Parçacık Fiziğinde Gözlemsel Anomaliler Halil Gamsızkan Anadolu Üniversitesi Fizik Bölümü YEFIST – 26.04.2014

is this the Stairway to hell? Status Quo Yeni fizik beklentisinin yüksek olduğu LHC deneylerinin sonuçları artık elimizde. (Yeni) bir skaler parçacık keşfedildi. Parçacığın gitgide daha fazla SM Higgs'e benzediği anlaşılıyor. Gözlemlenmiş bir SUSY parçacığı bulunmuyor, ek boyutlar, karanlık madde ... Herhangi bir SM Ötesi fizik işareti? Şubat 2014 itibari ile CMS’in SM süreçleri için üretim tesir kesiti ölçüm sonuçları. >>> SM ile son derece uyumlu. ATLAS'ta da durum farksız. is this the Stairway to hell?

Anomaliler Ancak durum aslında o kadar da karamsar değil.. Çünkü şu an bile yeni fizik bize anomaliler biçiminde göz kırpıyor olabilir. Kuramsal öngörü ile deneysel ölçüm arasındaki farklılıklar anomali olarak adlandırılır. Anomaliler pek çok sebepten ortaya çıkabilir. Geçmişte de ortaya çıkmış ve kaybolmuş pek çok anomali mevcut. Bunların (kaybolanlar) arasında en güncel olanı Tevatron top asimetri anomalisi. Bugün parçacık fiziğinde mevcut olan başlıca anomalileri sizlere, Mart/2014 itibari ile son durumlarıyla birlikte özetlemeye çalışacağım….

“Muon Anomalous Magnetic Moment (g-2)” Anomalisi

Muon g-2 Anomalisi Müon g−2, en hassas ölçülebilmiş (ppm mertebesinde) ve kuramsal olarak en detaylı çalışılmış olan fiziksel niceliklerden biri. BNL E821 deneyinden gelen ilk hassas sonuçlarla birlikte (2000 yılı) kuramla ölçüm arasında 3σ ’dan büyük bir sapma ortaya çıktı. Bu sapma sonraki ölçümlerde de sürdü. Müon g−2 sapması, “temiz” bir EW ölçülebilir nicelik için gözlemlenmiş en büyük sapmadır. Dolayısıyla bu sapmanın yeni fizik için ipucu olma ihtimali var… [K. Hagiwara, R. Liao, A. D. Martin, D. Nomura and T. Teubner, J. Phys. G 38 (2011) 085003] 5

Anomalous Magnetic Moment? Spini ½ olan bir temel parçacığın manyetik dipol momenti: spin Manyetik moment gyromagnetic oran elektromanyetik etkileşim Hamiltonian’ı g=2 (kuramsal, Dirac öngörüsü) ancak deneysel değeri g>2 g=2 değeri ağaç seviyesi genliklere karşılık geliyor. Bu değerden sapma radiative/kuantum etkilerden kaynaklanıyor. Sapma miktarı (g-2) “anomalous magnetic moment” olarak adlandırılıyor ve a ile ifade ediliyor

aμ için SM kuramsal öngörüsü (arXiv: 0801.4905)

SK kuramsal öngörü (Hadronik katkılar) SM aμ kuramsal öngörüsü, tüm katkılar arasında en çok hadronik (güçlü etkileşim) katkılara karşı hassas. Hesaplardaki başlıca iki belirsizlik: Hadronik vakum polarizasyonu (HVP) Hadronik light-by-light (HLxL) etkisi Bunlar görece düşük enerjilerde e+e- deneyleriyle (π+π- kanalı) önemli ölçüde azaltılabilecek belirsizlikler. HLxL HVP

B manyetik alanında bulunan bir müonun spin presesyon frekansı aμ Nasıl Ölçülür? “Spin presesyon” etkisinden yararlanarak: Manyetik alanda bulunan bir parçacığın spini presesyon yapar (Larmor presesyonu) B manyetik alanında bulunan bir müonun spin presesyon frekansı müonların depolama halkasında dönüş frekansı DENEYSEL YÖNTEM: Müonlar homojen manyetik alan barındıran bir halkada depolanır (Anti)müonlar, spinleri yönünde momentum taşıyan (pozitron) elektronlara bozunma eğilimindeler, Bozunum elektronları sayılarak müon spin açısı ve spin presesyon frekansı (ωs) bulunur.

aμ Nasıl Ölçülür?

Deney Sonuçları (arXiv: 0801.4905) En son BNL sonucuna (2004) göre sapma miktarı: sapmanın kendisi toplam EZ kuramsal katkısından daha büyük!

