Qual é o estado da pesquisa da partícula de Higgs? Que significado tem a sua descoberta? João Varela Investigador no LIP Vice-director da Colaboração CMS 1

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. 2

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 3

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=mc 2 : massa = energia (c = velocidade da luz ) No caso geral: E 2 = (mc 2 ) 2 + (pc) 2 energia de massa + energia cinética Fotões e outras partículas sem massa: E=pc GeV 4

Matéria ordinária O Modelo Standard Teoria que descreve as partículas fundamentais e as suas interacções Acordo 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 massa As 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 Higgs O 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) = 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?) 7

Colisões de protões no LHC Collision rate LHC : Collision Energy 7 TeV Luminosity cm -2 s -1 ~ 13 orders of magnitude 8

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 14  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

Redescoberta do modelo standard no LHC 15 Descoberta original Redescoberta no LHC

Massas do Higgs, top e W As massas do Higgs, quark top e bosão W são interdependentes no MS As medidas das massas do top e do W permite prever a massa do Higgs 16

Decaimentos do Higgs 17 Decaimentos do Higgs no Modelo Standard Noutros modelos mais complexos pode ser diferente

Pesquisas do Higgs (dados de 2011) 18

H  ZZ  4 leptões 19 Espectro de massa de 4 leptões

20 Limites experimentais Limites 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)

21 Todos os canais combinados Pequeno decréscimo do excesso a 126 GeV (comparado do Dezembro) Limites no Higgs em ATLAS

Bosão de Higgs excluído GeV 22 Limites no Higgs em CMS Excluded Zoom na região 110 a 145 GeV Todos os canais combinados

23 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

Pesquisa do Higgs no Tevatron 24

25 Excluded Comparação ATLAS - CMS

26 Comparação ATLAS - CMS

27 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.

28 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

29 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

30 Backup

TheHiggs mass from SM fits >> 31

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 (10 19 GeV)  Miraculous cancelations are needed to keep the Higgs mass < 1 TeV This is known as the gauge hierarchy problem 32

New physics at a few TeV? Excluded to avoid fine-tuning 33

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? 34

World-wide collaborations CMS: 38 Nations ~3500 physicists ~800 PhD students 35

It’s collaborative! 36

CMS detectors 37

ATLAS detectors 24 m 7000 Tons 38

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 39

H → γγ MVA Results MVA’s for vertex ID, γ and γγ ID Complementary analyses –Baseline: Polynomial fit of mass spectrum –Cross-check: More sophisticated technique uses sideband subtraction technique without parameterization VBF again split off separately –Dominates in vicinity of GeV Local significance drops 3.1  → 2.9  LEE significance 1.8  → 1.6  (range GeV) Local significance drops 3.1  → 2.9  LEE significance 1.8  → 1.6  (range GeV) , , , , GeV SM Higgs excluded at 95% CL , , , , GeV SM Higgs excluded at 95% CL. 40

Summary of H  ZZ, WW, bb,  H  ZZ  2l2 H  ZZ  2l2jet H  ZZ  2l2  H   HbbHbb HbbHbb H  WW Publications submitted Feb

42 Updates for Moriond 2012 Individual Higgs channels

43 Confidence limits

High & Low Mass Resolution Channels The two sets have nearly identical sensitivity The γγ+4l group shows a localized excess >2σ around m H = GeV The WW+ττ+bb group shows a broad excess, reaching 2σ around GeV High mass resolution channels: γγ + 4l Low mass resolution channels: WW + ττ + bb Low mass resolution channels: WW + ττ + bb

p-values and SM consistency Local p-value 2.8σ Global p value 0.8σ ( GeV) Global p-value 2.1σ ( GeV) Local p-value 2.8σ Global p value 0.8σ ( GeV) Global p-value 2.1σ ( GeV) 45

2009: Primeiras colisões no LHC November 23, 2009December 14, 2009March 30, 2010 First collisions at 900 GeVFirst collisions at 2.36 TeVFirst collisions at 7 TeV First collision at 7 TeV in CMS 46