Higgsin bosonin etsintä CMS-kokeessa LHC:n vuosien 2010 ja 2011 datasta CERN, 13 joulukuuta 2011

Transkriptio

1 Higgsin bosonin etsintä CMS-kokeessa LHC:n vuosien 2010 ja 2011 datasta CERN, 13 joulukuuta 2011 Higgsin bosoni on ainoa hiukkasfysiikan standardimallin (SM) ennustama hiukkanen, jota ei ole vielä löydetty hiukkaskiihdytinkokeissa. Sen löytyminen olisi merkittävä askel eteenpäin alkeishiukkasten massojen ymmärtämisessä. Jos taas standardimallin Higgsin bosonia ei LHC:llä löydetä, tulos olisi myös merkittävä, koska se osoittaisi että tarvitaan vaihtoehtoisia standardimallia laajentavia teorioita kuvaamaan aineen perusrakennetta. Higgsin hiukkaset esiintyvät niissä toisella tavalla kuin standardimallissa, mutta LHC-kokeet on suunniteltu tutkimaan myös niitä. CMS-kollaboraatio esitti tänään uusimmat tuloksensa standardimallin Higgsin bosonin etsinnästä. Analyysissä on mukana kaikki LHC:n protoni-protoni-törmäyksissä vuoden 2011 loppuun mennessä kerätty data. Tämä aineisto vastaa 4.7 fb -1 :n integroitua luminositeettia [kts. referenssi FB]. Sitä käyttäen CMS voi tutkia Higgsin bosonin tuottoa lähes koko massa-alueella LEPkiihdytinkokeissa mitatun 114 GeV/c 2 :n (tai luonnollisissa yksiköissä lausuttuna 114 GeV:n [kts. Ref. GEV]) rajan yläpuolella aina 600 GeV/c 2 :een asti. Tulokset koostuvat useista Higgsin bosonin hajontakanavan analyyseistä: neljään leptoniin hajoavista W- tai Z-bosonipareista, raskaiden kvarkkien pareista, tau-leptoni-pareista ja fotonipareista (kuva 1).

2 Kuva 1. Tietokoneella rekonstruoitu kuva hiukkastörmäyksestä, jossa on kaksi yksittäistä suurenergistä fotonia. Fotonien energia on mitattu CMS-kokeen sähkömagneettisessa kalorimetrissa (energian suuruus on esitetty kuvassa punaisina torneina). Keltaiset viivat kuvaavat törmäyksessä syntyneiden muitten hiukkasten ratoja, jotka on mitattu CMS:n pii-ilmaisimilla. Higgsin bosonin hajoamiset kahteen fotoniin näyttävät tällaiselta. CMS:n alustavat tulokset sulkevat pois Higgsin bosonin olemassaolon laajalla massa-alueella, jonka rajat riippuvat mittauksen tilastotieteellisestä luotettavuustasosta [kts. Ref. CL] GeV 95% luotettavuustasolla (kuva 2a) GeV 99% luotettavuustasolla. Massa-arvon sanotaan olevan poissuljettu 95%:n luotettavuustasolla, jos sitä vastaava standardimallin Higgsin

3 bosoni olisi todennäköisempi kuin mittauksemme antaa yli 95%:ssa toistetuista kokeista. Kuva 2a: Standardimallin Higgsin bosonin 95% luotettavuustasolla poissuljettu massa-alue (alue, jossa vaikutusalan mittaustulosta esittävä yhtenäinen käyrä on ykkösen alapuolella). Analyysiin on käytetty 4.7 fb -1 LHC:n protoni-protonitörmäyksiä, jotka on kerätty ja sertifioitu CMS-kokeessa vuosina 2010 ja Varjostetut alueet näyttävät massa-alueet, jotka on suljettu pois CERNin LEPtörmäyttimellä, Fermilabin Tevatron-törmäyttimellä ja nyt CMSkokeessa. Katkoviiva ja sitä ympäröivät vihreät ja keltaiset nauhat osoittavat CMS:llä tehdyn vaikutusalan mittauksen arvioidun sensitiivisyyden tähän asti kerätyllä datamäärällä. Käytettävissä olevan datan perusteella CMS ei sulje pois standardimallin Higgsin bosonia massa-alueella GeV 95%:n luotettavuustasolla (kuva 2b). Tällä massavälillä kuvassa nähdään kuitenkin pieni leveä ylijäämä verrattuna malliin, jossa Higgsin bosonia ei tällä massa-alueella ole.

