Retos de La Física Teórica de Altas Energías

Retos de La Física Teórica de Altas Energías
Lorenzo Diaz Cruz
[email protected]
Facultad de Ciencias Fı́sico-Matemáticas,
Benemerita Universidad Autonoma de Puebla,
and DUAL-CP IHEP
(México)
Reunión de la red FAE, 2011
Retos de La Fı́sica Teórica de Altas Energı́as – p. 1
Plan
1. El invierno de nuestro descontento
El modelo estandar
Parametros del modelo estandar
La busqueda del Higgs en LHC
Fases de QCD
2. Problemas abiertos del SM
El problema de Jerarquia
El problema del sabor
Unificacion
Materia y Energia Oscura
Problemas teoricos - tecnicos y de principios
3. Conclusiones
Retos para la HEP teorica de Mexico
Retos de La Fı́sica Teórica de Altas Energı́as – p. 2
1.1 El Modelo Estandar (SM)
• La materia esta formada al nivel fundamental por: quarks y
leptones, que aparecen en 3 familias
(u, d), (c, s), (t, b),
(νe , e), (νµ , µ), (ντ , τ ),
• Las fuerzas se describen por grupos de norma:
SU (3)c × SU (2)L × U (1)Y ,
• La masa aparece como consecuencia del Mecanismo de
Higgs
φ →< φ > +h,
Los neutrinos tienen masa- → ν SM
Majorana vs Dirac
Retos de La Fı́sica Teórica de Altas Energı́as – p. 3
1.2 El Mecanismo de Higgs
Las simetrias se realizan:
• A la Wigner-Weyl: el vacio es invariante, e.g. QED,
• A la Nambu-Goldstone: el vacio rompe la simetria, e.g.
Pions,
Retos de La Fı́sica Teórica de Altas Energı́as – p. 4
1.2b El Mecanismo de Higgs en el SM
• Modelo Mínimo: Φ = (φ+ , φ0 ),
• SSB: φ0 → v + h, induce: SU (2)L × U (1)Y → U (1)em
• W ± y Z adquieren masa, con: mW = g2 v ,
(ρ =
m2W
cos2W m2Z
= 1),
• Tambien los quarks y leptones adquieren masa (acoplos de
Yukawa yf ):
mf = yf v
• Remanente de Φ → h, boson de Higgs.
Retos de La Fı́sica Teórica de Altas Energı́as – p. 5
1.3 Parametros del ν SM
• Sector de Norma: g1 , g2 , (→ α, sin θW ), g3
• Sector de quarks: mq , VCKM ,
• Sector de leptones: ml , mν , VP M N S ,
• Sector de Higgs: µ, λ (→ v, mH ),
Extraer estos parametros de los experimentos es un campo de
investigacion muy relevante:
• CINVESTAV (G.Lopez), UASLP (R. Flores),
• UNAM (Grupo de J. Erler)
Retos de La Fı́sica Teórica de Altas Energı́as – p. 6
1.3b Radiative Constraints on mh :
6
theory uncertainty
∆α(5)
had =
0.02761±0.00036
0.02747±0.00012
Without NuTeV
∆χ2
4
2
Excluded
0
20
Preliminary
100
400
mH [GeV]
Retos de La Fı́sica Teórica de Altas Energı́as – p. 7
1.4 SM Higgs bounds
• Higgs boson mass limits from LEP: e+ e− → Z + h
→ mh > 114 GeV.
• Higgs boson mass limits from Tevatron: pp̄ → h(→ W W ∗ )
→ 155 < mh < 170 GeV.
• Studies of SM Higgs search: γe → h + e at ILC,
(Diaz-Cruz, Toscano) [BUAP]
Retos de La Fı́sica Teórica de Altas Energı́as – p. 8
1.5 SM Higgs interactions
SM lagrangian for a Higgs doublet Φ = (φ+ , φ0 ) includes:
• Gauge ints. → Gauge boson masses,
i.e. LHV = (Dµ Φ)† (Dµ Φ)
• Yukawa sector → fermion masses,
i.e. LY = Yu QL ΦuR , etc.
