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LHC - 3 : Higgs e SUSY . IF-USP/ São Carlos OUT 2013

LHC - 3 : Higgs e SUSY . IF-USP/ São Carlos OUT 2013. J. A. Helayël CBPF / MCTI GFT – JLL. Algumas celebrações ~ Modelo-Padrão. “ On the Constitution of Atoms and Molecules ” N. Bohr , Philos . Mag. 26 ( 1913 ) 1 ( Part I), 476 ( Part II).

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LHC - 3 : Higgs e SUSY . IF-USP/ São Carlos OUT 2013

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  1. LHC-3:HiggseSUSY. IF-USP/SãoCarlosOUT 2013 J. A. Helayël CBPF / MCTI GFT – JLL.

  2. Algumas celebrações ~ Modelo-Padrão “OntheConstitutionofAtomsandMolecules” N. Bohr, Philos. Mag. 26 (1913) 1 (Part I), 476 (Part II). “Tentativo di uma Teoria dell’Emissione dei Raggi-Beta” E. Fermi, Ric. Scientifica4 (2) (1933) 491. “The Field Theory of Superconductivity” Progr. Theor. Phys. 9 (1953) 550. Rubbia (UA1) - Jenni (UA2) (1983) Bósons – (W e Z) noSuper-ProtonSynchrotron.

  3. Nobel-2013: Englert-Higgs(de 7 para 2!) • Salam;[Brout, Englert]; Higgs;[Guralnik, Hagen, Kibble]. • “for the theoretical discovery of a mechanism that contributes to our understanding of the origin of mass of subatomic particles, and which recently was confirmed through the discovery of the predicted fundamental particle, by the ATLAS and CMS experiments at CERN's Large Hadron Collider.” • 23Prêmios Nobel relativosao M-P (1933 – 2013).

  4. O que são as Interações Fundamentais? (Em que medida uma interação é considerada fundamental?) Gravidade (GN) Eletromagnetismo (α) Força Nuclear Forte (gs) Força Nuclear Fraca (GF) 5a Força? (composição do Higgs) Interações Fundamentais ~ Escalas distintas Como pensar em Unificação?

  5. Esquema geral de um programa de unificação • Setor de matéria/representações especiais dogrupo da simetria de unificação. • Setor de bósons vetoriais. • Como gerar as escalas ? (Nambu/Supercondutividade): que elemento novo trazer com este fim? • Vínculos: simetria relativísticae vácuo não-trivial. • Chega-se a um setor extra à matéria e aos bósons intermediários: setor de Higgs. • (O que dizer sobre a elementaridade de escalares?)

  6. M-P e novos cacifes/desafios em 2013 Cacifando: ABR 2013: CMS – 6.7 Sigma para H em ZZ, com 125.8 GeV; H é escalar.(Pseudo-escalar e s=2excluídos. ) NatureJUL 2013: “Let it B”. Violação de CP no decaimento do Bs0. OUT 2013: Q w (p) – medição da carga fraca do próton. Desafiando: PRLJUN 2013: evidência de uma nova categoria de hádrons (mésons de 4 quarks, tipo-charmonium). PRLAGO 2013: excesso de e+ com E>10 GeV em raios cósmicos.

  7. ATLAS,CMSNovo bóson identificado “Observationof a newparticle in the search for the SM Higgsboson withtheATLAS detector atthe LHC” Phys. Lett. B716 (2012) 1. “Observationof a newbosonat a massof125 GeV withtheCMS experimentatthe LHC” Phys. Lett. B716 (2012) 30. ABR 2013: CMS – 6.7 Sigma para H em ZZ, com 125.8 GeV; H é escalar.

  8. LHCb ~Modelo-Padrão resiste. A presente situação. “Firstevidence for thedecayofBs0into µ+µ-” Phys. Rev. Lett. 110 (2013) 021801. MSSM sofre abalo com o decaimento raro dos Bs0 . M-P OK. Problema com a SUSY? (“SUSY hospitalizada?”) Ou com algum mecanismo específico?