Yeni Fizik? Anomaliler ve yeni fizik ilişkisi başlı başına bir konuşma konusu. Ancak müon g-2 anomalisine neden olabilecek birkaç yeni fizik ihtimali olarak aşağıdakiler sayılabilir: 4. fermiyon ailesi Ek ayar bozonları (ör. Z’) SUSY? …..

Gelecek için Deneysel Planlar Ölçüm hassasiyetini 4 kat artırmayı hedefleyen iki yeni deney için çalışmalar sürüyor: FermiLab’da g2 kolaborasyonu yeni bir deney için (E989) hazırlıklarını sürdürüyor: (Rominsky/Moriond2014) Müon halkası Fermilab’a ulaştı ve inşası tamamlanmak üzere Dedektör grupları dedektör testleri ve tasarımı üzerinde çalışmakta (son aşama) J-PARC g-2 deneyi (Tokai, Japonya) “Sihirli gamma” değeri dışında bir enerjide çalışacak, kompakt müon halkasına sahip 2016 yılında başlaması planlanıyor FNAL g-2 için tamamlayıcı olması bekleniyor

Referanslar ve Diğer Okumalar “The muon g-2” F. Jegerlehner, A. Nyffeler, Physics Reports 477 (2009) 1-110 “Muon g-2: a mini review” Zhiqing Zhang, arXiv:0801.4905v1 (2008) “Status of the New g-2 experiment at Fermilab”, Mandy Rominsky, Invited talk, Moriond 2014 “New g-2 experiment at J-PARC” J-PARC g-2 Collaboration, Chin.Phys. C34 (2010) 745-748 “Resonaances, Particle Physics Blog” “Jester”

Nötrino Anomalileri

Nötrino Anomalileri 90'lı yılların özellikle son dönemi nötrino salınımı deneyleri açısından epey hareketliydi. Örneğin salınım fenomeni (bir BSM fenomeni) kanıtlandı. (Bu noktada nötrino salınımı keşfine giden yolda zamanın nötrino anomalilerinin de önemli payı olduğunu vurgulamakta yarar var..) Ancak daha ilk deneylerden beri ortada olan çeşitli soru işaretleri bulunuyor.. Mevcut salınım ölçümleri ‘‘standart’’ üç nötrinolu senaryo ile uyumlu. Ancak bu senaryodan sapma gösteren ölçümler de var.. Nötrino anomalilerini tartışmaya, on yıldır anlaşılamayan, nötrino anomalilerinin “hası” ile başlayalım.. LSND anomalisi.

LSND dedektörünün iç görünümü LSND & MiniBooNE LSND deneyi: LANL'da işledi, 1993-8 arasında veri alındı, bir -> “appearence” deneyi Temel parametreler: 20-200 MeV , L=30m, fazlalığı (appearance) gözlemlendi (hep-ex/0104049) Nötrino salınımı hipotezi ile uyumlu.. Fakat: LSND sonuçlarına göre nötrinoların kütle farkı 0.1eV civarında olmalı, oysa diğer deneyler bu farkın daha küçük olması gerektiğini buldu. (eğer 3 standart neutrino varsa) Acaba bu farklık 4. bir tür nötrino kütle durumunun/türünün varlığı için ipucu olabilir mi.. Örneğin steril neutrinoların. LSND sonuçlarının teyidi için MiniBooNE deneyi gerçekleştirildi….. LSND dedektörünün iç görünümü (hep-ex/0104049)

Sonuç: MiniBooNE LSND sonuçlarını değilliyor mu? LSND & MiniBoone MiniBooNE Dedektörü MiniBoone, Fermilab (2002-2012) 0.5-3 GeV, L=540m, L/E oranı LSND ile yakın νμ-> νe “appearence” (antinötrino ışını da mümkün) Düşük enerjilerde νe olaylarında fazlalık gözlendi (salınım) Sonuç: MiniBooNE LSND sonuçlarını değilliyor mu? 2007: Evet! (arXiv:0704.1500) 2012: pek sayılmaz (C. Polly, talk at Neutrino 2012, Kyoto, Japan, June 3-9, 2012.) (arXiv:1207.4809) LSND ile tamamen uyumlu sinyal

Galyum Anomalisi SAGE – BNO/Rusya 1989-2012(?), ve GALLEX – LNGS 1991-2003 Galyum hedefli radyokimyasal deneylerdi, güneş kaynaklı nötrino ölçümleri için kuruldular. Kalibrasyon amacıyla dedektörlerin içine radyoaktif kaynaklar yerleştirildi ve elektron nötrino akısı ölçüldü. Gözlenen/beklenen akı oranı 0.86 ± 0.06 olarak ölçüldü. Sonuç salınım hipotezi ile uyuşuyor. Ancak ölçümün karşılık geldiği nötrino kütle farkı değeri yine eV seviyesinin üzerinde. ..acaba nötrinolar steril nötrinolara salınım yaparak ortadan kayıp mı oluyor?

