O čem se mluví v CERNu? Martin Rybář

Transkript

1 O čem se mluví v CERNu? Martin Rybář

2 CERN Evropská organizace pro jaderný výzkum (Conseil Européen pour la recherche nucléaire) Založen roku 1954 ČR součástí od roku 1993 nejrozsáhlejší výzkumné centrum částicové fyziky na světě pracuje zde okolo 6500 vědců zabývá čistou vědou testovací pole pro průmysl

3

4 Urychlovače částic

5 w γ Κ π + τ π + w Λ _ p φ ω Κ e η ο + ++ Β ο n 0 J/Ψ Σ ν π + Ω µ Σ + 0 Λ 0 Σ 0

6 Počátky Standardního modelu (SM) 1895, Becquerel, Curie: objev radioaktivity 1897,Thomson: objev elektronu v katodovém záření Rutherford použil alpha částice ke studiu struktury atomu. problém s vysvětlením spinu! Spin Vnitřní moment hybnosti (aditivní) Dusík, spin 1: 14p + 7e není možné vytvořit spin 1 z 21 částic se spinem 1/2

7 Neutron potížista Od 1920 předpoklad existence neutrální částice 1932, James Chadwick: objev neutronu 1914 Chadwick ukazal spojitost spektra elektronu z β rozpadu Očekávané spektrum Měřené spektrum? Rozpad neutronu Očekávané spektrum Měřené spektrum nezachovaní energie nebo více částicový rozpad

8 Předpovězení neutrina a teorie β rozpadu 1930: Pauli předpovídá existenci nové neutrální částice neutrina. Pauli: I have done something very bad today by proposing a particle that cannot be detected; it is something no theorist should ever do. Pauliho teorie však byla publikována až v roce 1934 kdy měl Fermi vyvinutou teorii β rozpadu. První subjaderná QFT Produkty nemusí existovat v počátečním stavu! p n e νe

9 Objev neutrin : F. Reines (N.p 1995), W. Cowan: důkaz existence νe. e p n e _

10 Předpovězení a objev antičástic 1928, Dirac: teorie sjednocující kvantovou mechaniku a STR předpovídá částice se stejnou hmotou a spinem, ale opačným nábojem. předpověď antičástice studium kosmickém záření (1932): Mlžná komora Olověná destička Určení hmoty částice z měření zakřivení dráhy Objev pozitronu Přilétající částice

11 Objev mionu Během 30. let vytvořena základní představa o 4 základních interakcích silné, slabé a elektromagnetické a gravitační. Foton již hrál roli elektro-magnetického kvanta, zprostředkovatele EM interakce. 1937, Anderson a Neddermayer při snaze nalezt pion, zprostředkovatele silné interakce, objevili novou silně ionizující částici v kosmickém záření mion. Mion se rozpadá výhradně na elektron a dvě lehké neutrální částice, neexistuje rozpad např. Na elektron a foton nositel nového náboje.

12 Objev pionu V roce 1951 byl identifikován triplet π-, π+, π0 částice silné interakce mion Rozpadající se pion Dráha mionu je vždy stejně velká Mion odnáší vždy stejnou energii Pion se rozpadá na dvě částice (mion a neutrino) Svět částic se zdál být kompletní až na muon......isidor Rabi: Kdo si to objednal?

13 Otevření Pandořiny skříňky Po objevu pionu následovalo mnoho dalších nových mezonu a fermionů Některé procesy které by měly nastávat nenastávají Podivné chování některých částic: párová produkce a podivné rozpady.

14 Existuje nějaká vnitřní symetrie? Analogie: Periodicky se opakující chemické vlastnosti prvků

15 Kvarkový model 1964, Gell-Mann and George Zweig vysvětlili spektrum částic pomocí kvarků. Experimentálně potvrzeny a ztotožněny s partony na urychlovačích ve SLACu. Je tohle konec příběhu?

16 Další objevy 4 leptony ale jen tři kvarky! hledání čtvrtého kvarku Objeven na urychlovačích ve SLACu a BNL 1975 objeven nejtěžší bratr elektronu tau mezon, později tauonové neutrino (2000). hledání další rodiny kvarků! Bottom quark objeven 1977 Top quark 1994 na urychlovači Tevatron ve FNAL. Co nám ještě chybí?

