Fyzika elementárn rních částic (Standardní model) Zdenka.Broklova@mff.cuni.cz
Délková škála 2
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. http://www-hep2.fzu.cz/adventure/ 3
4
Objevy elementárn rních částic Ruthefordův experiment Zrod QM A mnoho dalších! (~300) Všechny nemohou být elementární Nelze je nějak roztřídit na nějaké skupiny? http://www-hep2.fzu.cz/adventure/ 5
Interakce http://www-hep2.fzu.cz/adventure/ 6
7
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 http://www-hep2.fzu.cz/adventure/ 8
Supermultiplety Izospin T Q = T 3 + 1/2 * (baryon. č. + podivnost) s = -1 s = 0 s = -2 ½ -½ s = 0 s = +1 s = -1-1 0 1 s = 0 s = -1 s = -2 s = -3 B = 0 B = 1 9
Kvarkové složen ení Pauliho vylučovací princip zakazuje => nové kvantové číslo BARVA = skrytý parametr S 0 0-1 10
Zachovávající se kvant. čísla = VŮNĚ http://www-hep2.fzu.cz/adventure/ 11
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
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
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
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
Detekční systémy elementárn rním částic
Základní schéma detektoru 17
Rozpady Z bosonu Pomocí magnetického pole lze určit náboj a hybnost částice. p~ q B r 18
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
CERN (Centre Europeen pour Recherche Nucleare) - založeno 1954-20 evropských států - Česká republika od 1993 - pět Nobelových cen za fyziku - objev bosonů W a Z - první antiatomy - místo vzniku WWW http://www.cern.ch 20
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: 10 34 cm -2 s -1 -spuštění: 2006 http://lhc-new-homepage.web.cern.ch/lhc-new-homepage/ 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: 10 34 cm -2 s -1 -spuštění: 2006 http://lhc-new-homepage.web.cern.ch/lhc-new-homepage/ 22
1 ev energie získaná v el. poli 1V náboj elektronu. 1,6 10-19 C energie = náboj napětí E = Q U [J] = [C] [V] E = 1,6 10-19 C 1 V = 1,6 10-19 J 1 ev = 1,6 10-19 J 7 TeV = 7 10 12 TeV = 1,1 10-6 J m protonu = 1,6 10-27 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: 10 34 cm -2 s -1 -spuštění: 2007 http://lhc-new-homepage.web.cern.ch/lhc-new-homepage/ 23
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
Experimenty LHC 4 detektorové komplexy CMS ATLAS LHCb ALICE 25
ATLAS = A Toroidal LHC ApparatuS - vnitřní detektor - SCT - TRT - kalorimetry - elektromagnetický - hadronový - mionové komory - magnety - solenoid - toroid protony protony 22 m 45 m http://atlas.web.cern.ch/atlas/ 26
27
Simulovaný event ATLASu Atlantis http://atlantis.web.cern.ch/atlantis/ - JAVA aplikace - zobrazení a analýza naměřených dat 28
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
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
Vnitřní detektor 31
ID event 32
Pixelový detektor -3 přesné body - nejblíže k interakci - 140 milionů detektorů - 50 x 300 μm - válcová (barrel) část a dopředné disky 33
Přední a zadní strana křemíkových desek s pixelovými detektory, vyrobenými v podniku Tesla Rožnov. Tesla vyrábí předsérii detektorů. 34
SCT - stripové polovodičov ové detektory 4 přesné body 2 části barrel 4 válce end-cap 9 disků 4 000 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
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
Stavba modulu 37
38
Umíst stění modulu moduly napájení chlazení optická vlákna chlazení 39
40
Křemíkové detektory velmi rychlé výborné prostorové rozlišen ení stačí malé energetické ztráty ty málo radiačně odolné 41
Vznik signálu - signál z MIPu 25000 e - 4 fc - 99% akceptance Vyčítací (readout) elektronika nízký šum - blízko stripů nepřístupnost komprese dat šum < 1500 elektronů, počet šumových hitů 5 10-4 příkon ca 5 W + kabely na přenos dat + zdroje napětí (LV, HV) 42
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
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
Kalorimetry 45
Elmag.. kalorimetr LAr vzorkovací kalorimetr accordeon tekutý argon (2,1 mm) / olovo (1,5 mm), struktura medové plástve 170 000 kanálů 30 MeV 3 TeV kryostat, 89 K 46
Barrel LAr calorimetr 47
48
Hadronový kalorimetr - Tilecal 8.5 m vnější průměr 12.2 m celková délka 2900 tun 10000 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 + 3.1 mm scintilátoru + obal scint.... Celkové množství materiálu je nutné k pohlcení jetů a stínění mionových detektorů 49
Princip Tilecalu Měření světla produkovaného nabitými částicemi ve scintilátoru. fotonásobič (PMT) vlákno (WLS) Plastický scintilátor uvnitř ocelového absorbátoru 50
Sestavování tilecal modulů I. all submodules produced 1/4 OF THE BARREL SUBMODULES HAVE BEEN ASSEMBLED IN PRAGUE
Sestavování Tilecal modulů II. 52
Sestavování Tilecalu 9 m Barrel = 1300 tun Ext. barrel =700 tun 53
54
20.2.2003 13.3.2003 3.3.2003 23.3.2003 55
56
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
Magnety solenoid 2 T toroid 7 T (air core) 59
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
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 http://atlas.web.cern.ch/atlas/groups/software/oo/architecture/index.html 61
- 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. http://atlas.web.cern.ch/atlas/groups/software/oo/architecture/index.html 62
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 http://atlas.web.cern.ch/atlas/groups/software/oo/architecture/index.html 63
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
Simulace SCT pro CTB -příklad úplné simulační sekvence v Atheně -k přípravě CTB i následné analýze získaných dat - neustálý vývoj jednotlivých částí 65