1 Tevatron tightens up the race for the Higgs...by early 2011 they will have recorded enough data to allow them to either find or rule out the Higgs as.

Esitys aiheesta: "1 Tevatron tightens up the race for the Higgs...by early 2011 they will have recorded enough data to allow them to either find or rule out the Higgs as."— Esityksen transkriptio:

1 1 Tevatron tightens up the race for the Higgs...by early 2011 they will have recorded enough data to allow them to either find or rule out the Higgs as predicted by the standard model. ”Fermilab to Receive Additional $60.2 Million in Recovery Act Funding for High Energy Physics” ”It's On! "God Particle" Race Intensifies as Obama Tries to Keep Particle Smasher in Hunt” Syksyn 2009 uutisia:

2 2 Higgsin jäljillä Fermilab → CERN Helsinki Risto Orava HY 10.06.2009 2

3 3 Yhteenveto: Mikä Higgsin bosoni on? Missä Higgs luuraa? Mitä tehdä, jos Higgs löytyy?

4 4 Standardimalli Kvarkkien massat: 0.1 to 175 GeV leptonien massat: 0.1 - 1.8 GeV W, Z bosonit: 80 - 90 GeV (neutriinojen massat??) b- ja t-kvarkki sekä  Löytyivät Fermilabissa

5 5 Perushiukkasten massat ovat osa dynamiikkaa. Higgsin mekanismi on tapa luoda spin-1 –hiukkasille massa W – ja Z bosonien massat standardimallissa. Higgsin bosoni on Higgsin mekanismin jäännös – kokeellisesti havaittava. Kvarkkien & leptonien massat Higgsin mekanismin bonus. Standardimalli ’säteilykorjaukset’

6 6 Higgsin mekanismi Brout, Englert, Guralnik, Hagen, Higgs, Kibble (1964) havaittavissa oleva Higgsin bosoni v W- ja Z-bosonien syömät viritystilat Kosminen suprajohde: heikko vuorovaikutus rajoittuu 0.003 femtometrin sisälle Avaruuden skalaarikenttä (hajuton ja mauton!) yhtäkkiä virittyy tilaan, jolla on iso nollasta poikkeava energia (tyhjön odotusarvo, v). Tämä kentän fluktuaatio synnyttää spin-1 (bosonit) ja spin ½ (fermionit) -hiukkasten massat.

7 7  real  im  real  im  real  im  real  im  real  im  real  im Higgsin potentiaalit jokaisessa avaruuden pisteessä; Kentän fluktuaatiot liikkuvat vapaasti pisteestä toiseen. Sisäinen symmetriarikko

8 8

9 9 60% 40% 20% 0% 80% 100% ainetta neutriinot ! tähdet pimeä energia Pimeä aine Uudenlaista ainetta

10 10 KOSMISIA KIIHDYTTIMIÄ H W.Hofmann

11 11 gravitaatio pimeä aine & pimeä energia kosmologian inflaatio neutriinojen massat perusvuorovaikutusten ykseys... Monet perus- kysymykset vastausta vailla: Me yritämme selvittää syyn sähköheikon vuorovaikutuksen symmetriarikkoon.

12 12 Hiukkastörmäyttimissä hiukkasten liikemäärä pumpataan aina (10 -18 m) 3 tilavuuteen ja muunnetaan aineeksi ja energiaksi (E = mc 2 ). Hiukkaset ovat kvanttikenttien viritystiloja – kentät ovat fundamentaalisia olioita. Etsimme avaruuden ja ajan täyttäviä kenttiä epäsuorasti kysymällä: Mitä hiukkastiloja kentät synnyttävät? ħ = c = 1 Kvanttimekaniikka ja erikoinen suhteellisuusteoria

13 13 Missä Higgs luuraa? Higgsin bosoni kytkeytyy voimalla raskaisiin kenttiin ja heikosti keveisiin kenttiin (Higgsin bosonin vuorovaikutukset ovat verrannollisia massaan). Ongelma: Törmäyttimissä on käytettävä keveitä hiukkasia, koska vain ne elävät kyllin kauan.  Tarvitaan valtavia määriä törmäystapahtumia. (CDF-kokeessa syntyy miljoonia protoni-antiprotoni – törmäyksiä sekunnissa!)  Törmäyttimen ’nokkakolareissa’ 1,96 TeV:n verran liike-energiaa pakkautuu parhaimmillaan tilavuuteen (1 am) 3. – Syntyy paljon taustasäteilyä ja –hiukkasia... 1 TeV = 1,000 GeV = 1,000,000 MeV = 1,000,000,000 keV = 1,000,000,000,000 eV

14 14 Epäsuoraa tietoa Higgsistä: sähköheikon vuorovaikutuksen tarkkuusmittaukset QH(all)E tai (g-2) e Step 1: Mitataan 3 sähköheikon vuorovaikutuksen suuretta erittäin tarkasti  elinaika LEP1 (Helsinki in DELPHI) Step 2: lasketaan kvanttikorjaukset muihin observaabeleihin, jotka riippuvat suureista ja ainoa tuntematon suure SM Higgs-sektori

15 15 Tärkeimmät korjaustermit W/Z- massoihin Useimmat mitattavat suureet riippuvat voimakkaasti (neliössä) top-kvarkin massasta, m t, heikosti (logaritmisesti) Higgsin massasta m H Tarkka W-bosonin massa: m W = 80.401(0.044) GeV Ja top-kvarkin massa m t = 172.64(1.58) GeV mitattu CDF/D0-kokeissa.