4 Figure 2b: Standardimallin Higgsin bosonin poissuljettu massaalue 95% luotettavuustasolla 160 GeV/c 2 pienemmille massoille. Analyysiin on käytetty 4.7 fb -1 LHC:n protoni-protonitörmäyksiä, jotka on kerätty ja sertifioitu CMS-kokeessa vuosina 2010 ja Tulosten perusteella ei siis voida vielä varmasti tehdä eroa kahden hypoteesin välillä, joista toisessa oletetaan standardimallin Higgsin hiukkasen olemassaolo, toisessa ei. Havaittu ylijäämä voi olla tunnettujen taustaprosessien määrän tilastotieteellistä vaihtelua riippumatta siitä, onko Higgsin bosonia olemassa tällä massaalueella. Vuonna 2012 suunnitellaan kerättävän niin paljon uutta dataa, että tilastollinen epävarmuus saadaan riittävän pieneksi jotta Higgsin bosonin olemassaolo tällä massa-alueella pystytään vahvistamaan tai sulkemaan pois. Nyt analysoidussa datassa näkyy kohouma massan 124 GeV/c 2 kohdalla ja sitä pienemmillä massoilla. Kohoutuman tilastollinen merkitsevyys on kuitenkin vähemmän kuin kaksi

5 standardipoikkeamaa (2s) verrattuna Higgsin bosonia sisältämättömän mallin ennusteeseen, kun Look-Elsewhere- Effect [kts. Ref. LEE] otetaan huomioon. Näin pieniä poikkeamia ei pidetä tilastollisesti merkittävinä. Jos kuitenkin oletetaan, että havaittu ylijäämä olisi ensimmäinen vihje standardimallin Higgsin bosonin olemassaolosta, voidaan todeta, että mitattu Higgsin bosonin tuottotodennäköisyys eli vaikutusala verrattuna Standardimallin ennusteeseen, s/s SM, on sopusoinnussa standardimallin ennusteiden kanssa kaikissa tutkituissa hajontakanavissa, vaikkakin suurten tilastollisten epätarkkuuksien puitteissa. Koska tilastollinen merkittävyys on toistaiseksi pieni, ylijäämä voidaan tulkita taustaprosessien tilastollliseksi vaihteluksi. Vuonna 2012 kerättävän data-aineiston odotetaan selvittävän havaitun ylijäämän alkuperän. References [REF: FB] html [REF: GEV] Suhteellisuusteoreettisen massa-energiaekvivalenssin (E=mc2) perusteella elektronivoltti on myös massan yksikkö. Hiukkasfysiikassa, jossa massaa ja energiaa käsitellään usein yhtenä ja samana, käytetetään yksikköä ev/c 2,, missä c on valon nopeus tyhjiössä. Vielä tavallisempaa on käyttää "luonnollisten yksiköitten" järjestelmää, jossa c=1 (ja E = m) ja yksinkertaisesti käyttää elektronivolttia massan yksikkönä (kts. Wikipedia).

6 [REF: CL] Luotettavuusraja on tilastollinen mitta sille, kuinka usein (prosenttia) testitulos on määrättyjen rajojen sisällä. Siten luotettavuusraja 95% tarkoittaa että tulos on odotuksen mukainen 95% yrityksissä. (kts. NADbank) [REF LEE]