Qual é o estado da pesquisa da partícula de Higgs?

Que significado tem a sua descoberta?

João Varela

Investigador no LIPVice-director da Colaboração CMS

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O que é o bosão de Higgs?

4,15 milhões respostas

Wikipedia:

The Higgs boson is a hypothetical elementary particle predicted by the Standard Model (SM) of particle physics.

It belongs to a class of particles known as bosons, characterized by an integer value of their spin quantum number.

The Higgs field is a quantum field with a non-zero value that fills all of space, and explains why fundamental particles such as quarks and electrons have mass.

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Higgs: Partícula ou Campo?

Princípio básico da teoria quântica:A cada partícula está associado um campo

Prémio Nobel de Einstein:

Ondas de luz consistem em corpúsculos de energia (quanta) designados por fotões

Em geral, o campo electromagnético (ondas rádio, micro-ondas, luz, raios-X) consiste em fotões.

Partícula de Higgs Campo de Higgs

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O que é a massa?A massa é uma propriedade básica dos constituintes elementares da matéria (partículas)

Sem massa não haveria átomos, planetas, galáxias, Universo

Einstein: partículas sem massa (m=0) deslocam-se à velocidade da luz

Caso de partícula ao repouso:

E=mc2 : massa = energia (c = velocidade da luz )

No caso geral:

E2 = (mc2)2 + (pc)2 energia de massa + energia cinética

Fotões e outras partículas sem massa: E=pc

GeV

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Matéria ordinária

O Modelo StandardTeoria que descreve as partículas fundamentais e as suas interacçõesAcordo extraordinário com todos os resultados experimentais conhecidos

1 Elemento em falta: Higgs

Confirmado com precisão melhor que 1%5

O Higgs e a origem da massaAs equações da teoria inicial só faziam sentido se todas as partículas tivessem massa nula e se deslocassem à velocidade da luz

As equações descrevem a interacção ElectroFraca: Simetria Electro-Fraca

Mas:Interacção Electromagnética:

Fotão m=0

Interacção Fraca (radioactividade, Sol)Bosões W e Z m~80-90 GeV

Campo de Higgs nas equações:Quebra da simetria no mínimo de energia do

HiggsO campo de Higgs existe em todo o espaço As partículas adquirem massa (excepto o

fotão) através da interacção com o campo de Higgs.6

A escala de energia do LHC Modelo Standard não funciona a alta energia sem a partícula de Higgs ou sem outra “nova física”

Com base na compreensão presente da teoria e das observações experimentais, esperamos que a “nova física” se manifeste a uma energia inferior a

1 Tera-electronVolt (TeV) = 1012 electronVolt

acessível no LHC pela primeira vez.

A massa do Higgs deve ser inferior a 1TeV

Para além da partícula de Higgs:Existem indícios de que outra física poderá ser revelada pelo LHC (supersimetria? dimensões escondidas?)

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Colisões de protões no LHC

Collision rate

LHC 2010-12:Collision Energy 7 TeVLuminosity 1032-34 cm-2s-1

~ 13

ord

ers

of m

agni

tude

9

Acelerador LHC

Detectores LHC

ATLAS CMS

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12

Candidato Higgs decaindo em dois fotões

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Espectro de massa de pares de muões

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Eventos com dois muões Pesquisa de partículas X que decaem em dois muões:

Calcula-se m(X) a partir da energia-momento dos muões

Espectro de massa: número de eventos em função da massa

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Redescoberta do modelo standard no LHC

Descoberta original

Redescobertano LHC

Massas do Higgs, top e WAs massas do Higgs, quark top e bosão W são interdependentes no MSAs medidas das massas do top e do W permite prever a massa do Higgs

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Decaimentos do Higgs

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Decaimentos do Higgs no Modelo StandardNoutros modelos mais complexos pode ser diferente

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5 exclusive final states9 exclusive final states5 exclusive final states

5 exclusive final states3 exclusive final states

8 exclusive final states6 exclusive final states

2 exclusive final states

Pesquisas do Higgs (dados de 2011)Mode Mass Range Data Used

(fb-1)Mass

resolutionDocument

H γγ 110-150 4.8 1-3 % arXiv:1202.1487H bb 110-135 4.7 10 % arXiv:1202.4195H ττ 110-145 4.6 20 % arXiv:1202.4083

H WW 2l 2ν 110-600 4.6 20% arXiv:1202.1489H ZZ 4l 110-600 4.7 1-2% arXiv:1202.1997

H ZZ 2l2τ 190-600 4.7 10-15% arXiV:1202.3617H ZZ 2l2j 130-165/200-600 4.6 3% arXiv: 1202.1416H ZZ 2l2ν 250-600 4.6 7% arXiv: 1202.3478

