Úvod do experimentální fyziky vysokých energií

Transkript

1 Úvd d experimentální fyziky vyských energií aneb z čeh se skládá hmta, jaké síly ji vládají a jak prbíhá experimentální výzkum J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR kurz na PŘF UP Olmuc Mderní technlgie ve studiu aplikvané fyziky reg. č.: CZ.1.07/2.2.00/

2 Něc ke čtení J. Hřejší, Histrie standardníh mdelu mikrsvěta D. H. Perkins, Intrductin t particle physics. T.R.N. Cahn, G. Gldhaber, The Experimental Fundatins Of Particle Physics. W. R. Le, Techniques fr Nuclear and Particle Physics Expeiments. J. Chýla, Quarks, Partns and Quantum Chrmdynamics 2

3 Prgram 1. "Cihly a malta, ze kterých je slžen náš svět" ( CERN) základní bjevy systematika částic sučasný stav našich znalstí základní kameny hmty a jejich interakce dsud nezdpvězené tázky 2. Interakce částic s prstředím průchd nabitých částic prstředím v závislsti na energii elektrmagnetické a hadrnvé spršky 3. Detektry metdy detekce částic, vybrané typy detektrů 4. Urychlvače částic principy urychlvání, pužívaná zařízení 5. Velké sučasné a buducí experimenty na urychlvačích experimenty na urychlvačích LEP a Tevatrn, nejdůležitější výsledky Atlas@LHC 3

4 Téma 1 Cihly a malta, ze kterých je slžen náš svět Není nic než atmy a prstr, všechn statní jsu jen dmněnky" - Demkrits z Abdery 4

5 Trcha histrie (1) Některé důležité bjevy: ( elektrn (J.J.Thmsn, 1894): studium vlastnstí katdvéh záření atmvé jádr (E. Rutherfrd, 1912): rzptyl alfa-částic na tenké flii zlata planetární mdel atmu neutrn (J. Chadwick, 1932): bjeven v reakci: α + 9 Be 12 C + n neutrální částice se stejnu/velmi blízku hmtnstí jak prtn vysvětlení slžení atmvéh jádra prblémy s beta-rzpadem, pstulván neutrin (W. Pauli, 1931). Nejjedndušší beta-rzpad: n p + e + ν e existence neutrina ptvrzena experimentálně až v rce

6 Trcha histrie: bjev elektrnu (1.2) Výbje ve zředěném vzduchu byly pzrvány a ppsány již v rce 1705!!! Crmwell Fleetwd Varley ( ) dspěl v rce 1871 k závěru, že katdvé paprsky by mhly být tvřeny záprně nabitými částicemi. Ty by se ttiž uhýbaly v magnetickém pli stejným směrem jak t pzrval u katdvých paprsků.. supeření pkusů vysvětlit katdvé paprsky jak vlny (Gldstein, Hertz) neb jak tk částic (Varley, Crks) (animace) 6

7 Trcha histrie: bjev elektrnu (1.2) J. J. Thmsn se začal studvat katdvé paprsky v rce 1894, když byl zjištěn, že se vychylují účinkem magnetickéh ple. Pkusil se změřit jejich rychlst a dspěl k hdntě m/s. V rce 1895 Jean Perrin zjistil, že katdvé paprsky nesu záprný nábj. Z dletu ve vzduchu Thmsn usudil, že mlekuly jsu mnhem menší než jsu mlekuly plynu. Při pzdějších pkusech Thmsn naměřil rychlst katdvých paprsků m/s! J. J. Thmsn ( ) Změřil také pměr q/m a t jak pr katdvé paprsky, tak pr vdík. I když neznal hdnty q a m, a mhl se dmnívat, že nábj elektrnu je jiný než nábj vdíku, ale z rzdílu veliksti mlekul usudil, že elektrn je mnhem lehčí než vdík. Studium katdvých paprsků pkrčil, když Geissler v rce 1855 vynalezl nvý typ vývěvy, ve které rtuťvý slupec nahradil píst. 7