17 Nositelé síly!

18 Standardní model Standardní model nejsou jen částice, ale i interakce a popis jejich působení! Silná interakce Slabá interakce Elektromagnetická interakce Gravitační interakce Každá síla má svojí vlastní částici(e), která zprostředkovává danou interakci

19 Standardní model Standardní model nejsou jen částice, ale i interakce a popis jejich působení! Silná interakce Slabá interakce Elektromagnetická interakce Gravitační interakce Každá síla má svojí vlastní částici(e), která zprostředkovává danou interakci

20 Gravitace

21 Elektromagnetizmus

22 Slabá interakce Rozpady částic Jaderná fůze W a Z bosony objeveny 1973 v CERNu

23 Silná interakce Mezi barevnými částicemi Drží pohromadě hadrony a atomová jádra Výměnnou částicí je gluon Dvě zásadní vlastnosti: asymptotická volnost uvěznění

24 Jak vypadají hadrony... Hmoty kvarků: u~5, d~10, s~200, c~1500, b~4500, t~ MeV Proton: 5 MeV+5 MeV+ 10 MeV!= 1000MeV?!??!?

25 Hmota protonu Hmotu hadronů tvoří převážně gluony!

26 Je náš model kompletní? Kvarky u, d, s, c, b, t Leptony e, μ, τ + neutrina Objevil by výkonnější urychlovač další rodiny fermionu?

27 Existuje více rodin fermionů? Z měření rozpadové šířky Z bosonu ne!

28 Téma první: LHC

29 CERN Large Hadron Collider

30 Parametry LHC Nainstalován v kruhovém tunelu o obvodu 27 km V hloubce m pod zemí Tunel vybudován pro LEP Urychluje protony a težká jádra Max. energie 7+7 TeV pro pp 5,5 TeV na nukleon pro težké ionty Pro PbPb 1150 TeV Každý ze dvou svazků obsahuje až 3000 balíku částic obsahujích 100 miliard protonů. Svazek má energii 350 MJ, což je energie jakou má vlak o váze 400 tun jedoucí rychlostí 200 km/h Frekvence pp srážek ~ GHz

31 Kde to všechno začíná? Plynný vodík a kousek olova iontový zdroj

32 Urychlovačová soustava

33 Magnetická soustava Pro udržení svazku je třeba magnetické pole o síle 8.36 T 1800 supravodivých magnetů Při použití běžných magnetů by prstenec musel mít obvod 120 km

34 Urychlovačová technika (3)

35 Parametry svazku Každý ze dvou svazků obsahuje až 3000 balíku (bunchu) částic Každy bunch obsahuje 100 miliard protonů Svazek má energii 350 MJ, což je energie jakou má vlak o váze 400 tun jedoucí rychlostí 200 km/h oběhů za sekundu Urazí dráhu větší než 10 miliard kilometrů (Neptun a zpět) Srážky protoných shluků každých 25 ns tj. 45 MHz 23 pp srážek při každém potkání shluků Frekvence pp srážek ~ GHz

36 Běžný den na LHC

37 Beam dump Speciální soustava magnetu na vyvedení svazku Dumper - zařízení na pohlcení energie svazku

38 LHC Data Frekvence srážek 1 Ghz Objem dat z jedné srážky ~ 1 Mb Není možné zpracovávat a ukládat informace z každé srážky Trigger Redukce na 200 Hz Více než 200 MB za sekundu, 20 TB za den, 5 PB za rok z jednoho experimentu! Řešením jsou distribuované počítačové kapacity grid Mt. Blanc (4.8 Km)

39 LHC Data

40 LHC je ve velmi dobré kondici! pp PbPb 2010 pp PbPb 2011

41 Téma : Detektory

42 Detekce částic Urychlovač je pouze nástroj Při srážce vzniká velké množstvi částic Třeba je detekovat změřit energie, hybnosti a identifikovat dráhy

43 ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS

44 Detektory na LHC (2)

45

46

47 Z boson

48 Top kvark

49

50 Největší umělá jeskyně na světě

51 Toroidální cívky pro magnetické pole mionového systému+calorimetr

52 Téměř hotový detektor

53 Kontrolní místnost Kontrolní místnost...

54 ...skutečná kontrolní místnost

55 Další detektory na LHC

56 CMS

57 ALICE

58 LHCb

59 Téma třetí : Těžké Ionty

60 Hmota za extrémních podmínek Co se děje s hmotou při extrémním stlačování nebo zahřívání? Jaká byla forma hmoty s po velkém třesku při teplotě ~1012 K Jaké jsou vlastnosti hmoty uvnitř neutronových hvězd a při výbuchu supernov? Existují podivné nebo kvarkové hvězdy?

