High Energy Physics Jiří Kvita, MFF UK

Transkript

1 High Energy Physics Jiří Kvita, MFF UK

2 High Energy Physics Experimentalist s point of View O čem budu povídat? Co chceme (a mů můžeme) pozorovat v mikrosvě mikrosvětě. Částice a Standardní Standardní Model. Detektory. Urychlovač Urychlovače. Příklady a obrá obrázky. Osobní Osobní zkuš zkušenost ::- )

3 Co je to částice? Jaké vlastnosti můžeme měřit? A jak? Náboj, spin, hmota. Parita, isospin, podivnost Baryonové číslo, leptonové číslo. Kinematika: hybnost, energie. Jsou to kuličky? :-) Jak je můžeme vidět, sáhnout si na ně? Mikroskopy, měření polohy Kvantová mechanika: vlnový i korpuskulární charakter, relace neurčitosti. Nerozlišitelnost stejných částic. Bosony a fermiony. Kvantová teorie pole: kvanta polí, které se určitým způsobem transformují vůci Lorentzově transformaci:-) Kreační a anihilační operátory, částicová intepretce. Částice a antičástice.

4 Úvod aneb Již staří Řekové Atomová hypotéza, chemie, prvky Objev radioaktivity, elektronu. Objev atomového jádra (Rutherford, Geiger, Marsden) Objev neutronu, kosmického záření, mionu, mezonů Who ordered that?! Speciální relativita, kvantová mechanika, teorie pole, Astrofyzika. Stále stejné (a jednoduché:-) principy, jen složitější praktická realizace, vyšší energie, složitější urychlovače.

5 Jak částice vypadají? Snímek z bublinové komory: v přehřáté kapalině dochází lokálně k varu podél prolétávajících částic (ionizace). Dráhy zakřiveny v magnetickém poli.

6 Některé objevy I Radioaktivita Elektron: katodové paprsky Proton: nejlehčí jádro Neutron: α + 9 Be 12 C + n (pronikavé neutrální záření) Pozitron: kosmické záření (Anderson 1932) Neutrino: reaktorová antineutrina, roztok CdCl 2 ν + Cl X + n + e + (inverzní beta rozpad) n + Cd Cd* Cd + γ (záchyt neutronu) Objev struktury protonu. Gluon, barva kvarků. Podivnéčástice : rodí se v silných interakcích, ale rozpadají se pomalu (slabá interakce). Objev s kvarku: mlžné komory.

7 Některé objevy II Pozitron: kosmické záření (Anderson 1932) Jak poznáme, že jde o elektron či pozitron? Magnetické pole zakřivuje dráhu. Stupeň ionizace a znalost hybnosti: Lze určit druh částice. Olověná deska: sníží energii.

8 Standardní model mikrosvěta Částice a síly I Částice: Leptony: elektron a neutrino + dvě další rodiny Kvarky: tvoří hadrony - mezony q-antiq - baryony (qqq) Intermediální bosony W ±, Z, γ, 8 gluonů Předpovězený Higgsův boson. Síly (interakce): Gravitační zanedbáváme :-) Slabá + Elektromagnetická = Elektroslabá Silná

9 Standardní model mikrosvěta Částice a síly II

10 Standardní model mikrosvěta Částice a síly III

11 Průchod částic hmotou I Ionizační ztráty: Bethe-Blochova formule. Brzdné záření (bremsstrahlung): významné u elektronů. Radiační délka. Kritická energie: ionizační ztráty = brzdné ztráty. Závislost předávané energie podél jednotkové dráhy na hybnosti pro miony:

12 Průchod částic hmotou II Fotony: Compton, Fotoefekt, kreace elektron-pozitronových párů. Fotojaderné procesy. Jaderné interakce: interakční délka. Čerenkovovo záření: Je-li rychlost částice vyšší než rychlost světla v daném prostředí, vzniká elektromagnetická rázová vlna. Realizace: radiátor (vhodný index lomu), detektor (fotonásobič). cos θ = 1/nβ Jde o měření rychlosti!

13 Druhy detektorů Detekce nabitých a neutrálních částic. Registrační počítače: Geiger-Müller, ionizace, výboj v plynu. Dráhové: Mlžné komory (Cloud chambers) Bublinové komory (Bubble chambers) Drátové komory (Wire chambers) Time projection chambers Multiwire drift chamber (Charpak, Nobelova cena) Polovodičové detektory: NP přechod, vysoké prostorové rozlišení. Měření energie ( Kalorimetrie ) Identifikace částic: přechodové záření Čerenkovovo záření Specializované detektory: e.g. neutrina.

14 Bublinová komora

15 Bublinová komora

16 Objev Ω-

17 Měření energie (Kalorimetrie) I Prolétávající částice ionizuje. Energii lze odhadnout měřením náboje. Scinitilační detektory: speciální materiály schopné fluorescence. Energie úměrná počtu fotonů. Jaké materiály a typy detektorů použijeme? Organické scintilátory: π elektrony (antracen, polystyren) Anorganické scintilátory: NaI, olovnaté sklo. Světlo můžeme sbírat z celého objemu detektoru: výhoda dobrého rozlišení (malá chyba měření).