8 Trcha histrie: bjev elektrnu (1.2) 8

9 Trcha histrie: Rutherfrdův pkus (1.2) Ernest Rutherfrd získal v rce 1908 Nbelvu cenu za chemii - bjevil transmutaci thria na radn a změřil plčas rzpadu radnu. V rce 1906 zjistil, že α částice jsu vlastně jádra helia. Ve vakuvé nádbě s α zářičem se p čase dala spektrskpicky dkázat přítmnst helia. V rce 1909 uskutečnili Rutherfrd, Geiger a Marsden pkus s rzptylem α částic na flii zlata. Měření prváděli pčítáním zásahů na ZnS stínítku, kde dražená α částice vyvlala kratičký záblesk. Pzrvatel musel půl hdiny adaptvat zrak v temné kmře a nebyl schpen pčítat více jak 90 událstí za minutu. P minutě pčítání si musel dpčinut. Rutherfrd a jeh klegvé napčítali při svých pkusech statisíce záblesků. Ernest Rutherfrd ( ) Hans Geiger získal velmi silnu mtivaci vyvíjet lepší detektry! 9

10 Trcha histrie: Rutherfrdův pkus (1.2) V dbě pkusu převládal mdel švestkvéh pudingu, který předpkládal, že elektrny a prtny jsu rvnměrně rzmístěné v celém bjemu neutrálníh atmu. P něklika dnech měření Geiger prhlásil: Byla t ta nejneuvěřitelnější věc která se mi kdy stala. Byl t skr tak neuvěřitelné, jak když vypálíte 15ti palcvý granát na list papíru a n se drazí a trefí vás. Tent vzrec platí v kvantvé fyzice i v klasické mechanice (animace). 10

11 Ruthefrdův experiment (1.3) Odhad veliksti atmvéh jádra: m= kg, q1=2e, q2=79e, v = m s -1 a0 = m ( < m) Vztah pr účinný průřez Klasické dvzení: na základě záknů zachvání energie a mmentu hybnsti lze dvdit přesný vztah pr účinný průřez QM dvzení: kvadrát amplitudy rzptylu dσ/dω = f(ϑ) 2 Brnva aprximace: f(ϑ) exp(iqr) V(r) dr, V(r) 2αm/r, f(ϑ) 2αm/q 2 dσ/dω α 2 m 2 /4p 4 sin 4 (ϑ/2) 11

12 Slžený bjekt, bjevvání struktury ( ) Malé předané hybnsti: rzptyl na bdvém nábji Σα i Prnikáme d struktury hmty!!! Velké předané hybnsti: Inkherentní suma přen N nábjů, Tj. rzptyl na N bdvých nábjích α i 12

13 Trcha histrie: bjev neutrnu (1.2) James Chadwick ( ) James Chadwick získal v rce 1935 Nbelvu cenu za bjev neutrnu. T tevřel cestu k dalším mžnstem štěpení jader nebť na neutrální neutrny nepůsbí dpudivé elektrické síly jak na α částice, pužívané d té dby. Již v rce 1930 Walter Bthe a H. Becker bmbardvali berylium 9 4 Be α částicemi a pzrvali emisi energetickéh záření, které se nezahýbal v magnetickém pli. Zprvu se dmnívali, že se jedná γ záření. Pzději manželé Curievi zjistili, že tt záření vyráží prtny z parafínu. Chadwick pchpil, že prbíhají reakce: He + Be C + n He + B N + n a ze znalsti hmt 11 5 B a 14 7N určil hmtu neutrnu. Hmty iztpů znal díky měřením Williama Astna, vynálezce hmtvéh spektrskpu (Nbelva cena v rce 1921). Objevil 213 z 276 přírdních iztpů zákn celých čísel atmvých hmt. (animace) 13

14 Trcha histrie: bjev neutrnu (1.3) Objev neutrnu pmhl vysvětlit prblém spinu N 14 Ferminny = plčíselný spin, Bsny = celčíselný V QM je každá vlnvá fce (anti)symetrická vůči záměně dvu (ferminů)bsnů. Před Chadwickem byla představa, že v jádru např. N 14 je 14 prtnů (kvůli hmtě atmu) a 7 elektrnů (k vykmpenzvání nábje) Slžením 21 ferminů ale nutně vznikne fermin Ovšem např. ze spektrskpických pzrvání dusíkvé mlekuly zřejmé, že její vlnvá fce je symetrická vůči výměně dvu jader tj. musí být N 14 bsn Objev neutrnu prblém vyřešil, jádr má 7 neutrnů a 7 prtnů, ty již na celčíselný spin slžíme 14