16 16 Todennäköisin m H  90 GeV, poissuljettu m H ≲ 114 GeV, yläraja (95% C.L.) m H ≲ 160 GeV.  keskitetään Higgsin bosonin etsintä alueeseen: 114 GeV < m H < 160 GeV Yhdistetään tarkkuusmittaukset => m H

17 17 Muuten: Helsingin ryhmä ja top-kvarkin massan mittaus Motivaatio Standardimallin testaus Higgsin massa-alueen määritys Helsingin ryhmä: Di-lepton -kanava (T. Mäki, TkT 2009 - CERN Fellow) All-hadronic -kanava (P. Mehtälä, FT keväällä 2010) 17

18 18 HIGGSIN METSÄSTYS

19 19 http://www-bd.fnal.gov/public/index.html TEVATRON TÖRMÄYTIN - Fermilab protoni-antiprotoni -törmäykset/ 1,96 TeV L max = 3.5  10 32 cm -2 s -1 viikossa kerätty lumi- nositeetti  50 pb -1 vuodessa kerätty lumi  2 fb -1 Kokonaislumi/syyskuu 09 6.9 fb -1  6 fb -1 analysoitavana

20 20 Main injector & recycler Tevatron CDF antiprotoni- lähde Booster TEVATRON -TÖRMÄYTIN 40 mailia Chicagoon Kaliforniaan...

21 21 CDF- ja D0-kokeet TEVATRONilla törmäyspisteen ja jettien mittaus avainasemassa

22 22 1 TeV + 1 TeV proton-antiproton collisions energy frontier until 2010! The CDF Experiment at the Fermilab Tevatron

23 23 Luminositeetti: N events = L   Tevatronin alkuperäinen tavoite:  L dt  2 fb -1

24 24 CDF Standardimallin Higgsin metsästys CDF:tavoitteena on löytää Higgs! 21 eri Standardimallin Higgs-signatuuria käytössä. 8 muuta Higgs-signatuuria haettavana... Timo Aaltosen väitöskirja-aihe! 24

25 25 Protoni-(Anti)Protoni vaikutusalat antip-p vs. pp!  (gg  H o  bb)  (pp  bb) 25  10 -9

26 26  1000 fb  5 fb  200 fb  70 fb Miten Higgs syntyy 1.96 TeV energialla? Higgs syntyy vuoro- vaikutuksessa raskaisiin hituihin (top/W/Z) Signaali/Tausta -suhteet! Signatuurit? Vaikutusalat Higgsin massalle m H = 120 GeV

27 27 Higgs-säteily (Bjorken-prosessi) Signatuuri: leptoni (e or  ) + puuttuva E T + b-jettipari

28 28 Higgsin hajoaminen W + W - -pariin on kokeellisesti helppo havaita Signatuuri: kaksi leptonia (e or  ) + paljon puuttuvaa E T

29 29 CDF: Standardimallin Higgsin metsästys Assosioitu Higgsin tuotto WH → e/ , bb (Helsinki: Timo Aaltonen)* ZH →, bb ZH → ll, bb WH → l  bb VH → jj, ll ZH →  ll ZH → ll, ZH →  bb,  VH → jj bb (Helsinki: Petteri Mehtälä)* WH → WWW VH → ZWW VH, H → ZZ 29 * Tärkeitä uusia menetelmiä jettien ja hajontojen tunnistuksessa.

30 30 Yksittäisten Higgsien tuotto H → WW → e l ,  l, qq’ l H → WW → (e /  /qq’) qq’ gg → H → WW → e /  qq’ bb gg → H → bb gg → H → ll gg → H → WW → l  l  gg → H → ZZ gg → H → YZ (?) CDF: Standardimallin Higgsin etsintä 30 Keskeisdiffraktiivinen prosessi: pp  p + H o + p (LHC:n heiniä!)

31 31 Higgs nähty CDF-kokeessa?: ZH  bb näyttäisi tältä! 31 Monta Higgsiä on jo saattanut syntyä CDF- & D0-kokeissa...

32 32 SM hajoamiset (haaraantumissuhteet) määräytyvät Higgsin massan perusteella, m H Higgs hajoaa mielellään raskaisiin hituihin: m H ≲ 140 GeV bb pareihin, m H  140 GeV W + W - parit Kokeellisesti: B-kvarkit nähdään hiukkasryppäinä - jetteinä  b jet -energiat on vaikea mitata tarkasti W-bosonit nähdään e/  pareina  mitataan e/  + puuttuva E T m H = 140 GeV

33 33 Heikkobosonien fuusio: qq  qqH o Signatuuri: kvarkkijetit etu- ja takasuunnassa (isot p T :t) + jettipari keski-alueessa (W, ,...)

