
CMS in Anatomisi Çarpışmalar sonrası parçacıkların izledikleri yörüngelerin yarıçapları parçacıkların momentumları ile bağlantılıdır p=rqb Kalorimetre sistemleri parçacıkları dururarak enerjilerini tayin etmektedir E Böylece Lorentz invaryant olan kütle tayin edilebilr. m= E 2 -p 2 İz Sürücü Mikrostrip + Piksel ECAL Sintilatör PbWO4 kristalleri HCAL Plastic sintilatör + pirinç levhaları SÜPERİLETKEN HALKA MÜON Sistemi Çalışan Bilim Adamı: ~4000 Toplam Uzunluk: 21.6 m Magnetic Alan : 4 Tesla Toplam Ağırlık : 12,500 t Toplam Çap : 15 m İz sürücü dedektör, EM kalorimetre, Hadronik kalorimetre, Müon Halkası Nasuf SÖNMEZ, Ege Üniversitesi Fizik Bölümü 18
CMS Veri Toplama Sistemi (DAQ) Tetikleme Mekanizması Nadir ve ilginç çarpışma olayları gereksiz çarpışma olaylarından ayrılması gerekmektedir. Jetler, izler, müonlar, e ± /ɣ, MET HB/HE/HO ~90% in 50ns 400K 9K 220K Analiz Kodu 75.3M Toplam ~76M Nasuf SÖNMEZ, Ege Üniversitesi Fizik Bölümü 19
Çarpışma Verileri, pp H ƔƔ Nasuf SÖNMEZ, Ege Üniversitesi Fizik Bölümü 20
Higgs oluşum kanalları (pp) proton Proton, kuark ve gluonlardan oluşan birer kompozit parçacıklardır ve Higgs parçacığı bir kaç farklı kuark yada gluon saçılmaları sonucu ortaya çıkabilir. gg füzyon WW, ZZ füzyon ttbar füzyon W,Z bremstrahlung s=8 TeV için %25 kadar daha fazla σ(pp H+X) [pb] 10 1 pp H (NNLO+NNLL QCD + NLO EW) pp qqh (NNLO QCD + NLO EW) pp WH (NNLO QCD + NLO EW) pp ZH (NNLO QCD +NLO EW) s= 7 TeV LHC HIGGS XS WG 2010 Yüksek Enerji Fiziğinde parçacıklar arasında herhangi bir etkileşmenin meydana gelme olasılığı saçılma tesir kesiti ile ifade edilir. σ(pp H)@mH=125GeV = 15 pb = 15,000 fb Oluşan parçacık sayısı N = L -1 10-2 10 pp tth (NLO QCD) 100 150 200 250 300 M H [GeV] CMS ve ATLAS dedektörleri 2010-2012 yılları arasında herbirinin kaydetmiş olduğu ~26 fb -1 kadarlık veri içerisinde en büyük saçılma tesir kesitine gg füzyon kanalı ile 31fb -1 x 15 pb = 390k adet Higgs parçacığı meydana gelmiştir. Nasuf SÖNMEZ, Ege Üniversitesi Fizik Bölümü 21
Higgs Parçacığının Bozunumu Higgs parçacığı Higgs alanının kendisi ile olan etkileşmelerinden meydana gelen bir rezonans olması sebebi ile belli bir ömrü vardır ve bu sebeple çok hızlı şekilde daha düşük kütleli parçacıklara bozunmaktadır. CMS ve ATLAS dedektörleri ilk tasarım ve elde edilen verilerin analizi aşamalarında ilgilenilen parçacıkların en büyük olasılık ile bozundukları ve dedektörün en yüksek verim ile kaydedebildiği bozunum kanalları incelenmektedir. CMS ve ATLAS dedektörlerinin verileri üzerinde her bir analiz grubu farklı teorik modellerin öngördükleri parçacıkların farklı bozunum kanallarını incelemektedirler. Higgs BR + Total Uncert [%] 1-1 10-2 10 cc bb gg Z WW ZZ LHC HIGGS XS WG 2013 BR [pb] 10 1-1 10-2 10 - + VBF H + ± WH l bb - s = 8TeV ± WW l qq + - WW l l + - ZZ l l qq ZZ l l ZZ l + - + - + - l l l LHC HIGGS XS WG 2012-3 10-4 µµ 10 80 100 120 140 160 180 200 M H [GeV] -3 10-4 10 + - ZH l l bb l = e, µ = e, µ, q = udscb tth ttbb 100 150 200 250 M H [GeV] Nasuf SÖNMEZ, Ege Üniversitesi Fizik Bölümü 22
Higgs in Keşfi... ATLAS ve CMS deneyleri 2011 ve 2012 yıllarında s = 7 TeV enerjisinde ~5 fb 1 ve s = 8 TeV enerjisinde ~21 fb 1 kadar veri toplanmıştır Bu verilerin üzerinde İlk olarak H γγ, H ZZ(*) 4l, H WW(*) lνlν, H τ + τ ve H bb kanalları için analizler yapılmıştır. Bu analizlerde son durumda meydana gelen parçacıkların enerji ve momentumları yapılandırılarak her bir çarpışma olayı için olası rezonansların değişmez kütleleri hesaplanarak çizilen grafiklerde mh=126 GeV değerinde bir pik elde edilmiştir. CMS ATLAS Nasuf SÖNMEZ, Ege Üniversitesi Fizik Bölümü 23
H ZZ 4 lepton, H µ + µ Daha Fazla Higgs Sonucu için https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/atlaspublic/higgspublicresults https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/cmspublic/physicsresultshig Nasuf SÖNMEZ, Ege Üniversitesi Fizik Bölümü 24