Reaktör Anomalisi Eski veri üzerinde görece yeni bir anomali.. (arXiv:1101.2755v4) Nükleer santrallerden, nükleer tepkimeler esnasında yayınlanır. Reaktör deneyleri de bu santraller civarına kurulu olup reaktörden yayınlanan nötrinolar hakkında veri topladılar. Nötrino akısında beklenenden önemli bir sapma gözlemlenmemişti. Ancak yakın geçmişte nükleer tepkimelerin kuramsal modellerindeki gelişmeler neticesinde beklenen ortalama nötrino akısında yaklaşık 3.5%'luk bir artış meydana geldi. Dolayısıyla yıllar boyu alınan reaktör nötrino akısı verisi kuramsal öngörünün 94%'üne düştü ve 2.5σ bir sapma ortaya çıktı (salınım ile uyumlu). Ancak nötrino kütle farkı değeri yine 1eV’un üzerinde Çalışmaları 2008 yılında başlayan Nucifer deneyinde (Saclay) reaktör anomalisinin de sınanması amaçlanıyor Nucifer deneyi dedektör kurulumu ve nükleer santral civarında test sürecinde (?).

Nötrino Anomalileri Neye İşaret Ediyor? Ne yazık ki tutarlı şekilde yeni fiziğe işaret etmiyorlar. [Maltoni / Moriond 2014]

LHCb Anomalisi

LHCb Anomalisi B fiziğinin önemli bir özelliği nadir bozunumlar aracılığıyla standart model ötesi fiziğe hassas olması. Önemli nadir bozunumlardan birisi de B0 → K*0 μ+ μ- (BR=10-7) Ağustos 2013'te açıklanan LHCb sonuçlarında (1/fb) ölçümlerin SM öngörüleri ile uyum içinde olduğu görüldü (arXiv:1308.1707). Bununla birlikte ölçülen niceliklerin birinde SM öngörüsünden sapma olduğu gözlendi. Anomali (?) bozunumun açısal dağılım parametrizasyonunda, bir açı parametresinde görüldü. Parametre düşük q2 bölgesinde SM öngörüsüne kıyasla 3.7σ sapma (fazlalık) gösteriyor. Aynı bozunumun bazı özellikleri önceden b-fabrikalarında, Tevatron’da ve LHC'de ölçülmüştü ve SM öngörülerinden herhangi bir sapmaya rastlanmamıştı. http://resonaances.blogspot.com.tr/2013/08/what-about-b-to-k-star-mu-mu.html

B0 Bozunumunun Anatomisi (ve nadir B bozunumları neden önemlidir?) B0 bir psödoskalar mezon (b-d) Bozunum tam olarak: B0 → K*0 (→K+π-) μ+ μ- , >> parton seviyesinde b→s μ+ μ- bozunumu b-s geçişimi sadece ilmek/kutu süreçleriyle mümkün, dolayısıyla yeni fiziğe hassas ilmek baskılaması (O(10TeV)), ve CKM baskılaması (Vbs<<1) mevcut http://resonaances.blogspot.com.tr/2013/08/what-about-b-to-k-star-mu-mu.html [Altmannshofer/Moriond 2014] Genel BSM genliği genlikte bir baskılama olması gerekmiyor

Açı Dağılım Parametrizasyonu θK, θl ve φ'ın müon çiftinin değişmez kütlesi q2 ‘in fonksiyonu olarak diferansiyel dağılımları ölçülüyor ve parametrize ediliyor ↓ [Kagan/DPF2013] [Resonaances blog] http://resonaances.blogspot.com.tr/2013/08/what-about-b-to-k-star-mu-mu.html

Anomali [arXiv:1308.1707] P5’ parametresinde 4.3<q2<8.68 GeV2 aralığında SM öngörüsüne kıyasla 3.7σ sapma (fazlalık) olduğu görüldü (SM öngörüsü: Descotes-Genon, Hurth, Matias, Virto 1303.5794) http://resonaances.blogspot.com.tr/2013/08/what-about-b-to-k-star-mu-mu.html

Yeni Fizik Olabilir mi? Kuramcılardan bazı görüşler: P'5 parametresindeki gerilim, diğer ölçülebilirlerdeki daha küçük gerilimlerle korelasyon içinde. Tüm ölçümlerle tutarlı yeni fizik açıklamaları mümkün (arXiv:1308.1501, arXiv:1310.3887). Anomali 0.6 TeV < ΛYF< 35 TeV aralığındaki yeni bir fizik skalası ile uyumlu olabilir (üzgünüm SUSY’ciler ama..) Anomalinin SUSY senaryoları ile uyumu düşük (arXiv:1308.1501) En belirgin uyum Z' öngören modeller ile. ( örneğin m(Z') ~ 7 TeV (arXiv:1311.6729) ) Z' senaryosunun müon g-2 anomalisi için de Z' ’ın kütlesine bağlı etkileri var. http://resonaances.blogspot.com.tr/2013/08/what-about-b-to-k-star-mu-mu.html