  9. Simetrias, Representações, Mecanismos:reflexão teórica que nos localiza na questão. Simetria:em nosso caso, aSUSY. Representações:campos/partículas parceiras (supermultipletes). Mecanismos:implementaçãoequebra da SUSY. Escala da SUSY:SUSYpresente nos aceleradores? Naturalidade: mSUSY ~ O (1 TeV).

  10. SUSY define modelos específicos SM ~ 19 parâmetros MSSM ~ 124 parâmetros Uma quebraparticular de SUSY define um modelo específico. Gravity-mediated SUSY (mSUGRAouCMSSM) Gauge –mediatedSUSY Anomaly-mediated SUSY

  11. Como localizar a SUSY frente ao M-P? • Por que uma ΦaMP? • SUSY seria o melhor candidato a uma nova Φ ? • Busca de uma (ou mais) escala (s) para a quebra da SUSY; • Relação entre SUSY e Higgs; • Novas simetrias, novos parâmetros,Higgses com carga; • Parceiros supersimétricos nos loops: efeitos de precisão detectáveis em aceleradores.

  12. Momento magnético anômalo do muon • Teste de precisão do M-P. • a μ SM = a μ(QED) + a μ(EW) + a μ(had). • Sensível a uma Φ além da escala eletrofraca. • a μ = 116 591 801 x 10 -11 • aμ(exp) = 116 592 089 (54) x 10 -11 • Δaμ = 288 x10 -11: possível nova Φ.

  13. TQCseIFs .1926: Dirac - Formalização da MQ. . 1927: Dirac, Jordan - Fundamentos das TQCs. . 1927: Dirac - TQ da Dispersão (Fundamentos da QED.) (Ano também do Princípio da Incerteza.) . 1º/01/1928:Dirac - TQR para o elétron (pósitron virá em 1931). . 1930: Fermi / Majorana–Pauli / Weisskopf QED(trabalhando na formulação: problema dos escalares). Fazem sentido escalares/bósons carregados em uma TQR?

  14. Repercussões Charles Darwin to Bohr (DEC 1927): ‘Dirac hasnowgot a completelynew system ofequations for theelectron which does the spin right in all cases andseems to be“thething”.’ Heisenberg to Bohr (JUL 1928): “I findthepresentsituation quite absurdandonthataccount, almost out of despair, I havetakenupanotherfield, trying to understandmagnetism.” Heisenberg to Pauli (AUG 1928): “ThesaddestchapterofmodernPhysics is andremainsthe Dirac theory.”

  15. Avanços em TQCs:Simetrias. .1930: Dirac - “TheProton” (Nature) (bases para a sim-C). .1931: Pauli - Hipótese dos neutrinos (só aparecem em 1956). .1931: Dirac – Predição do pósitron, anti-próton (sim-C); monopólos magnéticos; quantização da carga. Três grandes questões em um único trabalho: Proc. Roy. Soc. A133 (1931) 60. .1º/OUT/1931: Histórico seminário em Princeton – Dirac e Pauli. Motivação fundamental do Dirac: universalidade da carga.

  16. Germinando a Física das Interações Fracas(Anos-’30) .1932: Descobertas –pósitronenêutron(Rutherford: 1920). (O anti-próton só foi descoberto em 1955.) .1933: Fermi – “On QED”. Fermi propõe o 4º campo:interações fracas. (A Naturenão aceita o paper: “muito fora da realidade”.) .1935: Yukawa prevê a existência dos mésons-π(fortes/fracas). .1936: Descoberta segunda família:múons(Poderiam ser os πs ?) (πs somente em ‘47, em raios cósmicos; ’48, em aceleradores.) .1938: Oskar Klein:“A TheoryofEverything”.

  17. Repensando o Método Científico Rutherford: “I wouldhaveliked it betterifthetheoryhad Arrivedaftertheexper ’l factshadbeenestablished.” Repensando a relação abstrato/teoria x concreto/experimentação. Dirac: PRS (Edinburgh, 1939) “OntheRelationbetweenPhysicsandMathematics”.