• Higgs potential V (Φ) → SSB and Higgs mass,
i.e. V (Φ) = λ(|Φ|2 − v 2 )2 ,
• One unknown parameter λ,
- it determines Higgs mass mh
Retos de La Fı́sica Teórica de Altas Energı́as – p. 9
1.6 Higgs couplings:
•
(hV V ) :
•
(hf f ) :
•
(hhh) :
•
(hhhh) :
2m2V
v
mf
v
3
λv
2
3
λ
2
Retos de La Fı́sica Teórica de Altas Energı́as – p. 10
1.7 SM Higgs B.R.’s
Interesting decay modes:
• h → bb̄,
• h → τ +τ −,
• h → γγ (top and W loops),
• h → gg (top loop)
• h → W W, ZZ
• h → tt̄
(1)
Γ(h → XX)
B.R.(h → XX) =
Γtotal
Retos de La Fı́sica Teórica de Altas Energı́as – p. 11
Branching fraction
1.7b Higgs B.R.’s
1
10
10
10
10
10
10
WW
ZZ
-1
-2
ττ
-3
bb
gg
Zγ
-4
γγ
-5
µµ
-6
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200
2
mH (GeV/c )
Retos de La Fı́sica Teórica de Altas Energı́as – p. 12
1.8 SM Higgs cross sections
Relevant mechanisms at Hadron colliders:
• Gluon fusion (top loop),
• quark fusion,
• Assoc. production hW, hZ ,
• Assoc. production htt, hbb,
• W/Z vector fusion,
Retos de La Fı́sica Teórica de Altas Energı́as – p. 13
σ (pb)
1.8b Higgs cross sections
gg → H, NLO
10
gg → H
1
qq → qqH
10
qq → HZ
-1
qq,gg → Htt
qq → HW
10
-2
LO
10
qq,gg → Hbb
-3
100
150
200
250
300
350
400
450
500
2
mH (GeV/c )
Retos de La Fı́sica Teórica de Altas Energı́as – p. 14
12
8
6
G fitter
Tevatron exclusion at 95% CL
10
4
2
0
100
150
SM
Mar 09
LEP exclusion at 95% CL
∆ χ2
1.9b Radiative Constraints on mh :
3σ
2σ
δ χ2 = Erf −1 ( CL2−sided )
s+b
δ χ2 = −2ln(Q)
1σ
200
250
300
MH [GeV]
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1.10 LHC search for SM Higgs
Retos de La Fı́sica Teórica de Altas Energı́as – p. 16
1.10b LHC popular
Retos de La Fı́sica Teórica de Altas Energı́as – p. 17
1.11 LHC search for SM Higgs
LHC can search for SM Higgs. Discovery signals with 30 f b−1 of
I.L., include:
• Gluon fusion + h → γγ , for mh ≃ 120 GeV,
• Assoc. tt̄h with h → bb̄ for mh ≃ 100 GeV,
• Gluon fusion+h → ZZ → 4l, for mh ≃ 130 − 200 GeV,
• Gluon fusion+h → W W → 2l + 2ν ′ s, for mh ≃ 150 − 190
GeV,
• Vector fusion+h → W W , for mh ≥ 120 GeV,
• Vector fusion+h → τ τ , for mh ≃ 115 − 140 GeV,
Retos de La Fı́sica Teórica de Altas Energı́as – p. 18
1.11b LHC search for SM Higgs
Retos de La Fı́sica Teórica de Altas Energı́as – p. 19
1.11c Higgs search with ATLAS
Retos de La Fı́sica Teórica de Altas Energı́as – p. 20
1.11d Higgs search with CMS
5 σ Higgs Signals (statistical errors only)
-1
Discovery Luminosity [ fb ]
LHC 14 TeV (SM, Signal with σNLO)
10
pp → H →
pp → H →
pp → H →
pp → H →
2
γγ
ZZ → llll
WW → lνlν
ZZ → llνν
10
qq → qqH → γ γ
qq → qqH → WW → lνlν
qq → qqH → WW → lνjj
qq → qqH → ZZ → llνν
1
100
200
300
400
500 600
M Higgs [ GeV ]
Retos de La Fı́sica Teórica de Altas Energı́as – p. 21
1.12 Strong Interactions
• QCD perturbativa (M.E. Tejeda Yeomans-Unison)
• Fases de QCD (quark-gluon plasma) (Grupo de A. Ayala),
• Hadron physics (G. Lopez-CINVES, Mauro N.-U.Gto,
Mariana K.-UASLP, G.Toledo-UNAM),
• Metodos no-pert. (A. Bashir, A.Raya - UMSNH),
Retos de La Fı́sica Teórica de Altas Energı́as – p. 22
1.12 Spin (S) e Isospin (T)
• Es el Higgs algo artificial? Si y no,
• En QFT las particulas se clasifican por su spin (S),
• En el SM se clasifican por su Isospin (T), hypercarga y
Color,
T/S
0
1/2
0
?
