Fyzika elementárn (Standardní model)

Transkript

1 Fyzika elementárn rních částic (Standardní model)

2 Délková škála 2

3 Jak pozorovat malé objekty? Částice mají i vlnové vlastnosti (dualismus, QM) Vlnová délka částice je nepřímo úměrná její hybnosti. Čím menší strukturu chceme zkoumat, tím potřebujeme větší energii. 3

4 4

5 Objevy elementárn rních částic Ruthefordův experiment Zrod QM A mnoho dalších! (~300) Všechny nemohou být elementární Nelze je nějak roztřídit na nějaké skupiny? 5

6 Interakce 6

7 7

8 Dle spinu - fermiony polocelý spin (Pauliho princip) - bosony celočíselný spin Třídění částic Dle typu interakce Leptony - leptony (6) (fermiony) - hadrony (stovky) mezony (bosony) baryony (fermiony) nukleony (p, n) hyperony 8

9 Supermultiplety Izospin T Q = T 3 + 1/2 * (baryon. č. + podivnost) s = -1 s = 0 s = -2 ½ -½ s = 0 s = +1 s = s = 0 s = -1 s = -2 s = -3 B = 0 B = 1 9

10 Kvarkové složen ení Pauliho vylučovací princip zakazuje => nové kvantové číslo BARVA = skrytý parametr S

11 Zachovávající se kvant. čísla = VŮNĚ 11

12 Tři i rodiny ke každé částici hmoty existuje antičástice všechnu běžnou hmotu okolo nás tvoří částice z první generace kvarky se nevyskytují jako volné částice, skládají se z nich hadrony 12

13 Shrnutí leptonya kvarky (fermiony se spinem 1/2) jsou základní částice hmoty síly zprostředkovávají nosiči - bosony se spinem 1, tyto síly popisují elektroslabá teorie (fotony, částice W a Z) - elektromagnetické a slabé interakce kvantová chromodynamika (gluony) - silné interakce mezi kvarky dostal jméno STANDARDNÍ MODEL 13

14 STANDARDNÍ MODEL pomocí malého počtu základních principů, základních stavebních prvků a základních parametrů popisuje svět nejmenších částic přes 30 let odolává stále tvrdším experimentálním prověrkám nalézá uplatnění i ve fyzice na největších vzdálenostech (astrofyzice) odrazový můstek pro novou fyziku 14

15 Je tedy STANDARDNÍ MODEL dokonalý? základní problém: malý počet základních principů a základních parametrů není dost malý odkud se berou hmotnosti částic? / Higgsova částice SM nemá co říci ke gravitaci nestačína některé další otevřené problémy: proč jsou právě 3 generace hmotnosti neutrin proč není ve vesmíru stejně hmoty jako antihmoty temná hmota a energie ve vesmíru 15

16 Detekční systémy elementárn rním částic

17 Základní schéma detektoru 17

18 Rozpady Z bosonu Pomocí magnetického pole lze určit náboj a hybnost částice. p~ q B r 18

19 Detektor pro experiment na pevném terči i a na vstřícných svazcích ch Detektor HERA-B a detektor H1 (DESY, urychlovač HERA, ep, 30MeV/920MeV 19

20 CERN (Centre Europeen pour Recherche Nucleare) - založeno evropských států - Česká republika od pět Nobelových cen za fyziku - objev bosonů W a Z - první antiatomy - místo vzniku WWW 20

21 LHC (Large Hadron Collider) - urychlovač vstřícných svazků - obvod: 27 km - mezi srážkami 25 ns - částice: p+p, Pb+Pb - E max (p) = 7 TeV - luminosita: cm -2 s -1 -spuštění:

22 LHC (Large Hadron Collider) - urychlovač vstřícných svazků - obvod: 27 km - mezi srážkami 25 ns - částice: p+p, Pb+Pb - E max (p) = 7 TeV - luminosita: cm -2 s -1 -spuštění:

23 1 ev energie získaná v el. poli 1V náboj elektronu. 1, C energie = náboj napětí E = Q U [J] = [C] [V] E = 1, C 1 V = 1, J 1 ev = 1, J 7 TeV = TeV = 1, J m protonu = 1, kg E klidová = mc 2 = 938 MeV relativistický pohyb rychlost téměř c (>99,99%) LHC (Large Hadron Collider) - urychlovač vstřícných svazků - obvod: 27 km průměr 8,6 km - mezi srážkami 25 ns (40 MHz) - částice: p+p, Pb+Pb - E max (p) = 7 TeV - luminosita: cm -2 s -1 -spuštění:

24 Proč se to staví? hledání Higgse vysvětlení hmotnosti částic studium t kvarku narušení CP symetrie při procesech s b kvarkem struktura zatím elementárních částic fyzika za standardním modelem (supersymetrické částice, strunové teorie, ) 24

25 Experimenty LHC 4 detektorové komplexy CMS ATLAS LHCb ALICE 25

26 ATLAS = A Toroidal LHC ApparatuS - vnitřní detektor - SCT - TRT - kalorimetry - elektromagnetický - hadronový - mionové komory - magnety - solenoid - toroid protony protony 22 m 45 m 26

27 27

28 Simulovaný event ATLASu Atlantis - JAVA aplikace - zobrazení a analýza naměřených dat 28

29 Vnitřní detektor (stripy, pixely) Hadronový Tile kalorimeter celek ATLAS Solenoid - celek Celková váha ~ 7000 t Mionový spektrometr protony 7 TeV protony 7 TeV 22 m 44 m Elektromagnetický kalorimeter Vinutí toroidu 29

30 Vnitřní detektor SCT - pixel, stripy (6 přesných bodů pro určení dráhy částice, primární a sekundární vertex) TRT (36 méně přesných bodů) měří hybnost a náboj částice polohy vertexů identifikace některých částic magnetické pole 2 T nízká teplota (-7 C) 230 cm 690 cm pokrytá oblast pseudorapidity η <2.5 (9 o a více) nutná radiační odolnost detektorů i vyčítací elektroniky součást triggeru 2. úrovně 30

31 Vnitřní detektor 31

32 ID event 32

33 Pixelový detektor -3 přesné body - nejblíže k interakci milionů detektorů - 50 x 300 μm - válcová (barrel) část a dopředné disky 33

34 Přední a zadní strana křemíkových desek s pixelovými detektory, vyrobenými v podniku Tesla Rožnov. Tesla vyrábí předsérii detektorů. 34

35 SCT - stripové polovodičov ové detektory 4 přesné body 2 části barrel 4 válce end-cap 9 disků modulů 6,2 mil. kanálů binární informace celková plocha: 63 m 2 rozteč stripů asi 80 μm (strip 23 μm) rozlišení 16 x 580 μm 35

36 Moduly Inner Middle short Middle Outer 2 nebo 4 detektory (cca 6 cm x 6 cm x 285 μm) hybrid s vyčítací elektronikou mechanická podpora (spine) 2 x 768 kanálů (stripů) rozteč stripů: 80μm (barrel), 54 95μm (forward) rozlišení 16 μm x 580 μm pootočení 40 mrad End-cap Barrel 36

37 Stavba modulu 37

38 38

39 Umíst stění modulu moduly napájení chlazení optická vlákna chlazení 39

40 40

41 Křemíkové detektory velmi rychlé výborné prostorové rozlišen ení stačí malé energetické ztráty ty málo radiačně odolné 41

42 Vznik signálu - signál z MIPu e - 4 fc - 99% akceptance Vyčítací (readout) elektronika nízký šum - blízko stripů nepřístupnost komprese dat šum < 1500 elektronů, počet šumových hitů příkon ca 5 W + kabely na přenos dat + zdroje napětí (LV, HV) 42

43 Simulace pro vysvětlení rozdílů mezi výsledky z testů na svazku a pomocí zářiče software původně laděn na výsledky testů na svazku v roce 1999 nutno ověřit na nových měřeních (2001) Geant4 geometrie: 4 Si detektory scintilátor přídavný materiál (folie) výsledek: dráha částice (rozptyl,...) energetické ztráty na úsecích ~80μm Digitalizace v Atheně simulace sběru náboje: není uvažována indukce zanedbán vliv elektronů simulace elektroniky výsledek: mapa hitů účinnost šum průměrná velikost clusterů

44 TRT trubičky se speciálním plynem (registrující přechodové záření) vnitřní průměr 4 mm, délka 1500 mm dovolují vysoké četnosti (do 20 MHz) rozlišení 170 μm schopnost rozlišení elektronů od ostatních částic 2 prahy: průlet částice a přechodové záření (největší rychlost) spojitá registrace částice - min. 36 bodů s přesností 170 μm pro běžné energie určí hybnost pro nejvyšší energie (~TeV) určí znaménko náboje 44

45 Kalorimetry 45

46 Elmag.. kalorimetr LAr vzorkovací kalorimetr accordeon tekutý argon (2,1 mm) / olovo (1,5 mm), struktura medové plástve kanálů 30 MeV 3 TeV kryostat, 89 K 46