  18. Fase-anos ‘50 do Programa das Is Fracas(Diálogo contínuo teoria/experimentos: definindo direções.) • 1949 – 1950: Feynman-Schwinger-Tomonaga. • 1951, 1952: Salam - QED para portadores escalares • (Em 1963, QED para portadores com spin-1.) • 1952: Salam – TCs para a Supercondutividade. • 1954: Teorias de Yang-Mills-Shaw. Bósons vetoriais sem massa. Problema da geração de escala. • s=0 x s=1. .

  19. Fase-anos ‘50 do Programa das IFs • 1956: ICPPh - Seattle: Lee – Yang:Violação da Paridade. • 1957: Salam revê os resultados de de Y-M-S: Simetria quiral e reforça a questão dos portadores de s=1 e o papel dos escalares(novos acoplamentos: Yukawa) Sinal verde para o Higgs: escalares acoplam os setores-L e -R. • Escalares restauram unitariedadeviolada por bósons vetoriais massivos. • 1958: Nambu (Spcondutividade em Física de Partículas) P. W. Anderson (1962: “Plasmons, GaugeInvarianceandMass”).

  20. Fase-anos ‘60 do Programa das Is Fracas(Fenomenologia) .1961: Gell-Mann/Ne’eman – SU(3),EightfoldWay (u, d, s). .1962: Lederman: 2’a espécie de neutrinos : neutrino-μ. .1963:Cabibbo – “UnitarySymmetryandLeptonicDecays” (PRL) Supressão de correntes neutras com variação de estranheza: idéia de um ângulo de mixing entre (d,s) (base para CKM). .1964:Bjorken/Glashow – “ElementaryParticleand SU(4)” Novo quark: charm, completando a 2’a família de quarks. .1964: Cronin-Fitch detectam violação de CP em sistema de káons. .1968: SLAC – (Fenômeno: DIS) – Evidência dos quarks. .1970: GIM – Nova argumentação para o charm.

  21. Fase-anos ‘60 do Programa das IFs(Teoria de Campos – Problema: geração de massa) .1960: Nambu – “A SuperconductorModelofElementaryParticles”. .1961: Glashow – “Partial-SymmetriesofWeakInteractions”. .1961: Gell-Mann, Glashow – “GaugeTheoriesandVectorParticles”. .1962: Goldstone, Salam, Weinberg – “BrokenSymmetries”. .1964: Higgs –“Brokensymmetries, MasslessParticles, andGaugeFields”. .1964: Englert, Brout – “BrokenSymmetryandtheMassofGaugeVectorBosons”. .1964: G, H, K - “Global ConservationLawsandMasslessParticles”. .1964: Salam, Ward: “ElectromagneticandWeakInteractions”. .1966:Higgs – “SSB withoutMasslessBosons”. .1967: Weinberg - “A ModelofLeptons”. .1968:Salam – “WeakandElectromagneticInteractions”.

  22. O Prof. Higgs torna-se o Bóson • “A PhenomenologicalProfileoftheHiggsBoson” NP B106 (1976) 292 Ellis, Gaillard, Nanopoulos Última frase do paper que batiza o Bóson: “..... For thesereasons, we do notwant to encourage big experimental searches for theHiggsboson, butwe do feel thatpeopleperformingexperimentsvulnerable to theHiggs bosonshould know how it mayturnup.”

  23. O essencial da Física do Higgs(O Higgs no cenário Eletrofraco) Decaimento-β do nêutron:(u, d)(e, νe) + réplicas/espécies. Simetria:SU(2) x U(1), correspondentes #s quânticos. Como se localiza o Higgs:(φ,h), dublete de SU(2) com carga U(1). Interações com a matéria:yψLhψR , gψLAψL , gψR AψR . Acoplamentos mais robustos com os léptons mais massivos: y ~ mf. Interações com os bósons vetoriais:gh B2, g2h2 B2. {Ws, Z0 , fóton}.