Higgs
1
?
1/2
Neutrinos-R
electron
quarks
?
1
gluon
?
3/2
?
?
2
?
?
W, Z
?
?
Retos de La Fı́sica Teórica de Altas Energı́as – p. 23
3.1 Algo grave se esconde en Dinamarca
A pesar de su exito, se piensa que el SM debe modificarse:
• Problema de Jerarquia (Large/Little),
• Problema de sabor (masas, mixing, Strong CP problem),
• Materia y Energia oscura (+ Baryon Asymmetry of the
Universe),
• Unificacion (supercuerdas),
• Tests de principios,
Retos de La Fı́sica Teórica de Altas Energı́as – p. 24
3.1 Algo es algo
• Problema de Jerarquia (Large/Little),
Beyond SM (Delepine -UGto, Erler y
Mondragon-UNAM, Abdel, L.VS, MAPA-CINVES, Toscano
et al (BUAP-UMSNH),
DUAL-CP (Aranda, Diaz-Cruz, J.Hdz, R. Papaqui+ A.
Rosado + postdocs),
• Problema de sabor (masas, mixing, Strong CP problem),
Omar-CINVES, Aranda-Colima, Liliana VS-CINVES, A.
Mondragon-UNAM,
Retos de La Fı́sica Teórica de Altas Energı́as – p. 25
3.1 Algo es algo
• Materia y Energia oscura (+ Baryon Asymmetry of the
Universe),
IAC (Axel et al), HAWC-theory,
• Unificacion (supercuerdas),
Guijosa, S. Ramos -UNAM, E. Caceres-Colima,
Sabido+ -U. Gto, Compean -CINVES,
• Tests de principios (Inv. de Lorentz, Ley de Newton, CPT,
Pio de Pauli..etc),
L. Urrutia et al.-ICN,
Retos de La Fı́sica Teórica de Altas Energı́as – p. 26
3.2 El problema de Jeraquia
Cuando se incorpora al SM en una nueva teoria asociada con
una escala Λ, la masa del Higgs se corrige, i.e.
m2h
(2)
=
m20
c
2
+
Λ
16π 2
Como hacer c = 0? (Large Hierarchy problem)
Algunas soluciones:
• Cancelacion accidental.
(3)
λ=
yt2
1 2
− [3g + g ′2 ]
8
• Higgs es compuesto (como en QCD!),
• Cancelacion de lazos bosones-fermiones (→ SUSY),
• Higgs es parte de una campo vectorial en D − dims
AM = (Aµ , Ai ),
Retos de La Fı́sica Teórica de Altas Energı́as – p. 27
3.3 Una vision moderna de Physics BSM
Physics BSM incorporates Extra Dimensions,
• Fermionic XD:
xµ → Z = (xµ , Q, Q̄)
• Bosonic XD:
xµ → X M = (X µ , X i )
• Curved Extra dimensions (RS):
Ads/CFT duality means XD → Strong Ints.
Retos de La Fı́sica Teórica de Altas Energı́as – p. 28
3.4 Randall-Sundrum Model (AdS)
"Encerrado en una cascara de nuez, ser rey del espacio infinito"
SU(2)
SU(2)
U(1)
R
L
Gauge fields and fermions in the bulk
4d graviton
Planck
brane
y=0
Higgs or
alternative
dynamics for
EW symmetry
breaking
TeV
brane
−
5
Slice of AdS 5
2
ds = e
−2k π |y|
2
2
dx + r dy
2
y=πr
Retos de La Fı́sica Teórica de Altas Energı́as – p. 29
3.7 Spin (S) e Isospin (T)
T/S
0
1/2
0
?
Higgs
1
?
1/2
Neutrinos-R
electron
quarks
Gauginos
1
gluon
?
3/2
Gravitino
?
2
?
?
W, Z
?
?
Los gauginos parecen en teorias supersimetricas (SUSY), como
los companeros de los bosones de norma. Se combinan para
formar los charginos y neutralinos.