Anomali hakkında diğer yorumlar Bir istatistiksel dalgalanma olabilir mi? >> 8 TeV 3/fb analiz sonuçları yakında yayınlanacak Kuramsal belirsizlikler olması gerekenden düşük mü öngörülüyor? >> Belirsizliklerin değişmesi anomaliyi ortadan kaldırabilir. (arXiv:1212.2263 ) Ölçülenler “temiz” ve basit/yalın değişkenler değil, karmaşık bir açı analizi ile karşı karşıyayız. >> Bu da hem kuram hem deney açısından belirsizliği artıran bir durum. http://resonaances.blogspot.com.tr/2013/08/what-about-b-to-k-star-mu-mu.html

..anomalilerden ne öğreniyoruz? Sonuç ..anomalilerden ne öğreniyoruz?

Sonuç İstatistiksel anlamlılık bir anomali için önemli bir kriter (kaç sigmalık bir etki). Bir diğer kriter de anomalinin bir kuramsal yapıya oturtulabilmesi. Bir anomali zaman içerisinde çeşitli nedenlerle, özellikle de toplanan verinin artmasıyla birlikte ortadan kaybolabilir. Bu geçmişte pek çok kez yaşanmış olan bir durum. Anomaliler çift-deneylerin önemini ortaya koyuyor (ör. D0 ve CDF) >> Bir deneyde ortaya çıkan bir anomali diğeri tarafından değillenebiliyor (veya onaylanabiliyor) Anomaliler yeni fizik için birer geçit işlevi görebilir (ve/veya yeni makaleler için ;) Öte yandan bu sık görülen bir durum değildir ;-)

Sonuç Anomali, fiziksel bir nicelik için ölçümsel değer ile kuramsal öngörü arasında kayda değer bir fark olması olarak tanımlanıyor. Dolayısıyla bir anomaliden aşağıdaki sebeplerden herhangi biri sorumlu olabilir: Deneysel nedenler İstatistiksel etkiler. Eldeki verinin artmasıyla anomali ortadan kalkabilir. Sistematik etkiler. “Kontrol altında olmayan”, veya eksik değerlendirilmiş sistematik hatalar. Nötrino fiziği örneğinde olduğu gibi çalışılan alanın tabiatından kaynaklanan içsel güçlükler. Veri analizinden kaynaklanan (ör. Analiz yöntemi, MC) etkiler Diğer deneysel etkiler (parçacık fiziği deneylerinin genel olarak oldukça karmaşık olması (sausage machine?), analiz problemleri, yazılım bug’ları, tam oturmamış fiber-optik kablolar, çupakabralar?..) Kuramsal nedenler Kuramsal hesaplardaki eksiklikler ve belirsizlikler. Hesaplamalarda yapılan (kimi zaman yapılmış olduğu unutulan) bazı varsayımlar son olarak da elbette, hepimizin gönlünden geçen, yeni fiziğin göz kırpması

Sonuç Anomalilerin (ve genel olarak yeni fizik sonuçlarının) son durumunu takip etmek için bazı pratik seçenekler: Güvenilir internet kaynakları: Interactions.org, symmetry magazine. Ayrıca mutlaka görülmesi gerektiğini düşündüğüm bir blog: Resonaances http://resonaances.blogspot.com.tr/ (http://goo.gl/l7XCnh) CMS ve ATLAS deneylerinin açık fizik sonuçları sayfaları https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/AtlasPublic (http://goo.gl/C0aHt) https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/CMSPublic/PhysicsResults (http://goo.gl/8NklB)

Sunuşun ilk sayfasında bulunan SM ÜTK plotu Örnek: CMS SM Fizik Sonuçları Sayfası Sunuşun ilk sayfasında bulunan SM ÜTK plotu *Are you watching closely?* Şimdi plota biraz daha yakından bakalım.

Örnek: CMS SM Fizik Sonuçları Sayfası Bir “anormallik” fark ettiniz mi?

Örnek: CMS SM Fizik Sonuçları Sayfası Evet, tam burada. ttH tesir kesitinde. Bu henüz adı konmuş bir anomali değil, ancak takip altında ttH TK’nin 13 TeV enerjide yaklaşık 5 kat artması bekleniyor

Teşekkürler