61 Nová forma hmoty - QGP V normálním prostředí jsou kvarky uvězněny uvnitř hadronů Při vysoké teplotě nebo hustotě se vytváří systém složený z volných kvarků a gluonů Kvarky a gluony stále uvězněny v objemu média Nejen studium hmoty, která existovala krátce po velkém třesku, ale i vlastností silné interakce a původu hmoty.

62 Jaderná hmota makroskopický pohled

63 Těžké ionty na LHC

64 QGP

65 Potlačení produkce J/Ψ a dalších quarkonií T = 3 TC Υ χb J/ψ Y' χb ' χc Y'' ψ' T = TC

66 Jety v HI Nejpřímější důkaz existence QGP Možnost měření vlastností QGP na základě modifikace jetu. Studium QCD Celková jetová rekonstrukce na LHC

67 Jety v HI

68 Jety v HI

69 Téma čtvrté : p+pb srážky

70 Proč srážet p+pb? Možnost zkoumat efekty studené jaderné hmoty (nevzniká QGP) Kalibrace pro Pb+Pb Měřeni QCD Saturace počátečního stavu Mnoho teorii pro popis nejznámější CGC

71 První výsledky...

72 Téma páté: Higgsův boson

73 Detekce higgsova bosonu

74 Jak Higgs vzniká na LHC? Analyzováno srážek ~10000 Higgsových bosonů

75 Jak se Higgs rozpadá? Kvark b a anti-b Dva fotony Dva tau leptony Dva W bosony Dva Z bozony Dominantní rozpadový kanál dle hmoty HB ATLAS a CMS hledají HB v různých kanálech

76 Jaká byla očekávání (1990)...

77 První zajímavé výsledky... Podzim 2011

78 , CERN

79

80 A

81 Jak se na to přišlo... Signifikance 5σ % probability

82 H γγ

83 H llll

84 H llll

85 Jak víme, že jde o boson? Boson celočíselný spin SM Higss boson: spin 0 Z blogu Aidan Randle-Conde

86 O jaký boson se jedná? Je to opravdu Higgsův boson? detailní studium jeho vlastností Pokud ano, jde o SM Higgs boson nebo nějaky jiný? Výsledky kompatibilní s Higgsovým bosonem Rozpad na dva fotony naznačuje, že by se nemuselo jednat o SM HB Avšak stále nedostatečná statistika!

87 Problémy standardního modelu Hierarchy problém: Řešením je fyzika za standardní model: SUSY Composite Higgs model Technicolor + mnoho dalších nedovysvětlených jevů (neutrina, temná hmota,...)

88 Téma sedmé : Supersymetrie a fyzika za standardní model

89

90

91 Téma osmé : CP narušení

92 Co je CP? C nábojové sdružení transformace od částice k antičástici P parita transformace k zrcadlovému obrazu Pozoruje se narušení C i P, ale dlouho se předpokládalo zachování CP Narušení CP pozorováno r v oscilacích neutrálních kaonů Dnes se předpokládá zachování CPT Přesah do kosmologie proč ve Vesmíru převažuje hmota nad antihmotou? Sakcharov (1967) - 3 počáteční podmínky: 1) Nestabilita protonu 2) CP narušení 3) Vesmír prošel extrémně rychlou expanzí

93

94 Narušení CP na LHCb Měření narušení CP v měření rozpadu B0 mezonu Počet rozpadu B0 Počet rozpadu anti-b0 Pozoruje se větší narušení než předpovídá SM! Fyzika za standardní model, nové částice?

95 Téma deváté: Neutrina

96 Nové měření detektoru OPERA Experiment CNGS (CERN to Grand Saso) Přesné měření doby letu neutrina Přílet neutrin 60ns před světelný signálem (v-c)/c = (2.48 ± 0.28 (stat.) ±0.30 (sys.)) x 10-5 Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam

97

98 Měření změny vzdálenosti a pulzů

99 Měření změny vzdálenosti a pulzů

100

101 Děkuji za pozornost!