Jana Nováková MFF UK Proč jet do CERNu?
Plán přednášky 4 krát částice kolem nás intermediální bosony mediální hvězdy hon na Higgsův boson - hit současné fyziky urychlovač není projímadlo detektor není jen na hledání pokladů a kalorimetr není jen hliníkový hrneček s teploměrem proč jet do CERNU?
Pár otázek na úvod Co je to CERN? evropské centrum pro jaderný výzkum, založeno v 50. letech dnes spíše subjaderná fyzika Co znamená LHC, ATLAS? LHC = urychlovač, který se momentálně staví v CERNu, v roce 2008 začne urychlovat protony na nĕkolikanásobnĕ vyšší energie než bylo doposud dosaženo ATLAS = obrovské zařízení, které bude sloužit k detekci částic vzniklých při srážkách protonů na LHC Proč se taková zařízení staví? testování teoretických modelů mikrosvěta hledání odpovědí na zásadní otázky v částicové fyzice, astrofyzice, kosmologii = řešení fyzikálních záhad
Částice kolem nás I. aneb z čeho jsme složeni částice hmotnost proton 938 MeV/c 2 neutron 940 MeV/c 2 elektron 0.5 MeV/c 2 hmoty protonu a neutronu jsou velmi podobné, elektron je ~ 2000 lehčí proton a elektron jsou stabilní, neutron se rozpadá (T ½ = 15 min) T ½ je poločas rozpadu doba, za jakou se rozpadne polovina z celkového množství neutronů Stačí tyto částice k popisu procesů, které pozorujeme?
Beta rozpad jader rozpad tritia: 3 1H - -> 3 2He neutron se přemění na proton, při rozpadu vzniká elektron v koncovém stavu He + e - všechny vylétávající elektrony by měly mít stejnou rychlost (ZZE + ZZH) - naměřilo se ale spojité spektrum rychlostí elektronu! Takže neplatí ZZE + ZZH?? jde o tříčásticový rozpad při rozpadu vzniká ještě další částice - neutrino (Pauli 1931)
Částice kolem nás II. částice hmotnost proton 938 MeV/c 2 neutron 940 MeV/c 2 elektron 0.5 MeV/c 2 el. neutrino <2 ev/c 2 neutrino - elektricky neutrální částice s velmi malou hmotou - vzniká při beta rozpadech jader, rozpadu neutronu, v procesech probíhajících ve Slunci - velmi malá pravděpodobnost interakce -> tĕžko se detekuje - experimentální potvrzení existence Reines + Cowan (1956)
Jak je to s protonem? elektron a proton na sebe působí prostřednictvím elektromagnetické síly (interakce) svazek urychlených elektronů necháme procházet vodíkovým terčem - po průchodu registrujeme elektrony vylétávající pod určitými úhly pokud je proton bodová částice, umíme teoreticky spočítat pravděpodobnost výletu elektronu pod daným úhlem naměřené spektrum neodpovídá rozptylu na bodovém protonu proton má konečný rozměr další měření vlastností interakce elektron proton naměřené výsledky se dají vysvětlit zavedením vnitřní struktury protonu kvarky
Částice kolem nás III. částice hmotnost vnitřní struktura proton 938 MeV/c 2 kvarky (uud) neutron 940 MeV/c 2 kvarky (udd) elektron 0.5 MeV/c 2 - el. neutrino <2 ev/c 2 - kvarky - jejich náboj je neceločíselným násobkem elementárního náboje (Q u = 2/3, Q d = -1/3) - nevyskytují se samostatně, ale pouze ve vázaných stavech pár kvark antikvark mezony (např. piony) 3 kvarky baryony (např. neutron, proton) proton a neutron jsou složeny z kvarků elektron a neutrino jsou elementární (bez vnitřní struktury)
(Elementární) částice kolem nás IV. V kosmickém záření a na urychlovačích objeveny nové částice: miony ( ), tauony ( ) podobné vlastnosti jako elektron, ale těžší a nestabilní mionová a tauonová neutrina velké množství složených částic (hadrony) abychom je dokázali popsat, musíme zavést další kvarky (c, s, t, b) antičástice stejná hmotnost jako částice, ale opačný náboj (elektron pozitron, kvark antikvark) Je tohle už opravdu vše?