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H ZZ 4 leptões

Espectro de massa de 4 leptões

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Limites experimentaisLimites na secção eficaz (probabilidade) de produção do Higgs no canal H ZZ 4 leptões

Secção eficaz medida, relativa à secção eficaz prevista no MS

= 1, a secção eficaz é com 95% de confiança igual ou inferior ao MS

limite medido experimentalmente

limite esperado, obtido por simulação

bandas de incerteza no limite esperado (1 e 2 desvios padrão)

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Todos os canais combinadosPequeno decréscimo do excesso a 126 GeV (comparado do Dezembro)

Limites no Higgs em ATLAS

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Bosão de Higgs excluído 127.5 - 600 GeV

Limites no Higgs em CMS

Excluded

Zoom na região110 a 145 GeV

Todos os canais combinados

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Consistência com o Modelo Standard

Consistência com o MS por canal de decaimento:Valor mais provável da secção eficaz (relativa ao

MS)

para a massa:

m = 125 GeV

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Pesquisa do Higgs no Tevatron

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Excluded

Comparação ATLAS - CMS

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Comparação ATLAS - CMS

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Comparação ATLAS - CMS

A probabilidade de observar uma flutuação estatística na mesma região de massa nas duas experiências não é desprezável.

Os dados actuais não têm precisão estatística suficiente para afirmar se o excesso é devido a um sinal do Higgs ou a uma flutuação do background.

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Em 2012 devem ser adquiridos dados suficientes para descobrir ou excluir o Higgs do Modelo Standard

Luminosidade necessária:20 fb-1/expt ( 4 x

2011)

Pesquisa do Higgs em 2012

As primeiras três semanas de operação do LHC em 2012 indicam que este objectivo será provavelmente alcançado

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Apontamentos finais

LHC é uma das grandes odisseias científicas da história da Humanidade

A descoberta do campo de Higgs, se acontecer, será um marco na Física

O modelo de colaboração entre cientistas de todo o Mundo utilizado pelas experiências no LHC encerra uma mensagem de grande esperança

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Backup

The Higgs mass from SM fits

> >

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Higgs and hierarchy problem

Higgs mass is a huge problem: Virtual SM particles in quantum loops contribute to the Higgs mass Contributions grow with Λ (upper scale of validity of the SM) Λ could be huge – e.g. the Plank scale (1019 GeV) Miraculous cancelations are needed to keep the Higgs mass < 1 TeV

This is known as the gauge hierarchy problem

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 New physics at a few TeV?

Excluded to avoid fine-tuning

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There are a large number of models which predict new physics at the TeV scale accessible at the LHC:  Supersymmetry (SUSY) Extra dimensions Extended Higgs Sector e.g. in SUSY Models Grand Unified Theories (SU(5), O(10), E6, …) Leptoquarks New Heavy Gauge Bosons Technicolour Compositeness

Any of this is what the LHC hopes to find ... ... apart from the Higgs

 New physics at LHC?

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World-wide collaborations

CMS:38 Nations~3500 physicists ~800 PhD students

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It’s collaborative!

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CMS detectors

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ATLAS detectors

24 m

7000 Tons

Ondas rádio Forças magnéticas Luz

Campo electromagnético

Campos de forças eléctricas ou magnéticas são manifestações diferentes de um único campo de forças electromagnéticas

Equações de Maxwell, século XIX

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H → γγ MVA Results

MVA’s for vertex ID, γ and γγ IDComplementary analyses

Baseline: Polynomial fit of mass spectrumCross-check: More sophisticated technique uses sideband subtraction technique without parameterization

VBF again split off separatelyDominates in vicinity of 124-125 GeV

Local significance drops 3.1s → 2.9s

LEE significance 1.8s → 1.6s

(range 110-150 GeV)

110-111, 117.5-120.5, 128.5-132, 139-140, 146-147 GeV SM Higgs excluded at 95% CL.

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Summary of H ZZ, WW, bb, tt

HZZ2l2n

HZZ2l2jet

HZZ2l2t

H tt

HbbHWW

Publications submitted Feb 6 2012

42Updates for Moriond 2012

Individual Higgs channels

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Confidence limits

High & Low Mass Resolution Channels

The two sets have nearly identical sensitivityThe γγ+4l group shows a localized excess >2σ around mH=121-125 GeVThe WW+ττ+bb group shows a broad excess, reaching 2σ around 115-125 GeV

High mass resolution channels: γγ + 4l Low mass resolution channels: WW + ττ + bb

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p-values and SM consistency

Local p-value 2.8σGlobal p value 0.8σ (110-600 GeV)Global p-value 2.1σ (110-145 GeV)

2009: Primeiras colisões no LHCNovember 23, 2009 December 14, 2009

March 30, 2010First collisions at 900 GeV First collisions at 2.36 TeV First collisions at 7 TeV

First collision at 7 TeV in CMS

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