Eerste resultaten van de Large Hadron Collider op CERN

Paul de Jong, UvA en Nikhef Viva Fysica 2011

20 November 2009: de LHC is “back in business”23 November 2009: eerste p-p botsingen14 December 2009: p-p botsingen 1.18 + 1.18 TeV30 Maart 2010: p-p botsingen 3.5 + 3.5 TeVApril-oktober 2010: p-p run 8 November 2010: Pb-Pb botsingen

~ 1 miljard p-p botsingen geregistreerd

2

Pakketjes van 1011 protonen

Oktober 2010: 348 + 348 pakketjes(Later: 2808 + 2808)

Injektie in de LHC: 450 GeVVersnellen tot 3.5 TeV (later: 7 TeV)

Cruciale parameter: luminositeitDoel 2010: 1032 cm-2 s-1 Doel bereikt

Piek luminositeit105

3

Proton pakketjes: naald

Dipolen, quadrupolen, versnel-elementen

Bundels samenknijpen bij interaktie-punten

4 interaktie-punten4 grote detectoren

4

ATLAS experiment

25 m

174 instituten/universiteiten uit 38 landen

6

Het Standaard Model

Materie deeltjes

Kracht deeltjes

Higgs deeltje

8

Een (anti)proton is een zak quarks en gluonen (partonen)

Een harde pp botsing: botsing tussen partonen

Typisch 2 a 3 p-p botsingen per “bunch crossing”Meeste botsingen “soft”: schampschotenSlechts een fractie is interessant (Higgs: 1 : 1010)

Energie per botsing = 2P√(x1x2)

9

W,Z bosons

Top quarks

Higgs

Totaal (“soft”)N = L . sN = # eventsL = luminositeits = werkzame doorsnede

2010: ~ 106 p-p botsingen / sec

“Trigger”: real time selectie~ 300 botsingen/sec geregistreerd(450 Mbyte/sec naar disk)

10

2010: ~ 5000 Tbyte dataGekopieerd naar 10 grote analyse centra (o.a. Nikhef/SARA, Amsterdam Science Park)Verdere distributie naar instituten data analyse op PC’s en laptops

11

Muon spoor

Sporen vanGeladen deeltjes

Energie in calorimeters

12

1 m

Inner Tracker

Ks

p-

p+

Kaon ontdekking: 1947

Pixel detector (80M kanalen, 50x400 μm)Silicon strips (6M kanalen, 80 μm pitch)TRT (350k kanalen)

Impuls meting in 2 T magnetisch veld

Detectie van geladen deeltjes

13

Calorimeter

Electromagnetisch: Liquid Argon sampling calorimeter

Hadronisch: Staal + scintillator

p0 g

g

sinds 1950

Signalen van p0 8m14

Harde botsingen: “jets”

15

Marcel Vreeswijk (Nikhef/UvA-IoP)

Physics signals show up!

Muon spectrometer:1200 muon kamers350k drift buizen(“air core” toroidaal veld 0.5 T)

Ontworpen voor TeV muonen

Z bosonCERN, 1983Mass: 91.19 GeV

Muon Spectrometer 16

Marcel Vreeswijk (Nikhef/UvA-IoP)

m+

m-

? mass

Z werkzame doorsnede in nieuw domain=7TeV

1960

1963

1977

1974

1983

Muon-muon resonanties ?

Invariante massa van 2 muonen 17

W decays to muon + (unseen) neutrino. Missing transverse energy.

mnW

q

q’g

Transverse W mass: m

nMissingTransverse energy

W bosonen

~ 250000 verzameld in 201018

Marcel Vreeswijk (Nikhef/UvA-IoP)

Expected signature:EtMiss2 leptons2 b jets

Top quarkOntdekt in 1995Zwaarste deeltje ooit, 173 GeV

Top quarks19

Van >109 botsingen tot ~500 ttbar

events!

Top quarks

20

top quarks: theorie & experiment

Tevatron @ Fermilab: ~ 4000 top quark events

LHC haalt Tevatron in 2011 in: top quark eigenschappen, massa, produktie

21

Eerdere resultaten van zoektochten van:

LEP: e+e- , √s = 200 GeV (CERN) Tevatron: p anti-p, √s = 2 TeV (Fermilab)

Is 7 maanden LHC competitief met 25 jaar Tevatron?

Geintegreerde luminositeit:

Tevatron: 10 fb-1

(verwacht 10000 events voor σ = 1 pb)

LHC: 0.04 fb-1 (verwacht 40 events voor σ = 1 pb)

22

Zoeken naar nieuwe deeltjes

Ja, door de hogere energie

Higgs deeltje: staat centraal in Standaard Model

Standaard Model: unificatie zwakke / electromagnetische int.

Higgs deeltje geeft massa aan Z en W deeltjes

Maar Higgs massa zelf is onbekend!

23

2010: niet voldoende data

2011: betere vooruitzichten

Bij absentie van signaal: exclude 130 GeV < mH < 400 GeV

Bij signaal: ontdekking mogelijk voor 135 GeV < mH < 180 GeV

5 fb-1 nodig om gat met LEP te dichten

24

uitsluiting

ontdekking

Jet-jet resonanties

Gevoelig voor “excited quarks”: q* q + gluon

Met 3.1 pb-1 zetten we een limiet op de massa van excited quarks:

m(q*) > 1.53 TeV @95% CL

(Tevatron: 0.8 TeV) 25

Het Standaard ModelMaterie deeltjes

Kracht deeltjes

Higgs deeltje

26fermionen

bosonen

fermionen

bosonen?

Supersymmetrie

squarks

sleptons

gluinos

neutralinos

27

Simulatie!

Hoe zoeken we naar supersymmetrie bij de LHC?

In eerste instantie zoeken naar squarks en gluinos 28

Vers van de pers:

Nog geen aanwijzingen voor squarks/gluinos in 2010 LHC data … Limieten overtreffen eerdere experimenten

Som van energie van alle jets, leptonen en missende energie (GeV)

29

Pb Pb botsingen

(November 2010)

Pb: 82 protonen 126 neutronen

Centrale botsing:Nucleonen “smelten” tot quark-gluon plasma

Fase overgang in hadronische materie

Vermoedelijk ook ~ 10-6 s na de oerknal

30

UvA studenten kunnen meedoen in de zoektocht!

UvA volwaardig lid van ATLAS experiment

Kansen voor: bachelor projekten master projekten zomerstudent op CERN promotieplaatsen

-- meebouwen aan detektoren-- achter de knoppen zitten op CERN-- programmeren-- analyse van LHC botsingen

31

Vooruitzichten:

18 maart: masterclass voor bovenbouw VWO, zie http://www.nikhef.nl bestuderen van echte LHC botsingen hands-on oefeningen

LHC werkt fantastisch, maar we zijn nog maar net begonnen!Nog veel meer data in de pipeline, bij hogere energie

LHC run 2011: start 21 februari 2011 energie: 3.5 TeV of 4 TeV per bundel data sample 25 (of meer) keer zo groot als in 2010 waarschijnlijk ook 2012

2013: implementeren verdere beveiliging van magneten klaarmaken voor energie van 7 TeV per bundel

>2014: lange LHC run met 7 TeV per bundel, veel luminositeit

32