34 34 Top-kvarkeista eniten taustaa! Signatuuri: kaksi leptonia (e/  ) + b-jettipari + paljon puuttuvaa E T

35 35 Kokeeiden periaatteet: hiukkasuihkun näkökulma

36 36 Voidaanko kavarkkeja nähdä? (3) Elektronit, fotonit ja hadronit synnyttävät kaskaadeja kalorimetreissa. (2) Kvarkki-antikvarkki –pareja syntyy tyhjästä värikenttien fluktuaatioina; kombinoituvat värineutraaleiksi hiukkasiksi (pääasiassa  -mesoneiksi). Nopeimmat hiukkaset nähdään hiukkasryppäinä – jetteinä. (1) Lorentz-kontraktoituneet kvarkki-gluoni –paketit (protonit/antiprotonit) törmäävät. Kvarkit ja gluonit nokkakolaroivat ajoittain (hyvin harvoin!). Loput protonien/antiprotonien osasista jatkavat matkaansa tai aiheuttavat uusia törmäyksiä.

37 37 b- kvarkkien tunnistus avainasemassa b-kvarkit sitoutuvat hadroneiksi, jotka elävät vain hetken (10 -13 s) Erikoinen suhteellisuusteoria (aikadilataatio) auttaa – hajoamispituus kasvaa B-hiukkasen nopeuden funktiona. B-kvarkkitunnistus on Helsingin ryhmän Erikoisalaa...

38 38 Esimerkki: WH, H  bb Tevatronilla m jj (GeV) - lepton tag removes most of the QCD background - top quark final states remain: t  Wb  l + jj - QCD WW  l + bb - ISR give extra jets  look into angular distributions of b-jets and leptons ZH, WZ, ZZ, Wbb, Zbb, QCD+topWH, W/Z, Wbb, top 10 fb -1 see: L. Babubkhadia et al., PRD66(2002)010001 - top quark pair and di-boson backgrounds peak close to the Higgs mass - shapes of the mass distributions similar - 4-5  signal possible - need to understand the QCD backgrounds and detector response in detail top Wbb WZ WH signal!

39 39 New: Hki Group & Adaptive Informatics Research Centre,HUT 39

40 Multivariate analysis tools The Helsinki Group: Novel multivariate analysis approaches.

41 41 B-jet energy correction, flavor separator Neural Network b-jet energy correction to improve Higgs mass resolution. Made by Helsinki. Neural Network flavor separator. Validation with new tracking algorithms driven by Helsinki. 41 4-5%

42 95% C.L. exclusion for SM Higgs with m H = 163 – 166 GeV Yesterday For 115 GeV Higgs: Expected limit: 1.9 x  SM Observed limit: 2.8 x  SM

43 43

44 44

45 45

46 46 Current status at the Tevatron

47 47 A SUMMARY

48 48 WHAT NEXT? (IF Higgs is seen, need to scrutinize it!)

49 49

50 50 CMS Experiment 36 kansallisuutta 160 instituuttia 3000 tutkijaa 12500 tonnia 21,5m pitkä 4Teslan magneettikenttä 15m

51 51 1. PROTONI-PROTONI TÖRMÄYS CERNissä

52 52 Higgs at the LHC - main difference vs. tevatron: the step in energy (2  14 TeV) - LHC is a gluon collider! 52

53 53 VBF BECOMES ATTRACTIVE VBF covers most of the mass range

54 54 Central Diffraction produces two leading protons, two rapidity gaps and a central hadronic system. In the exclusive process, the background is suppressed and the central system has selected quantum numbers. J PC = 0 ++ (2 ++, 4 ++,...) Gap Jet+Jet      min  max Survival of the rapidity gaps? 1 Measure the parity P = (-1) J : d  /d   1 + cos2  Excellent mass resolution  S/B-ratio M X 2  1  2 s Proof of principle in CDF by Erik Brucken/Helsinki group

55 55 Leading Protons measured at -420m, -220m from IP1 & IP5 Leading Protons measured at +220m and +420m from IP1 & IP5 T1 T2 Castor T2 Castor Leading protons: RP’s at  220m and ±420m Fwd particle flows: T1, T2 & FSC (?) spectrometers Fwd energy flows: Castor & ZDC Risto Orava CMS T1 CMS + fp420 + TOTEM -unique fwd experiment cms-calorimetry + totem-tracking: unique fwd physics spectrometer for rapidity gap physics at the lhc

56 56 TOP mass measurements - top production a key to succesful Higgs & SUSY hunting at the LHC, mass resolution close to theoretical limit. Tevatron a crucial testground for CED Higgs at the LHC. Higgs: In-depth experience on background discrimination, new analysis techniques, jet energy calibration…, If the Standard Model Higgs exists, CDF should have hundreds of them! Together with D0, fair chance to see it. If not there, good chance to exclude it. Helsinki Group is an integral part of the CDF experiment since 7 years: 4-5 PhDs in all, expertise in silicon vertexing/tracking, operations... Tevatron – LHC transition started  Important lessons learnt at the Tevatron – we are well placed in the Higgs (and SUSY) hunting at the LHC  Central diffraction & weak boson fusion well covered by the LHC experiments. CONCLUSIONS 56