Základní interakce I. elektromagnetická gravitační silná slabá
Základní interakce II. elektromagnetická působí na částice s elektrickým nábojem dobře teoreticky popsaná gravitační působí mezi částicemi s nenulovou hmotou v mikrosvĕtĕ je v porovnání s ostatními interakcemi mnohem slabší zatím není zahrnuta v jednotném modelu popisujícím elementární částice a interakce mezi nimi
Základní interakce III. silná drží kvarky uvnitř protonu, neutronu působí pouze mezi kvarky, leptonů se netýká působí mezi protony a neutrony v atomovém jádře (tzv. zbytková interakce) slabá způsobuje rozpad neutronu, beta rozpad jader jediná interakce, které se můžou účastnit neutrina
Jak probíhají interakce? představa intermediální částice rozptyl elektronů - výměna fotonu interakce intermediální částice hmotnost elektromagnetická foton 0 GeV/c 2 silná gluony 0 GeV/c 2 slabá W, Z 80, 91 GeV/c 2 gravitační graviton 0 GeV/c 2
Standardní model (SM) teoretický model popisující elementární částice a interakce mezi nimi nezahrnuje gravitační interakci u c t d s b e e foton gluony W Z Higgsův boson kvarky, leptony, intermediální bosony + Higgsův boson
Higgsův boson ve SM proč mají elementární částice tak rozdílné hmoty? foton nehmotný, zatímco W boson je 80krát těžší než proton Higgsovo pole analogie elmag. pole interakcí s tímto polem získávají částice svoji hmotu! - čím silněji částice interaguje, tím má větší hmotnost zavedením Higgsova pole získáme další částici: Higgsův boson částice s velmi krátkou dobou života tato částice nebyla zatím pozorována
Higgsův mechanismus
Hon na Higgsův boson proč jsme ještě nenašli Higgsův boson? velmi těžká částice - 115 GeV/c 2 < m H < 1000 GeV/c 2 potřebujeme velmi vysoké energie, abychom si takovou částici mohli vyrobit Higgsův boson neexistuje v současnosti hledání na urychlovači Tevatron m H < ~120 GeV/c 2 experimenty na urychlovači LHC navrženy tak, aby bylo možné detekovat Higgse v celém rozsahu hmot 115 GeV/c 2 < m H < 1000 GeV/c 2
Další záhady současné fyziky Proč máme právĕ tři rodiny kvarků a leptonů? Jsou kvarky a leptony opravdu elementární? Proč je ve vesmíru asymetrie mezi hmotou a antihmotou? Co tvoří černou hmotu ve vesmíru? Jak můžeme zahrnout gravitaci do SM?
