EL MISTERIOSO BOSÓN DE HIGGS

Carlos Ávila

Departamento de Física,

Universidad de Los Andes1Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012

CONTENIDO DE LA CHARLA

1. QUE ES EL BOSÓN DE HIGGS?

2. COMO SE BUSCA EL BOSÓN DE HIGGS?

3. QUE SE HA ENCONTRADO HASTA AHORA?

Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012 2

Queremos estudiar las componentes mas pequeñas de la materia.

Queremos investigar los aspectos mas profundos y fundamentales de la materia.

Toda la materia esta hecha de los mismos constituyentes:

FISICA EXPERIMENTAL DE PARTICULAS

Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012

fundamentales de la materia.

Queremos investigar la naturaleza del universo inmediatamente después de su origen.

3

CONSTRUYENDO EL UNIVERSO

electrones Átomo de Helio

protones neutrones

Si multiplicamos por billones y billones y billones y billones…

4Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012

Tabla Periodica Helio Neon

Todos los átomos están hechos de electrones, protones y neutrones

Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012

u

du u

d d

Protón Neutron Electron

Gluons mantienen juntos a los quarks. 5

Campo de Campo de HiggsHiggs

6Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012

7Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012

8Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012

1. CERN: Colisionador LEP (e- e+) 1989 – 2000 2. Fermilab: Colisionador Tevatrón (p+ p-) 1991 -1996, 2001 – 20113. CERN: Colisionador LHC (p+ p+) desde 2010 …

EL BOSÓN DE HIGGS SE HA BUSCADO DESDE HACE MAS DE 20 AÑOS:

HERRAMIENTAS NECESARIAS:

1. ACELERADOR DE PARTÍCULAS: LEP, TEVATRON, LHC

2. DETECTOR : DELPHI, L3, OPAL, ALEPH,D0, CDF, ATLAS, CMS

COMO SE BUSCA EL HIGGS?

3. ALTA CAPACIDAD DE COMPUTO: COMPUTACIÓN GRID

4. SOFTWARE ESPECIALIZADO: SIMULACIÓN Y ANALISIS DE DATOS

LHC CMS CERN-GRID10Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012

• Protones giran en circulo de27 km Longitud a v=99.9999%c• 1600 Magnetos superconductores enfriados a 1.9 °K• Corriente en bobinas superconductoras = 13000 Amps• 96 toneladas de He Liquido• 20 millones de colisiones por segundo. 11Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012

12Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012

ENERGÍA Y LUMINOSIDAD: CLAVES PARA BUSCAR PROCESOS POCO PROBABLES.

Sección eficaz σ ���� Probabilidad de producción de partículas.

σ incrementa con energía de Colisión.

σσσσbbar

σσσσTOT

Por cada 10 mil millones de colisiones

Alta estadística es indispensable para buscar el

NHiggs =σHiggs L

σσ σσ(n

b)

ECM (TeV)

σσσσW

σσσσZ

σσσσttbar

σσσσHIGGS(MH=150 GeV)

LHC

de colisiones se produce

1 Higgs.

para buscar el Higgs

TEVATRON

Incremento en ECM en factor de

4 ���� Incremento en σσσσ en factor de 50

13Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012

LUMINOSIDAD N =σ L ; [L]= cm-2seg-1

N= # particulas/seg

Estadística acumulada=∫Ldt=Luminosidad integrada

TEVATRON LCH

LUMINOSIDADCMS

2011: Lint.=5.5 fb-1

TEVATRONEXP. D0

LCHEXP. CMS Esperada

2012:Lint.>25 fb-1

14Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012

El EXPERIMENTO CMS

15Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012

DETECTOR CMS (Compact Muon Solenoid)

16Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012

CMSDetector de siliciopara trayectorias

Calorímetroelectromagnético

Calorímetrohadrónico

Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012

SolenoideSuperconductor

Núcleo de hierropara campo magnéticode retorno (exterior)

Cámarasde muones 17

18Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012

19Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012

20Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012

Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012Peso:14000 toneladas; Longitud=28.7 m; Diámetro: 15m21

Uniandes en CERNUniandes en CERN

CamiloCarrillo

AlbertoOcampo

22Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012

Registro de diversas partículasen CMS

Coloquio ACAC, Noviembre 6 201223

Es posible gracias a la alta granularidad y alto campo magnéticoEs posible gracias a la alta granularidad y alto campo magnético

Descripción Global de eventos (PFLOW)

e,μ,γ, hadrones cargados y neutrales

• Usados en el analisis como una lista de partículas generadas.