18 Měření energie (Kalorimetrie) II Prolétávající částice ionizuje. Energii lze odhadnout měřením náboje. Scinitilační detektory: energie úměrná počtu fotonů. Jaké materiály a typy detektorů použijeme? Samplovací kalorimetry: Aktivní vrstvy se střídají s absorbérem. Kalorimetr tak může být menší Zastaví energetičtější částice. Daň je statistická fluktuace v měření energie. Materiály a způsoby řešení: Scintilátor + Absorbér (Fe, Cu, Ni, U). Sběr světla optickými vlákny, fotonásobiče. Kapalný Argon (LqAr), drift elektronů v eletrickém poli (vysoké napětí).

19 Některé společné rysy experimentů Vysoká četnost srážek: nutnost rychle se rozhodnout, zda událost je zajímavá a chceme ji zaznamenat, všechny zapsat nemůžeme ( trigger ). Rekonstrukce události ze spoustu signálů v elektronice. Zákon zachování příčné hybnosti. Dráhové detektory: hledání tracků, měření hybnosti. Elektromagnetický kalorimetr: elektrony, fotony, částečně hadronové spršky ( jety ). Hadronový kalorimetr: jety (hadronová sprška, jaderné interakce). Mionové komory (miony málo ionizují, neinteragují silně: pronikají daleko). Podle tohoto schématu navržena většina víceúčelových detektorů: CDF, D0 (Fermilab) H1, Zeus (Desy) OPAL, Delphi, Aleph, L2 (byly na urychlovači LEP, CERN) ATLAS, CMS (budují se v Cernu) Star, Phenix (RHIC, Brookhaven)

20 Jaké Fyzikální veličiny chceme měřit? Pravděpodobnost určitého typu srážky, dané události (účinný průřez, dynamika daného procesu). Hmotnosti a doby života částic. Spektra energií, impulsů, úhlová rozdělení Způsoby rozpadu nestabilních částic (rozpadové kanály). To vše lze srovnávat s teoretickými předpověďmi! Stanovit limity na pozorování nových jevů. Objevit :-) Detailním studiem srážkových procesů získáváme hluboké znalosti o struktuře Mikrosvěta, ale také podmínek krátce po vzniku Vesmíru: propojení částicové fyziky a astrofyziky!

21 Urychlovače I Co můžeme srážet? Co lze urychlovat? Proč srážet? Co měříme? Proton-proton collisions are like smashing to pocket watches together to see what they are made of Aneb Co se stane při srážce dvou protonů? Z každého protonu se srazí jeden kvark nebo gluon (parton), každý nese část energie původního protonu. Energie srážejících se částic se tak mění: výhodné pro hledání nové částice s neznámou hmotou, nevýhodné pro rekonstrukci eventu: neznáme podélnou hybnost. Alespoň suma příčných hybností však musí být nula (zákon zachování příčného impulsu:-) Topologie urychlovačů: Cyklotrony: velký magnet, urychlovací štěrbina. Lineární urychlovače: mnoho urychlovacích prvků. Kruhové (synchrotrony): malý objem magnetického pole, jeden urychlovací prvek.

22 Urychlovače II Experimenty s pevným terčem: jednoduché uspořádání malá energie v těžišťovém systému. Terč: kapalný vodík, kovové terče pro produkci sekundárních svazků. Vstřícné svazky: technicky náročné srážet vysoká energie srážek. Částice+antičástice: jedna trubice, jeden urychlovač, jedna optika.

23 Urychlovače - Historie Cyklotron Mikrotron

24 Urychlovače - Lineární Elektrostatické (Van der Graaf), Indukční, Radiofrekvenční. Stanford Linear Accelerator Center (SLAC, Kalifornie) objev struktury protonu. Linac ve Fermilabu:

25 Urychlovače - Kruhové Dipólové magnety: zakřivování svazku. Kvadrupólové: fokusace. Synchrotronové záření: Vyzařováno částicí při změně směru. Intenzita úměrná R/m 2. Problém hlavně pro elektrony. Někdy se však používá a záměrně generuje!

26 Urychlovače - Kruhové Accelerator = urychlovač :-) Collider = srážkovač :-) Urychlování: radiofrekvenční kavity Urychlované částice: Nejčastěji elektrony, pozitrony, protony, antiprotony. e + -e - kolize (LEP, Cern, ukončen) laditelná a přesná energie. e-p kolize (HERA, Hamburg) p-pbar kolize (Fermilab, now!) různé energie srážek partonů p-p kolize (LHC, Cern, 2007)

27 Příklad: Fermilab Fermi National Accelerator Laboratory Batavia, Illinois, USA Urychlovač Tevatron: proton-antiprotonové srážky při energii 1.96 TeV. Poloměr 1km, komplex více urychlovačů. Dva hlavní collider experimenty: CDF, D0. Další fixed target experimenty. Neutrinová fyzika.