15 Neutrn a/neb neutrin V beta rzpadech chyběla energie a hybnst Zachvávají se vůbec v mikrsvětě? (Heisenberg, Bhr ) Pauli: t c nevidíme neznámá neutrální částice neutrn. Dear Radiactive Ladies and Gentlemen, December 4, 1930 As the bearer f these lines, t whm I graciusly ask yu t listen, will explain t yu in mre detail, hw because f the wrng statistics f the Nitrgen and Lithium 6 nuclei and the cntinuus beta spectrum, I have hit upn a desperate remedy t save the exchange therem f statistics and the law f cnservatin f energy. Namely, the pssibility that there culd exist in the nuclei electrically neutral particles, that I wish t call neutrns, which have spin 1/2 and bey the exclusin principle and which further differ frm light quanta in that they d nt travel with the velcity f light. The mass f the neutrns shuld be f the same rder f magnitude as the electrn mass and in any event nt larger than 0.01 prtn masses. The cntinuus beta spectrum wuld then becme understandable by the assumptin that in beta decay a neutrn is emitted in additin t the electrn such that the sum f the energies f the neutrn and the electrn is cnstant... Yur humble servant, W. Pauli 15

16 Trcha histrie (2) Lákavá představa z těcht částic by šel pskládat svět klem nás: hmta se skládá z atmů atm se skládá z jádra (prtny, neutrny) a elektrnvéh balu Je t ale všechn? 16

17 Trcha histrie (3) Základní síly: silná: drží phrmadě prtny a neutrny v atmvém jádře, překnává elektrstatické dpuzvání kladně nabitých prtnů elektrmagnetická: půsbí mezi nabitými částicemi, zdpvědná mj. za chemické vlastnsti prvků (knfigurace elektrnvéh balu atmu) slabá: zdpvědná za radiaktivní beta-rzpady jader, také za rzpad vlnéh neutrnu gravitační: půsbí mezi všemi hmtnými tělesy, na úrvni částic jsu její prjevy zanedbatelné 17

18 Objevy v ksmickém záření (1) V ksmickém záření byly pstupně bjeveny další částice: pzitrn (Andersn, 1930).... první bjevená antičástice!!! bjev kladně nabité, velmi lehké částice p = 63 MeV 6 mm p = 23 MeV 18

19 Objevy v ksmickém záření (2) částice μ (1936), pzději se ukázal, že jde "těžký elektrn" mezny π, ve 3 nábjvých variantách (Yukawvy částice π +, π, π 0 ) pdivné částice: prdukují se v párech např. π + p Λ 0 + K 0 rzpadají se pmalu (slabá interakce), ačkli mají velku hmtnst mnh rzpadvých mdů a další částice byly bjeveny na urychlvačích Najednu máme mnh částic s různými vlastnstmi: hmtnst, elektrický nábj, střední dba živta spin (vnitřní mment hybnsti), magnetický mment parita Chtěl by t zavést nějaký řád 19

20 Systematika částic (1) Snaha uspřádání částic pdle jejich vlastnstí: hadrny (interagují silně, např. p,n,π) leptny (slabě, případně elmg, např. e,μ) mezny baryny bsny (celčíselný spin) ferminy (plčíselný spin) Na základě pzrvání pstulvány další zákny zachvání: barynvé a leptnvé čísl pdivnst (další kvantvé čísl, zachvává se puze v silných interakcích) parita (multiplikativní kvantvé čísl, zachvává se v silných a elmg. interakcích) T je sice hezké, ale přád máme těch elementárních částic nějak pdezřele mc 20

21 Systematika částic (2) Základní vlastnsti hadrnů známých v šedesátých letech 20.stletí lze vysvětlit pmcí tzv. knstituentních kvarků Kvarkvý mdel (Zweig, Gell-Mann): základní knstituenty hadrnů jsu kvarky u,d,s slžení částic: baryny se skládají vždy ze 3 kvarků: p = (uud), n = (udd), Λ 0 = (uds) mezny jsu slženy z páru kvark-antikvark: π + = (ud), K = (su) jaké jsu tedy vlastnsti kvarků? ferminy se spinem ½ zlmkvý elektrický nábj Q(u) = ⅔, Q(d,s) = ⅓ zlmkvé barynvé čísl B = ⅓ mají další vnitřní stupeň vlnsti zvaný barva (existují 3 barevné stavy) Zprvu šl jen matematický mdel, ale... existence částice Ω = (sss) by jinak byla v rzpru s Paulih vylučvacím principem 21

