geflest_do

Van Leidse Fles tot de
zoektocht naar de Heilige Graal
(v/d HEF)
=
de jacht op
het Higgs Deeltje
Van Electron naar
Marcel Vreeswijk (NIKHEF)
voor bezoek ‘de Leidsche Flesch’
Inhoud
•Introductie NIKHEF
•Introductie Hoge Energie Fysica
•Standard Model
•Het Higgs Deeltje
•CERN
•ATLAS
•Tot Slot...
October 2001
Marcel Vreeswijk
Hoge Energie Fysica in NL
NIKHEF en partners
•In NL: detectoren ontwerpen+bouwen en analyse meetgegevens
•De Metingen gebeuren niet in NL, maar op de grote versneller
instituten
October 2001
Marcel Vreeswijk
Versneller-instituten
• botsende deeltjes bundels.
• NIKHEF vnl in CERN bij Geneve
• tot 2000: LEP e+e- 100GeV + 100GeV
proton weegt ~1GeV=1000000000eV=0.001TeV)
(een
• in 2006: LHC p+p 7 TeV + 7 TeV
Ook actief betrokken bij de grote experimenten op
DESY bij Hamburg: HERA (e+p) 30GeV + 1TeV
Tevatron bij Chicago: TEVATRON (p+p) 1TeV + 1TeV
October 2001
Marcel Vreeswijk
Waarom Hoge Energie
• DOEL: begrijpen van fundamentele wisselwerkingen en zoeken naar
bouwstenen van natuur
• Een paar eV: schiet een electron uit atoom
• Een paar MeV: schiet de n+protonen uit kern
• Een paar GeV: schiet de quarks uit n of proton + maak nieuwe deeltjes
• Een paar TeV: meet op sub-schaal + maak Higgs deeltje?!
Hoe Hoger de Energie,
hoe kleiner de schaal
waarop we observeren.
Een Versneller+Detector
is een supermicroscoop.
Typisch ~TeV=10-18 m
October 2001
Marcel Vreeswijk
De Bouwstenen
Leptonen en Quarks
‘Heavy-Quarks
•Top-Quark. Ontdekt op
TEVATRON in 1995
•B-quark wordt bestudeerd
ivm oscillaties tussen
materie<-> antimaterie
Sterke Wisselwerking:QCD
•ElectroMagnetisme en
•Zwakke wisselwerking
October 2001
Marcel Vreeswijk
Wisselwerking = Uitwisseling krachtendeeltjes
Electromagnetisme
(fotonen):
e
g
e
gZW
Zg
Z
Z
W
W
W
W
mg=0 GeV
October 2001

 
f=lq
Zwakke kracht
Z,W: e+e-… f
Sterke Kracht:
(gluonen)
mg=0 GeV
Marcel Vreeswijk
e e  
e+
e-
gZ

+
-
‘Feynman Diagram’
Standaard Model
• De theorie van de elementaire bouwstenen
en hun interacties is de basis van het
Standaard Model
• Echter er ontbreekt nog wat: de grote
symmetry tussen de deeltjes wordt
geschonden: alle deeltjes hebben massa:
Higgs Mechanisme
•De oorsprong van massa volgens
Standaard Model:
Het Higgs Deeltje =
October 2001
Marcel Vreeswijk
Standaard Model Higgs
Higgs mechanisme=spontane symmetrie breking:
geeft de deeltjes massa ml,m,mq,mg,mW,mZ
V(H)
H
Nieuw ‘Veld’ H
<H>0  for gWZ: mg=0 GeV
mW80.4 GeV
mZ91.2 GeV
•We nemen een veld dat interacties heeft met <H>0  for lq: mGH
alle andere deeltjes
mlGllH
•In de grondtoestand is het veld niet nul.
mqGqqH
•De interactie met dit veld(=uitwisseling virtuele
GffH
Higgs deeltjes) geeft de andere deeltjes
effectief massa
•Als de theory klopt bestaat er een Higgs
Deeltje met massa. Dit deeltje maakt de theory
H
compleet, maar is nog nooit waargenomen.
f
October 2001
Marcel Vreeswijk
f
Higgs deeltje
•Een onder-limiet wordt gegeven door
de stabiliteit van het vacuum
V ( )


Not allowed
Allowed
2
mH
 2 ( mH )v 2
Als MH~180GeV:
Standaard Theory <->
intern consistent
Not allowed
Theoretische Massa Limieten:
•Een boven-limiet is verkregen door
unitariteits-principe (=behoud van
waarschijnlijkheid). Limiet wordt
bepaald door grootte van de Higgszelf-koppeling
Energie-schaal
•Wat weten we nou eigenlijk van het Higgs deeltje?

