Física do LHC - Nautilus - Universidade de Coimbra

física do LHC
joão carvalho
departamento de física da universidade de coimbra
universidade de verão ::: 24 julho 2012
1
astrofísica olha
física de partículas
olha para a matéria nas suas
dimensões mais pequenas
para a matéria nas suas
dimensões maiores
microscópios
aceleradores
e detectores
binóculos
telescópios
olho nu
duas fronteiras da física
to study elementary particles and
fundamental interactions
produce particle beams and collide them: accelerators
look into the result: particle detectors
6
CERN and the Large Hadron Collider
(LHC)
CERN 2nd site
CERN main lab.
Geneva airport
SPS accelerator
LHC accelerator
7
LHC – the most powerful man made accelerator
27 km perimeter, ~100 m underground, at the swissfrance border, close to geneva
the largest cryogenic (superconducting) installation
in the world, cooled by liquid helium at 1.7 oK, cooler
than outer space!
8
protons travel in opposite directions and
collide at detectors’ center
9
p→
LHC
← p
տ
H
2
E=mc
design center of mass energy is 14 TeV (now
operating at 8 TeV), with very high luminosity (rate
of proton-proton collisions)
protons velocity very close to velocity of light in
vacuum (99.9999991% of c)
11
the LHC cryogenic system cools 24 km of
superconducting magnets, operated at 1.7 oK, which
generate a 8.33 T magnetic field (Earth: 0.000030.00006 T) to curve the beam
LHC detectors
21
inside a LHC detector
HCAL
muon
chambers
tracking chambers
ECAL
magnet
the CMS detector weights as much as the Eiffel tower!
22
ATLAS experiment (A Toroidal Lhc ApparatuS)
23
ATLAS cavern (before detector installation)
who built and work in ATLAS?
more than 3000 scientists from almost 200
universities and laboratories of 38 countries
19
25
who built and work in ATLAS?
more than 3000 scientists from almost 200
universities and laboratories of 38 countries
19
26
ATLAS detector
28
“classic” view: 8 barrel toroids and calorimeters
29
partial view of the ATLAS control room: before
data taking
31
GRID computing and the LHC
several Petabytes of data are acquired each year
by each of the LHC experiments
computing power needed to process this data, and
to generate and process the equivalent simulated
data, is about 200k processors
computing GRID idea: transparent share of data
and computing resources, installed in different
locations (for about 6000 scientists of 500
institutions all over the world)
(LHC) particle
physics primer
33
o que se sabe?
…que a matéria é feita de partículas (“física de partículas”)
um átomo
núcleo e
eletrões
~10-10m (Å)
−
+
+−
−
+
a atração/repulsão
elétrica é produzida
pela troca de fotões
(bosões!)
-
−
+
1. esta é a interação eletromagnética
• o núcleo do átomo possui carga positiva
• é constituído por protões (p) e neutrões (n)
• os protões e neutrões são constituídos por
partículas ainda mais pequenas: os quarks
os quarks são
mantidos ligados
pelos gluões
2. esta é a interação forte
decaimento beta
o neutrão (livre) é “radioativo”, decai (com uma vida média
de 15 minutos) num protão, num eletrão e num antineutrino
(o parceiro leve sem carga do eletrão)
este decaimento é muito fraco (15 minutos é uma eternidade…)
mas sem esta interação o sol não funcionava!
3. esta é a interação fraca
4. esta é a interação gravítica
modelo padrão de física de
partículas
1)
partículas elementares: quarks e leptões
2) e interações fundamentais: as 4 forças da
natureza
mesma
interação
algumas das questões em aberto
no modelo padrão
• porque existem 3 famílias?
• origem da massa das partículas?
• origem comum das interações? unificação?
• constituição da matéria e energia escuras?
• diferenças matéria-antimatéria?
• “oscilações” de neutrinos?