• Usados para recosntruir jets, taus, Energía faltante, aislaminentoe identificación de partículas en múltiples colisiones protón-protón. 24

Identificación de partículas: optimizada combinación de todos los subsistemas

Identificación de quarks y gluones: Jets

Identificación de quarks b: vertice secundario desplazado

25Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012

PILEUP

Interacciones simultaneas p-p ~ 20 en promedio 26Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012

A pesar de que los eventos(15 Km)

Globo(30 Km)

DVDs apiladoscon1 año de datosdel LHC(~ 20 Km)

FLUJO DE DATOS

Coloquio ACAC, Noviembre 6 201227

A pesar de que los eventosson filtrados:

Rata de acumulación de datos:~15PetaBytes/año

Equivalent e a escribir un DVD cada 2seg.

MonteBlanco(4.8 Km)Suiza

27Colisiones independientes ���� Procesamiento paralelizado

Colaboración CMS y

Computación Grid del LHC

CERN

28

ESPECTRO DE MASA DE DIMUONES

(Mc2)2=(E+ + E- )2 – (p+ + p-)2

29Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012

TODA LA FíSICA DEL MODELO ESTÁNDAR HA SIDO OBSERVADA Y MEDIDA EN EL CMS

30Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012

Decaimientos del

Masa del bosón de Higgs (GeV/c2)

Quark Top

Bosón Z0

Decaimientos del Bosón de Higgs

Decaimientos del

γ γ

Bosón Z0

Bosón W

Quark bottom

tauón

gama gama

Bosónde Higgs

Fracciones de decaimiento : Branching ratios

Decaimientos del

Masa del bosón de Higgs (GeV/c2)

Quark Top

Bosón Z0

Decaimientos del Bosón de Higgs

Decaimientos del

γ γ

Bosón Z0

Bosón W

Quark bottom

tauón

gama gama

Bosónde Higgs

Fracciones de decaimiento : Branching ratios

Masa del bosón de Higgs (GeV/c2)

Quark Top

Bosón Z0

Decaimientos del Bosón de Higgs

γ γ

Bosón Z0

Bosón W

Quark bottom

tauón

gama gama

Bosónde Higgs

Fracciones de decaimiento : Branching ratios

Masa del bosón de Higgs (GeV/c2)

Quark Top

Bosón Z0

Decaimientos del Bosón de Higgs

γ γ

Bosón Z0

Bosón W

Quark bottom

tauón

gama gama

Bosónde Higgs

Fracciones de decaimiento : Branching ratios

Masa del bosón de Higgs (GeV/c2)

Quark Top

Bosón Z0

Decaimientos del Bosón de Higgs

γ γ

Bosón Z0

Bosón W

Quark bottom

tauón

gama gama

Bosónde Higgs

Fracciones de decaimiento : Branching ratios

Decaimientos del Bosón de HiggsFracciones de decaimiento : Branching ratios

BACKGROUNDS

CANALES DE BUSQUEDA

1. p+p � H �γγ2. p+p � H �ZZ � l+l-l+l-

3. p+p � H �τ+τ−�l+l-

4. p+p � H � WW �lνlν5. p+p � H �bbar

Procesos con mismos estados finales que los producidos por el decaimiento del Higgs.

1. p+p �γγ2. p+p �ZZ � l+l-l+l-

3. p+p �τ+τ−�l+l-

4. p+p � WW �lνlν5. p+p �bbar

Backgrounds hasta 100.000 veces mayores que señal 37Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012

COMO SE REDUCEN LOS BACKGROUNDS ?1. Cortes en variables cinemáticas y dinámicas de acuerdo a la topología buscada :

• ET y PT para cada estado final• Suma de energía para todo el evento• Numero de jets, µ, e en el evento• Correlaciones angulares• Energía transversa faltante• Masa Invariante• Etiquetamiento de quarks b• Correlaciones de variables• Correlaciones de variables

2. Definición de discriminadores en análisis multivariados

ET1, pT1, θ1, φ1

ETi, pTi, θi, φi

Cat

0

Cat

3

Cat

4

t 1

38Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012

Candidato

H �γγ

39Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012

H ���� γ γ γ γ γγγγ

40

μ+(Z1) pT : 43 GeV

e-(Z2) pT : 10 GeV8 TeV DATA

Candidato

H �ZZ

41

μ-(Z1) pT : 24 GeV

e+(Z2) pT : 21 GeV

4-lepton Mass : 126.9 GeV

41

42Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012

COMPARACIÓN DE TODOS LOS CANALES CON M.E.

43Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012

CONCLUSIÓN

El experimento CMS ha observadoun nuevo bosón con una masa de

125.3 ± 0.6 GeV

44

125.3 ± 0.6 GeVCon una significancia de

5.0 σσσσProbabilidad de 99.99994% de obtener una señal por encima del background.

Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012

45Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012

Uniandes en CERNUniandes en CERN

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47Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012

48Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012

Firma Convenio CERN-COLCIENCIAS

Nov. 1 2012

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50Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012