El Gravitino aparece en Supergravedad (la teoria local de
SUSY), como el companero del graviton.
Retos de La Fı́sica Teórica de Altas Energı́as – p. 30
4. Hay Mas cosas en el cielo..
Retos de La Fı́sica Teórica de Altas Energı́as – p. 31
4.1 Particulas y Cosmologia
Observaciones en astrofisica y cosmologia sugieren:
• El universo esta en expansion,
• Debio iniciar con una gran explosion (Big-Bang),
• En los primeros instantes estaba muy caliente (HEP),
• Al enfriarse desaparecio la antimateria, quedamos nosotros
y algo mas (DM),
Retos de La Fı́sica Teórica de Altas Energı́as – p. 32
4.2 Curvas de Rotacion de las galaxias
Retos de La Fı́sica Teórica de Altas Energı́as – p. 33
4.3 El problema de la Materia Oscura
Observaciones en astrofisica y cosmologia:
• Curvas de Rotacion de las Galaxias,
• Dinamica de Cumulos de Galaxias,
• Espectro de la Radiacion Cosmica de Fondo,
• Expansion acelerada del universo,
Dan un balance actual de materia-energia del cosmos :
Retos de La Fı́sica Teórica de Altas Energı́as – p. 34
4.4 What is Dark Matter??
• La densidad de DM puede estimarse como:
(4)
−27 cm3 /s
3
×
10
Ωh2 ≃
< σv >
• Para tener O(10 − 20) % DM (Datos de WMAP), con
MX ≃ O(mW ), se requiere: σ de intensidad debil (Un
milagro?),
• Candidato viable para DM podria ser un "weakly interacting
massive particle" (WIMP),
• Otrasposibilidades han sido estudiadas: axions, gravedad
modificada, classical scalar fields, etc.
Retos de La Fı́sica Teórica de Altas Energı́as – p. 35
4.5 Dark Matter y PBSM
Algunos modelos BSM incluyen candidatos a DM:
• Modelos SUSY:
Lightest SUSY particle (LSP): Neutralino, gravitino,
sneutrino,
• Little Higgs models:
Lightest T-odd particle (LTP)
• Modelos con dimensiones extra (XD):
Lightest Kaluza-Klein particle (LKP)
• Modelos de PQ (strong CP): Axiones,
Retos de La Fı́sica Teórica de Altas Energı́as – p. 36
4.7 Astro-Particulas
Otros problemas que requieren de HEP y Astro.:
• Nucleosintesis,
• CMBR,
• Asimetria Materia-Antimateria,
• Rayos Cosmicos ultra-energeticos,
• AGN’s, Gamma ray bursts, ...
Retos de La Fı́sica Teórica de Altas Energı́as – p. 37
4.8 La Constante Cosmologica
• Valor medido es del orden de: Λ ≃ 10−47 GeV 4 ,
• EWSB contribuye a la constante cosmologica, con un valor
estimado: Λ ≃ λv 4 = 109 GeV 4 ,
• χSB tambien contribuye a Λ,
• Fluctuaciones cuanticas en el U.V. contribuyen a Λ
• No se conoce solucion aceptable,
(Ppio. Antropico?, Strings?, Spacetime as superfluid?)
Retos de La Fı́sica Teórica de Altas Energı́as – p. 38
3. Conclusiones
• Frontera de la energia - problema de jerarquia,
LHC probara SM y PBSM
(fisica basada en Relatividad y Mecanica Cuantica):
Es una maquina conservadora!
• Frontera de Intensidad: problema de sabor,
• Frontera cosmica- BAU, CMBR, DM y DE,
• Alguna sorpresa seria bienvenida - Test de los principios de
QM y Rel.
Retos de La Fı́sica Teórica de Altas Energı́as – p. 39
Retos de la HEP Teorica en Mexico
• Formar grupos de trabajo - identificar grupos y lideres (FAE
endorsement),
• Abrir una seccion de "test de ppios. fund. y nuevas ideas"
en las secciones de la red FAE,
• Desarrollar las univs. estatales + seccion teorica en lab.
nacional + sub-sede ICTP,
• Ph.D. en HEP (BUAP, multi-inst.),
• Obtener postdocs por concurso - modificar politicas de
CONACYT,
• Mejorar calidad de ph.d. egresados en Mex. (que ganen
postdocs int.),
Retos de La Fı́sica Teórica de Altas Energı́as – p. 40