• etc.
there are still many
fundamental questions
in particle physics to be
answered
why and which differences exist
between matter-antimatter?
what is the dark matter and the
dark energy, which are more than
95% of the Universe?
supersymmetric particles? WIMPs?
exotic particles?
52
o balanço de
energia do
universo
elementos pesados:
0,03%
neutrinos: 0,3%
estrelas:
0,5%
hidrogénio e
hélio 4%
matéria negra
25%
energia negra
70%
what is the origin of the particles
mass?
what is the mechanism of mass generation for the
fundamental particles, as quarks and leptons, and
why they are so different? Higgs boson?
54
microscopic black hole
55
LHC startup
56
starting in September 2008 and restarting, after
repairs and improvements, in November 2009, the
first splash and beam scrapping events were
registered
high energy proton-proton collisions at the LHC
started at 30th march of 2010, and the beam
collision energy record (7 TeV) was broken!
collisions at high energy are being acquired every
day (now at 8 TeV)
57
LHC control room
60
sep08
61
LHC collisions
67
display of a high energy high multiplicity collision event
69
pile-up
event with
7 vertices
(p-p
collisions)
70
first physics
studies with
beam collisions
at LHC
78
X→µ+µ-
µµ invariant mass spectrum (all the major
91
particles and resonances rediscovered)
92
94
measurement of production cross-sections
and comparison with theory predictions 96
physics search
example: Higgs
boson at LHC
97
Higgs mechanism
was proposed in 1964 independently and almost
simultaneously by three groups of physicists: François
Englert and Robert Brout; by Peter Higgs (inspired by
ideas of Philip Anderson); and by Gerald Guralnik, C. R.
Hagen, and Tom Kibble
98
bosão de Higgs
logo após o Big Bang as partículas não tinham
massa
à medida que o Universo arrefeceu formou-se o
“campo de Higgs”, que preenche todo o cosmos
partículas como os bosões W e Z adquirem massa
através da interação com este campo (maior
interação=maior massa)
potencial de Higgs
100
bosão de Higgs
outros bosões, como o fotão e os gluões, não
interagem com campo de Higgs e permanecem
sem massa
o bosão de Higgs é a partícula associada a este
campo, tal como o fotão está associado ao campo
eletromagnético
fração de decaimento
do bosão de Higgs para
o diferentes canais, em
função da massa
(desconhecida)
101
procura do bosão de Higgs: acontecimento γγ
102
procura do bosão de Higgs: espectro γγ
104
explicação
do gráfico de
medida da
produção do
bosão de
Higgs
105
procura do bosão de Higgs: limites (esperados e
observados) em função da massa
106
procura do bosão de Higgs: zoom do excesso
107
procura do bosão de Higgs: significância estatística
109
procura do bosão de Higgs: combinação dos
diferentes canais de decaimento
110
procura do bosão de Higgs: massa mais provável
112
procura do bosão de Higgs: massa elevada ☻
113
conclusions
115
excitation and prizes in the control room…
117
in particle physics, large, powerful and complex
accelerators and detectors are required: the LHC is
just the latest machine
accelerators and detectors allow to discover and
study new particles and interactions
after a huge effort and a long wait, LHC is running
with an excellent performance and, hopefully, for a
long time and producing surprising results
118
2010 was an important year in the final setup of
LHC, detectors calibration and tuning, and first
physics results (“rediscovery” of particle physics)
2011 and 2012 are the years of the first precision
measurements, more stringent limits and,
hopefully, some discoveries (surprises?)
a run in 2010-2011 at 7 TeV, and a run at 8 TeV in
2012, will be followed by a long stop and a new
long run at 14 TeV [2015]
119
data will be acquired for at least 10 years more,
and the analysis will take at least another 10: we
need you!
120
123
information on the status of ATLAS and LHC, live, at
atlas.ch
124
thanks to the
LHC team and
the ATLAS and
CMS
collaborations
for the machine,
detectors and
images, and all
the huge effort,
great physics
and fun
125