•Het Higgs mechanisme is een hypothese--> de
natuur volgt misschien een ander principe-->
experimenten moeten de weg aangeven
Botsingen Meten
•We hebben het over deeltjes
en hun interacties gehad
•Hoe ziet zo’n interactie er nu
eigenlijk in het echt uit?
October 2001
Marcel Vreeswijk
LEP (shut down 2000)
Large
Electron
Positron
collider
27 km
omtrek,
~100 m deep
•OPAL: een van de vier
LEP experimenten
•8x8x8m groot
October 2001
Marcel Vreeswijk
Op CERN (Geneve)
LEP: meten van de W massa
•Talloze belangrijke
metingen, oa de W
massa
e+
W+
Z0/g
e-
W~10-17
m
quarks of
leptonen
q,
q, e
4m
Deeltjes Detecteren:
•quarks->
hadroniseren-> jet->sporen+energie
•electronen->spoor->energie
•muonen->spoor door gehele detector
•neutrinoos->ontsnappen
•We meten dus de eindproducten en moeten
de interactie terug-reconstrueren
October 2001
Marcel Vreeswijk
TEVATRON
de trots van Fermilab
Bij Chicago
(VS)
Fixed target
CDF
D0
Main Injector
Botsingen: 1 Tev protonen op 1 TeV anti-protonen Om de 132 ns een botsing
Top Fysica (anno 1995)
Het TEVATRON, waar de top is ontdekt……..!


“Leptonisch Event”
b
p
W t
t

p
D0 Run I event display
<1995
Quark Massa Quark Massa
(GeV)
(GeV)
Up
~0.1
Charm ~1.5
Down ~0.1
Bottom ~5
Strange ~0.3
Top
???
e
Tevatron 1995
Mtop
174.3+-5.1 GeV
HetHiggs Deeltje
wat weten we nu?
Top massa + Wmassa levert voorspelling op voor:
de massa van de Higgs…...
LEP + Tevatron precisie metingen zijn gevoelig voor hogere orde
Quantum Correcties, waar Higgs deeltje rol speelt!
b
Z
Z
Higgs
W
W
W
b
mW  mT2
mW  ln mH
October 2001
W
t
b
t
b
t
W
b
W
Higgs
MHiggs<245 GeV
The yellow band is
excluded by the direct
searches at LEP
Marcel Vreeswijk
ALEPH 4 jet Higgs-candidate
e
Z
e
H
Z
H -> bb
Z -> qq
•The Higgs might
be just around the
corner!!!!
•Recently, in 2000, direct search at LEP have seen
hints for a Higgs with mass 115 GeV!!!!
October 2001
Marcel Vreeswijk
The Large Hadron Collider
LHC:
• proton-proton botsingen
• Ecm=14.000 GeV=14 TeV
• 8 km  ring (oude LEP)
•supergeleidende magneten
• Begin: 2006
The Large Hadron Collider
ATLAS
p: tracking
E: calorimetry
NIKHEF involvement in the SCT
Meet geladen deeltjes-sporen rond interactie-punt
met ~haardikte precisie
What?
• Build 100 silicon strip
modules
• Build all carbon fibre disks
(20 = 2 * 9 + 2)
• Assembly of one Endcap
(1000 silicon modules)
• Fysica simulaties/studies
ATLAS-Muon Spectrometer
Muon systeem (impulsmeting 2%)
50m spatial (sagitta) over 7meter!!!
Sagitta is afwijking van rechte lijn=maat voor Impuls
Haalbaar door:
1. Magneet veld van Air Core Toroid
2. excellente alignment ~20m
3. Precisie Muon Kamers ~20m (RMS)
In-Plane
October 2001
Alignment
Principe:
RASNIK
Projective
alignment
Marcel Vreeswijk
Een magneet
spoeltje….
Muon Precisie Kamers
Aluminium Drift Buizen (3cm) met
draad op 3500V
Meet drifttijd --> afstand tot draad
•Een Muon Detector (Kamer)
bestaat uit 2x3 Drift-buis-lagen
•in ATLAS ~1200 kamers; op
NIKHEF maken we 100 kamers
October 2001
Marcel Vreeswijk
October 2001
Marcel Vreeswijk
Een botsing (event) in ATLAS
Om de 25 ns (40 MHz) vliegen er
pakketjes deeltje op elkaar. Er kunnen >10
botsingen tegelijk gebeuren.
De interessante botsing vinden we door
naar hoge impulsen te kijken
pp  XH



H  ZZ     







Key issue: select high p


Tot slot….
Wat verwachten we van ATLAS (LHC), vanaf 2006
•Hoge gevoeligheid voor de Higgs:
>5 std. dev.=(ontdekkingslimiet) over
breed massagebied
ATLAS
2008
30fb-1
•Verbeterde meting Top en W massa
(test consistentie Standaard Model)
•Misschien: Nieuwe Fysica
(‘Supersymmetrie)
115 GeV
October 2001
Marcel Vreeswijk
E measurement
e
• Principle:
• particle looses energy in matter
• stop particle completely
• energy  measurable signal
(ionization, fluorescence, …)
e

e

E/E1%
Module building and QA
• Assembly set-up has been built
(Fred Hartjes)
• First dummy modules have been
made:
x precision : 2 micrometer
y precision : 5 micrometer
z precision*:15 micrometer
* module thickness
• Set-up has been built to test readout and test several modules