  24. O essencial da Física do Higgs(O Higgs no cenário Eletrofraco) Auto-interação:V = ah2+ bh4. Vácuo não-trivial:h= v0+H(Hflutua estavelmente). y, g, v0 fornecem as escalas de massa. (Massas no setor de quarks: matriz de CKM.) Escala de energia gerada:v0 = 246 GeV (escala eletrofraca). 19 parâmetros na Teoria Eletrofraca! Cenário quântico: SuSy?Por quê?

  25. Teoria Eletrofraca + QCD: Modelo-Padrão. • 1960 – 1968: Teoria Eletrofracaé constituída. Interações e.m. e nucleares fracas têm origem comum: UNIFICAÇÃO em 246 GeV. • 1973: Kobayashi, Maskawa - violação-CP previsão teórica da 3’a geração de quarks. • GargamelleChamber – CERN: descoberta as correntes neutras em experimentos com neutrinos.

  26. Teoria Eletrofraca + QCD: Modelo-Padrão. No setor FORTE: .1969: Novo fenômeno - Scaling em DIS (SLAC). Symanzik: Liberdade Assintótica (em que bases fundamentar?) . 1972 – 1973: Liberdade assintótica nas teorias de Y-M: SU(3)cor ~ QCD. (Gross, Politzer, Wilczek). Configura-se o M-P: SU(3) x SU(2) x U(1), com quebra de simetria induzida pelo Higgs (E~ 246 GeV) para SU(3) x U(1), que são as simetrias presentes nas energias acessíveis.

  27. q's: (u, d); (c, s); (t, b). l's: (e, ve);(μ, vμ); (τ, vτ). Bósons de gauge Higgs Monopólos Magnéticos. InteraçõesXDimensões Visão de Yang-Mills (Geometrização)

  28. Anos ’70: Gravitação, SUSY e SUGRA (FaMP) • 1973: Retomada da Quantum Gravity. • 1973: SUSY no cenário das IFs. • 1974 – 1978: do M-P para a Grande-Unificação. • 1975: SUSY QED (fotino). SUSY e problemas relativos a escalares. • 1976: SUSY e Gravitação: SUGRA (gravitino). • 1978: SUSY e dimensões > 4: K-K renasce; Preons.

  29. Grandes Questões??? • 3 gerações de matéria observadas; 4’a geração? • Uma nova dinâmica preônica para a quebra e-f. • Partícula de Higgse massa da matéria(LHCb: violação-CP; • fase da matriz de CKM sensível a uma фaMP; • sensível a possíveis Higgses carregados: B-decays.) • Monopólos magnéticos. • Dimensões (GUTs). • Novas partículas (SUSY). • Decaimento do próton / SUSY (1033 anos) • Neutrinos massivos/oscilações.

  30. Física com/semHiggs Unitariedade perturbativa: ~ 710 GeV (composto? Nova física?) M-P em boa forma indica Higgs~ 125 GeV. Medições da massado quark-t e dos bósons-W são compatíveis com a massa do Higgsnesta mesma escala. DEZ/2011: Resultados do ATLAS e do CMSexcluem, conjuntamente, Higgsabaixo de 122.5 GeVe entre 129 e 539 GeV. O Higgs fica armadilhado entre 122.5 e 129 GeV. JUL/2012: ATLAS e CMS identificam bóson na faixa 125 – 126 GeV. Se o bóson encontrado é o Higgs do M-P: o que significa esta descoberta? Se o Higgs é descartado: restam alternativas ao M-P? Novos cenários?

  31. O que o LHC/ATLAS-CMSpoderia revelar? Bóson de Higgs Partículas supersimétricasx SUSY Dinâmica (forte) da quebra eletrofraca Novas gerações de quarks/léptons Novos bósons de gauge (W’ , Z’) Preons LEDs Grávitons massivos Buracos negros Matéria escura (strangelets/ALICE) Monopólosmagnéticos Unparticles. Lembrando que LHC é também ALICE, LHCb, LHCf.

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