Higgs in Kütlesi CMS mh=125.8 GeV ATLAS mh=126.5 GeV Nasuf SÖNMEZ, Ege Üniversitesi Fizik Bölümü 25
Sonuçlar... CMS ve ATLAS dedektörlerinin kaydetmiş oldukları veriler üzerinde analiz gruplarının yapmış oldukları analizler ile 124-125 GeV bölgesinde spini 0 olan ve 1964 de ortaya atılmış hipotetik parçacığın özelliklerine sahip bir rezonans keşfedilmiştir. Bu parçacık ile Kendiliğinden Simetri Kırılması mekanizmasının ayar bozonlarına kütle kazandırdığı ispatlanmış oldu. Doğanın betimlenmesinde kullanılan Kuantum Alan Teorisi ve kuvvetleri ifade ayar alanlarının sahip oldukları simetrilerin temel parçacıkların etkileşmelerini hassas ve doğrulukla ifade edebildikleri gösterilmiştir. Higgs alanının keşfi ile ilk kez 4 boyutlu fiziksel bir skaler alanın varlığı deneysel olarak gözlemlenmiş oldu. Higgs alanının kuantum dalgalanmaları hesaplandığında ikinci dereceden sonsuzluklar ortaya çıkmaktadır. Bu sonsuzlukların giderilmesi için ortaya atılmış çeşitli modeller bulunmaktadır. Bunlardan Süpersimetri modeline göre yüksüz skaler Higgs alanı 5 adet kardeşten oluşmaktadır.... Evreni ve etkileşmeleri ifade edebilecek tek bir kuvvet ve yeni etkileşmeler/ simetriler için çalışmalar devam etmektedir.... Nasuf SÖNMEZ, Ege Üniversitesi Fizik Bölümü 26
Teşekkürler
ek SONUÇlar Higgs parçacığının keşfi hayatımızı nasıl değiştirecektir? Cevap: Muhtemelen bu yüzyılda hiç bir etkisi olmayacaktır! Isac Newton: 17.yy da yeryüzündeki elma ile gökyüzünde bulunan gezegenlerin aynı denklemler ile ifade edilebileceğini keşfetti. Sadi Carnot, Kelvin ve... başkaları 1850 li yıllarda iş ve ısının aynı olgu olduklarını keşfettiler. Maxwell: 1860 da elektrik ve manyetizmanın aynı olgu olduğunu keşfetti J.J.Thomson: 1897 de Elektronu keşfetti. Einstein: 1905 de E=mc 2 denklemi ile enerjinin kütle ile eşdeğer olduğunu keşfetti. Planck, Bohr, Hesinberg, Schrodinger ve birçok bilim adamı 1920 lerde kuantum mekaniğini keşfettiler. vb... Bilim insanlığının hayatını her geçen gün iyileştirmekte. Ege Üniversitesi Fizik Bölümü 29
CERN in insanlığa katkıları http://knowledgetransfer.web.cern.ch/ İnternet protokolü olan WWW nin geliştirildiği yerdir. Gelecekteki Hızlandırıcılar için Araştırma ve Geliştirme (R&D) yapmaktadır. Hızlandırıcı ve Dedektör teknolojisinin gelişmesi Kanser tedavisinde kullanılan cihazların geliştirilmesine yardımcı olmaktadır. Yarının bilim adamlarını yetiştirmektedir. Ege Üniversitesi Fizik Bölümü 30
Neden Kuantum Alan Teorisi? Klasik Fizik te Alan Kavramı Klasik Fizik de ALAN kavramı Newton tarafından kütlelili cisimlerin aralarındaki etkileşmeleri ifade etmek için kullanıldı, fakat bu terimin ilk olarak 19yy da M.Faraday tarafından Elektromagnetik teorinin geliştirilmesi sırasında kullanılmıştır. Newton un yerçekimi teorisinde etkileşmeler yerel değil uzaktan meydana gelmektedir. Bunun anlamı bir elektron yada gezegen in üzerine etkiyen kuvvet, uzaktaki bir proton yada yıldızın hareketi ile anında değişmektedir. Bu felsefi olarak yetersiz, daha da önemlisi deneysel olarak yanlıştır. Maxwell ve Einstein in ortaya atmış oldukları alan teorileri, tüm etkileşmelerin alan içinde yerel olarak yayıldıklarını ifade ederek bu sorunu çözmüşlerdir. Bu sebeple Kuantum Alan teorilerinin yerellik özelliğine sahip olmaları istenen bir özelliktir. Neden Kuantum Alan Teorisi? Cevap 1: Kuantum Mekaniği ve Özel Rölativite nin birleşimi parçacık sayısının etkileşmelerde korunmadığı sonucunu doğruyor. Cevap 2: Özdeş parçacıkların hepsi birbirlerinin tıpatıp aynısı! Ayar Alanı neden gerekli ve kullanıyoruz. Gauge Invariance In quantum-electrodynamics invariance of the Lagrangian under an arbitrary, space-time dependent ( local ) spinor phase (group U(1)) leads to the description of interactions through massless vector fields (photons) E=mc 2 : Yükesk E ağır parçacıkların üretilmesine izin vermektedir Yeni Fizik λ=1/m: Büyük M küçük uzaklıkların incelenmesine izin vermektedir. Yeni Fizik Nasuf SÖNMEZ, Ege Üniversitesi Fizik Bölümü 31