22 Jak vznikl slv kvark FINNEGANS WAKE James Jyce, Bk II chapter 4: Three quarks fr Muster Mark! Sure he hasn't gt much f a bark And sure any he has it's all beside the mark....'i emplyed the sund ''qurk'' fr several weeks in 1963 befre nticing ''quark'' in ''Finnegans Wake'', which I had perused frm time t time since it appeared in The allusin t three quarks seemed perfect. I needed an excuse fr retaining the prnunciatin qurk despite the ccurrence f ''Mark'', ''bark'', ''mark'', and s frth in Finnegans Wake. I fund that excuse by suppsing that ne ingredient f the line ''Three quarks fr Muster Mark'' was a cry f ''Three quarts fr Mister...'' heard in H. C. Earwicker's pub.'---m. Gell-Mann, private let. t Ed., 27 June

23 Jak vznikl slv kvark Neb Gell-Mann uměl německy Quark, der - tvarh - maličkst - hlupst - nesmysl - nictnst da liegt der Quark - t tu máme!; tu t vězí 23

24 Systematika částic: sminásbná cesta (2.1) _ Grupa SU(3) => 3x3x3 = , 3x3=8+1 T3 24

25 Systematika částic: kam s půvabem? Grupa SU(4) Uspřádání meznů se spinem 0 a se spinem 1. C Y T3 25

26 Systematika částic: kam s půvabem? Uspřádání barynů se spinem 1/2 a se spinem 3/2. C Y T3 26

27 Systematika částic (3) ve srážkvých experimentech se ukázal, že kvarky skutečně existují vnitřní struktura prtnu pzrvána v nepružných srážkách e+p při vyských energiích prblémy kvarkvéh mdelu: vlné kvarky nebyly pzrvány prkázání existence barvy? zlmkvý elektrický nábj? 27

28 Ppis interakcí částic (1) Ve světě částic se síly ppisují jak vzájemné půsbení částic hmty s jinými částicemi tzv. nsiteli interakce: Příklad: interakce elektrnu s elektrnem, vyměňují si ftn: Feynmanův diagram 28

29 Ppis interakcí částic (2) Ve světě částic každá reálná částice s sebu nese blak virtuálních částic, pdbně si lze představit i vakuum T umžňují Heisenbergvy relace neurčitsti 29

30 Systematika částic: struktura prtnu (3.1) hlubký nepružný rzptyl e+p je jakási bdba Rutherfrdva pkusu.. Kinematika Elastický rzptyl, bdvý prtn Inelastický rzptyl 30

31 Systematika částic: struktura prtnu (3.2) Partnvý mdel (Bjrken Feynman): prtn se skládá z partnů (kvarků), na kterých se dehrává elastický rzptyl STRUKTURNÍ FUNKCE Partn nese hybnst xp Inelastický účinný průřez je tak inkherentním sučtem individuálních účinných průřezů na partnech x Σ i e i d i (x) [(1-y) + 1/2y 2 - (M/x) 2 (xy/s)] 31

32 Systematika částic: struktura prtnu (3.2) F 2 nezávisí na předané hybnsti Q 2 tzv. škálvání T byl veliké experimentální překvapení A úspěch partnvéh mdelu spčívá v tm, že t dkáže vysvětlit 32

33 Ppis interakcí částic (2) Interakce se pak ppisuje v rámci kvantvé terie ple, např. interakční langrangián kvantvé elektrdynamiky (částice elektrn, pzitrn, ftn) vypadá: L = ¼F μν F μν + ieψ γ μ ψa μ mψψ kde: ψ je spinr elektrnu, m představuje hmtu elektrnu F μν = μ A ν ν A μ je tenzr energie elektrmagnetickéh ple A μ je čtyř-ptenciál elektrmagnetickéh ple A μ = (φ, A) Lrentzva kalibrační pdmínka: μ A μ = φ/(c 2 t) + A = 0 Maxwellvy rvnice pr vlné elmg. ple ve vakuu: μ μ A ν = 0 Ppsat sílu v mikrsvětě částic znamená ppsat interakci částic hmty s nsiteli interakce 33