Jak najít odpovědi? Potřebujeme: výkonnější urychlovače lepší detektory
Co to je urychlovač? urychluje elektricky nabité stabilní částice (protony, elektrony, příp. jejich antičástice) na velmi vysoké energie urychlené částice necháme narazit do terče nebo je necháme letĕt proti sobĕ a pak je srazíme (LHC) při srážkách vzniká velké množství nových částic pokud máme k dispozici dost velkou energii, mohou vzniknout i velmi těžké částice (např. Higgsův boson)
Trocha teorie: nabitá částice v elmag. poli Lorentzova síla F Q.( E v B) elektrická složka síly urychluje (to potřebujeme) magnetická síla je kolmá k nepřispívá k urychlení zakřivuje dráhu (to se může hodit) v
Typy urychlovačů lineární využití i v medicíně (radioterapie) - menší rozměry, nižší energie k urychlení částic na vysoké energie potřebujeme velmi dlouhé urychlovače - SLAC 3 km - ILC 16 km (plánovaný projekt) cyklické k zakřivení dráhy se používá magnetické pole částice obíhá vícekrát urychlovací dráhu vyzařování fotonů při pohybu po zakřivené dráze - hraje velkou roli pro elektrony - pro těžší částice (např. protony) zanedbatelné urychlovače Tevatron, LHC
Urychlovač LHC (Large Hadron Collider) proton protonový urychlovač tunel o obvodu 27 km, umístěný 100 m pod zemským povrchem zakřivení dráhy protonů supravodivými magnety (9 T, pracovní teplota 1.9 K) dva svazky protonů urychlených v opačných směrech protony budou vstupovat do LHC s energií 450 GeV (systém předurychlovačů), v LHC urychleny na 7 000 GeV cena urychlovače 3 miliardy Euro první srážka protonů plánovaná na léto 2008 10 8 srážek za sekundu, z toho 10 100 zajímavých událostí 4 velké experimenty ATLAS, CMS, LHCb, ALICE
Tunel pro LHC
Co se stane, když srazíme protony? proton kvarky uud + gluony + kvark-antikvarkové páry protonové srážky interakce kvark-kvark, gluon-gluon, gluon-kvark, kvark-antikvark,... Př.: vznik Higgse na LHC na začátku: 2 gluony na konci: Higgs na začátku: 2 kvarky na konci: Higgs + 2 kvarky Jak poznám, co při srážce vzniklo?? potřebujeme detektory
Co to jsou detektory částic? zařízení, která jsou umístěna kolem místa srážky detekují částice, které vznikly při srážce (tzv. sekundární částice) určují impulsy, energie, náboj, místo vzniku a rozpadu sekundárních částic (ideálně všech) musí od sebe rozlišit jednotlivé druhy částic (např. elektrony od fotonů) Princip detekce: ionizace prostředí elektrický signál excitace atomů světelný signál
Detektor ATLAS 22 m mionové komory elektromagnetický kalorimetr hadronový kalorimetr protony protony 44 m vnitřní detektor
Vnitřní detektor nejblíž u místa srážky rekonstrukce drah nabitých částic polovodičové detektory jemná segmentace velmi přesné měření polohy umístěn v magnetickém poli ze zakřivení dráhy částice se měří hybnost, určuje náboj
Kalorimetry mĕří energii sekundárních částic dostaneme signál i od elektricky neutrálních částic dopadající částice interaguje s materiálem za vzniku dalších částic vzniká sprška částic, která je pohlcena v detektoru elmag. kalorimetr hadronový kalorimetr
Kalorimetry - instalace
Mionové komory miony ztrácí v prostředí poměrně málo energie, doletí tedy až za kalorimetry mĕření impulsu, rekonstrukce drah a identifikace mionů mionové komory v detektoru ATLAS umístěny v magnet. poli
Stav detektoru dnes
Různé částice v detektoru Co neutrina? žádný signál informace o neutrinech ztracená energie (ze ZZH, ZZE)
Poznáte, co je v detektoru? elektron mion
Proč nás zajímá zrovna ATLAS? na tomto projektu spolupracuje Česká republika na experimentu pracuje 1700 fyziků z 32 zemí, velké množství techniků a programátorů česká skupina na ATLASu vnitřní detektor hadronový kalorimetr fyzikální program fyzikální program: hledání Higgsova bosonu supersymetrické částice (černá hmota) vnitřní struktura kvarků nebo leptonů hledání dalších elementárních částic přesné měření hmotností intermediálních bosonů W, top kvarku...
Proč jet do CERNu? jedinečná možnost vidět CERN naživo jedno z největších center na světě, kde se dělá věda, dokonce FYZIKA, a to přímo ZÁKLADNÍ VÝZKUM unikátní příležitost dozvědět se něco víc než se učí ve škole poslední možnost podívat se na některé z experimentálních zařízení do konce roku dokončení instalačních prací na jaře spuštění LHC uzavření tunelu