47 Barrel LAr calorimetr 47

48 48

49 Hadronový kalorimetr - Tilecal 8.5 m vnější průměr 12.2 m celková délka 2900 tun vyčítacích kanálů EB C Barrel EB A z Hermeticita : η = ±1.7, mrtvá místa v přechodové oblasti Segmentace: Každý modul pokrývá 0.1 v azimutálním úhlu a je dělen na 73 buněk tvořících projektivní věže s Δη 0.1. Sampling : 18.1mm perioda podél směru svazku (z) = 14 mm oceli mm scintilátoru + obal scint.... Celkové množství materiálu je nutné k pohlcení jetů a stínění mionových detektorů 49

50 Princip Tilecalu Měření světla produkovaného nabitými částicemi ve scintilátoru. fotonásobič (PMT) vlákno (WLS) Plastický scintilátor uvnitř ocelového absorbátoru 50

51 Sestavování tilecal modulů I. all submodules produced 1/4 OF THE BARREL SUBMODULES HAVE BEEN ASSEMBLED IN PRAGUE

52 Sestavování Tilecal modulů II. 52

53 Sestavování Tilecalu 9 m Barrel = 1300 tun Ext. barrel =700 tun 53

54 54

55

56 56

57 Mionový spektrometr - hliníkové trubky (3 cm), speciální směs plynů - driftové detektory (MDT) -přesnost: 0,1 mm - rychlé proporcionální komory se segmentovanou katodou (cathode strip chambers - SCS) - hlavní součást trigger. systému 57

58 58

59 Magnety solenoid 2 T toroid 7 T (air core) 59

60 Offline software - simulace vlastností detektorů - vliv změny parametrů na rozlišení detektoru návrh celé detekční soustavy (ATLFAST) - snaha integrovat vše do jednoho prostředí - zapojení stávajících nástrojů (Geant4, generátory částic) - nutná validace rozhraní -příprava na zpracování vlastních dat z experimentu - stejný datový formát - spolupráce jednotlivých subsystémů Data and Computation for Physics Analysis detector CERN raw data event event simulation simulation event event filter filter (selection (selection & reconstruction) reconstruction) event event reconstruction reconstruction event summary data Tony Cass batch batch physics physics analysis analysis analysis objects (extracted by physics topic) interactive physics analysis processed data 2 60

61 Prostřed edí Athena -prostředí pro simulaci a analýzu dat ATLASu (offline software) - požadavky: jednoduché použití a vysoká přizpůsobivost (univerzálnost) modularita - uživatel vloží do předpřipravené šablony vlastní algoritmus a o připojení ostatních součástí se stará prostředí - OO C++ - striktní odlišení dat a algoritmu - přesně definované rozhraní každého objektu 61

62 - datové objekty po vytvoření uloženy v StoreGate = implementace TDS (Transient Data Store) pro ATLAS - jakýkoli jiný algoritmus si může zase tento objekt vyzvednout -nenítřeba vědět, kým a jak byly data vytvořeny - nezávislost na typu média (dočasná data, trvalá) - nutnost mít objekty nějak označeny pomocí typu (CLID) - po uložení je již nelze měnit ATHENA II. 62

63 ATHENA III. ApplicationMgr vytvoří potřebné služby EventLoopManager inicializuje, provádí a ukončí požadované algoritmy ( TopAlgs ) všechny algoritmy musí být potomky třídy Algorithm - spouštění: - skript v Pythonu - joboption soubor - obsahuje seznam algoritmů a nastavení jejich jednotlivých parametrů 63

64 CMT = a Configuration Management Tool - open-source systém vytvořený v LAL-Orsay - software rozdělen do CMT balíčků - v souboru requirements jsou shromážděny všechny informace nutné k překladu a spuštění - závislosti na ostatních balíčcích - nastavení prostředí, makra -umožňuje nastavení prostředí - pracovní prostor(y) - nastavení cest - instalace a spouštění softwaru - TestRelease bez zásahu do vlastního kodu - lokální instalace vybraných balíčků - správa jednotlivých verzí (Concurrent Versions System CVS) - hlavní verze a průběžné verze (nightlies) -označování balíčků pro verze (tagging) ASK = The Athena Startup Kit -prostředí pro koncové uživatele (fyziky) a pro začátečníky - soubor skriptů - grafické rozhraní 64

65 Simulace SCT pro CTB -příklad úplné simulační sekvence v Atheně -k přípravě CTB i následné analýze získaných dat - neustálý vývoj jednotlivých částí 65