34 Sučasný stav našich znalstí (1) Základní "cihly" hmty jsu kvarky a leptny existují 3 rdiny/generace fundamentálních částic, všechny jsu ferminy se spinem ½ každu rdinu tvří 2 kvarky a 2 leptny, celkvý elektrický nábj ΣQ = 0 v každé rdině ke každé částici existuje antičástice (stejná hmtnst, střední dba živta a spin, pačný elektrický nábj) stabilní hmta ve vesmíru je slžená z částic 1.rdiny + γ, Z 0, W +, W -. g a H 0 34

35 Sučasný stav našich znalstí: kvarky (1.1) 35

36 Sučasný stav našich znalstí (2) Fundamentální interakce ("malta") ve světě elementárních částic: silná: půsbí mezi kvarky, nsitelem interakce jsu gluny (je jich 8) nábj: barva ppsána pmcí kvantvé chrmdynamiky silné jaderné síly mezi prtnem a neutrnem v jádře jsu vlastně zbytkvým prjevem silné interakce na úrvni kvarků elektrmagnetická: půsbí mezi nabitými částicemi nábj: elektrmagnetický ppsána pmcí kvantvé elektrdynamiky, pzději pmcí sjedncené terie elektrslabých interakcí slabá: půsbí mezi kvarky i leptny, nsitelem jsu intermediální bsny W ±, Z 0 nábj: slabý ppsána pmcí sjedncené terie elektrmagnetických a slabých interakcí Nsitelé všech 3 interakcí jsu bsny se spinem 1 36

37 Sučasný stav našich znalstí (3) Teretický rámec bsahující kvarky a leptny (ferminy se spinem ½) jak základní částice hmty interakce zprstředkvané bsny se spinem 1 (gluny, ftn, intermediální bsny W,Z) dstal jmén STANDARDNÍ MODEL 37

38 Standardní mdel (1) Pmcí maléh pčtu základních principů, stavebních kamenů a základních parametrů ppisuje svět nejmenších částic Přes 30 let dlává stále tvrdším prvěrkám v experimentech Nalézá uplatnění i ve fyzice na největších vzdálenstech (astrfyzika, vývj vesmíru v raném stadiu) "Odrazvý můstek" pr nvu fyziku 38

39 Standardní mdel (2) SM ppisuje silné interakce mezi kvarky, v experimentu ale pzrujeme puze hadrny. Prč? Kvarky nemhu existvat jak samstatné částice. Vlastnsti kvantvé chrmdynamiky jsu takvé, že kvarky tvří puze barevně neutrální ( bílé ) kmbinace - cž jsu běžné hadrny. vyřešení uvěznění kvarků 39

40 Příklady interakcí v SM (1) Rzpady částic: 40

41 Příklady interakcí v SM (2) Anihilace: 41

42 Příklady interakcí v SM (3) Vytváření nvých částic při srážkách e + e 42

43 Příklady interakcí v SM (4) Standarní mdel ppisuje jen interakci mezi fundamentálními částicemi, nikli už hadrnizaci Hadrnizace (důsledek uvěznění kvarků) je ppsána různými mdely hadrnizace hadrny 43

44 A přece vidíme kvarky Hadrnvé jety 44

45 Otevřené prblémy (1) Je Standarní mdel knečnu terií? Těžk, prtže: příliš mnh základních parametrů (např. vazbvé knstanty, hmty částic,...) dkud se beru hmty částic? Standardní mdel vysvětluje hmty částic jak důsledek interakce s tzv. Higgsvým plem. Nicméně, Higgsův bsn dsud nebyl experimentálně prkázán (jediná dsud nebjevená částice z SM) SM nebsahuje gravitaci 45

46 Otevřené prblémy (2) Další dsud nezdpvězené tázky: prč právě 3 rdiny částic? existují další částice? hmtnsti neutrin? prč není ve vesmíru stejně hmty jak antihmty? temná hmta a energie? Ukazuje se ttiž, že puze 5% hustty hmty ve vesmíru umíme pzrvat Na některé tázky by měly dát dpvěď experimenty na urychlvači LHC Mžné teretické scénáře: SUSY, SUGRA,... Každé ržšíření musí dát Standardní mdel v limitě "nižších energií" 46

47 Nadpis snímku Text snímku.