28 Urychlovače: Komplex Tevatronu Fermilab Výroba antiprotonů: produkce ostřelováním terče protony malá účinnost, drahé (více než platina:-) magnetem vyberu vhodné částice.

29 Urychlovače: Komplex Tevatronu Fermilab Tevatron: Svazek částic rozdělen do několika (36) buřtů (bunches). 12 bunches = superbunch. Interval mezi kolizemi: 396 ns. Oběh téměř rychlostí světla: 21µs (6.28 km :-). Protonový buřt: částic. Antiprotonový buřt: částic. Luminosita: kvalita svazku a srážení: Jak jsou bunche husté, jak dobře se trefujeme.

30 DØ Detector at Fermilab

31 DØ Detector at Fermilab

32 DØ Detector at Fermilab

33 Z e + e - event Events Mass - Z Candidate 450 Data PMCS+QCD QCD bkg D0 Run II Preliminary p p q q Z l l invariant mass(gev)

34 Top kvark Objev top kvarku ve Fermilabu vedl k dalšímu studiu jeho role ve Standardním Modelu. Jen několik vlastností top kvarku bylo zatím přímo měřeno (např. hmota, helicita W z rozpadu top kvarku)

35 ttbar Event in the DØ Detector Pár top-anti top rozpadající se na WbWb a následně na 4 jety, elektron a neutrino. Red: EM Calorimeter Blue: Hadronic Calorimeter Yellow: Missing Energy (neutrino signature)

36 Studium top kvarku Studium top kvarků v DØ může posunout naše limity na nové fyzikální jevy doposud ukryté v pozadí. Velká hmota top kvarku jej činí zajímavým pro hledání rezonancíči nových interakcí. Rozdělení kinematických veličin je důležitý test teoretických předpovědí.

37 Co znamená práce s daty v praxi? Experimentalist s point of View C++, linux, ROOT, bash, Python, Fortran, html Práce ve velké skupině, projekty, spolupráce s lidmi Kolik to stojí? Moc :-) Fermilab má rozpočet asi $1M/day. Ale lepší než to nacpat do zbraní, ne? :-) Kromě disertace (vlastnosti top kvarku a jeho rozpadových produktů) sloužíme směny u detektoru (kalorimetru a mionové systémy). Kalibrace kalorimetru (uniformita), práci pro Jet Energy Scale skupinu, jejímž úkolem je kalibrovat energie jetů. DØ Control Room :-) A co z toho? Základní výzkum: hašení lidské zvědavosti:-) Aplikace detektorů a urychlovačů v medicíně (NMR, CT, PET, radioterapie ).

38 Laboratoře s urychlovači a detektory ve světě (bez pokusu o kompletnost) CERN (FR / CH) LEP (ukončen), LHC ve výstavbě DESY (Německo) HERA Fermilab (USA) - Tevatron Brookhaven (USA) RHIC, Relativistické srážky těžkých iontů. SLAC (USA) lineární urychlovače, fyzika mezonů. KEK, Kamioka (Japonsko) neutrina, mezony. Frascati, Gran Sasso, (Itálie) Sudbury (Kanada) neutrina. Orsay, Saclay, Grenoble (Francie) PSI (CH), Bonn

39 CERN, Fermilab, Brookhaven, DESY

40 Příklady a obrázky:-) Neutrino jak viděno v SuperKamiokande detektoru: Čerenkovský kroužek od rozptýleného leptonu. Uvnitř detektoru: fotonásobiče, citlivé detektory světla.

41 Příklady a obrázky:-) Messy heavy ion collisions:-) Studium husté horké hmoty, termodynamiky a fázových přechodů v QCD. Kvark gluonové plasma? Simulace atmosférické spršky indukované kosmickým zářením.

42 Atlas Budoucí detektor na urychlovači LHC v Cernu Plán verus současný stav :-)

43 What s up now? :-) V současnosti běží proton-antiprotonový srážkovač Tevatron ve Fermilabu (přibližně 2TeV energie). V Cernu se staví proton-protonový (!) urychlovač LHC 7+7 TeV :-) Probíhají experimenty při nižších energiích, které jsou naladěny na energie zajímavých částic pro studium symetrií mezi hmotou a antihmotou (b factories). Také se zkoumají srážky těžkých iontů, kosmické záření Hitem jsou bezesporu neutrina, nedávno prokázané oscilace znamenají, že jejich hmota není nulová. Není rozřešeno, zda neutrino je svou vlastní antičásticí či nikoli. Chybějící kamínek do Standardního Modelu je Higgův boson: pokud existuje, bude objeven na LHC. V plánu je projekt lineárního urychlovače, jenž podrobněji proměří Higgse. nebo cokoli jiného, co LHC objeví (extra dimenze, supersymetrické částice )