Jak se dělajíčástice 19.12.2007 1 Jiří Kvita, MFF UK
Fyzika vysokých energií Z experimentálního pohledu O čem budu povídat? Co chceme (a můžeme) pozorovat v mikrosvětě. Částice a síly v mikrosvětě. Jak částice vznikají a jak se pozorují detektory. Jak se částice vyrábějí a zkoumají urychlovače. Příklady a obrázky. Osobní zkušenost. 19.12.2007 2
Fyzika vysokých energií aneb Fyzika částicová Proč potřebujeme ke studiu částic vysoké energie? Jaké experimentální zařízení je třeba postavit? Jak se ovlivňuje teorie a experiment? Jaká je komunita lidí částicové fyziky? Co všichni ti lidé dělají? Jaké jsou aplikace? 19.12.2007 3
Fyzika vysokých energií aneb Fyzika částicová Studium malých objektů si paradoxně vyžaduje značně velké aparatury a prostředky. Paralela mezi mikrokosmem a kosmologií: vysoké energie a hustoty hmoty které připravujeme v současných experimentech jsou podobné těm, které existovaly těsně po Velkém třesku. Většina principů je však jednoduchých a vysvětlitelných, nejsou to žádné zázraky :-) Spousta hezkých myšlenek pochází z jiných odvětví fyziky, která se tak vskutku demonstruje jako univerzální věda. Kritické myšlení, touha po poznání a pravdě je společná všem vědním disciplínám. 19.12.2007 4
Síly (interakce) v přírodě Gravitační makroskopická tělesa, Vesmír. Elektromagnetická stavba atomu, chemie, život. Slabá radioaktivita, procesy hoření ve Slunci. Silná stavba atomového jádra, interakce mezi nukleony, hlouběji mezi kvarky. 19.12.2007 5
Síly (interakce) v přírodě Síly působí mezi částicemi: zprostředkovávají jejich vzájemné působení. Díky silám také mohou vznikat stabilní vázané systémy, které síly drží pohromadě: Sluneční soustava, galaxie (gravitace). Atom (jádro a elektronu, elektromagnetická interakce). Atomové jádro (vázaný systém nukleonů, silná síla) Nukleon (vázaný systém kvarků a gluonů, silná síla). Síly ale také způsobují rozpady částic: radioaktivita (slabá interakce). 19.12.2007 6
Částice Pod pojmem elementárníčástice rozumíme objekty bez vnitřní struktury, tj. takové, které se v experimentu jeví jako bodové a zatím nevíme, že by se skládaly z dalších: například elektron, foton, neutrino Částicové ZOO je plnéčástic složených: např. proton a neutron jsou tvořeny kvarky. Částice se mohou chovat jako kuličky, ale i jako vlny: umějí interferovat, ale také třeba z obalu atomu vyrazit elektron či způsobit zčernání zrna na fotopapíře. Mikrosvět je popsatelný kvantovou mechanikou, která s úspěchem předpovídá běžnému životu podivuhodné věci: elektron v atomu může mít jen určité hodnoty energie, nelze přesně současně říci, kde elektron je a jakou má hybnost (Heisenbergovy relace neurčitosti). 19.12.2007 7
Jak částice vypadají? Snímek z bublinové komory: v přehřáté kapalině dochází lokálně k varu podél prolétávajících částic (ionizace). Dráhy zakřiveny v magnetickém poli. 19.12.2007 8
Bublinová komora Takto by to ale dále dlouho nešlo (ruční prohlížení fotografií) 19.12.2007 9
Spršky mnoha částic Srážky těžkých iontů spousta částic. Messy heavy ion collisions:-) Studium husté horké hmoty, termodynamiky fázových přechodů v QCD. Kvark gluonové plasma? Simulace atmosférické spršky indukované kosmickým zářením. 19.12.2007 10
Jak se pozorují neutrina - nepřímo Neutrino jak viděno v SuperKamiokande detektoru (Japonsko). Neutrino se srazí s elektronem, ten se pak pohybuje rychleji než rychlost světla ve vodě: Vznikne rázová vlna podobně jako v případě nadzvukového letounu. Pozorujeme tzv. Čerenkovský kroužek světla od rozptýleného elektronu. Fotonásobiče uvnitř detektoru plného vody. 19.12.2007 11
Pierre Auger Experiment - Argentina Studium spršek kosmického záření s českou účastí. Nádrže s vodou registrujíčerenkovovo záření spršky při dopadu na zem. Fluorescenční detektory sledují oblohu: ionizační stopa spršky v atmosféře. Unikátní kombinace umožňující trojrozměrnou rekonstrukci a přesné měření energie. Nejvyšší pozorované energie na světě: nedosažitelné urychlovači. Stále záhada, odkud tak energetickéčástice z Vesmíru přicházejí 19.12.2007 12
Vlastnosti částic Stav v klasické fyzice je dán polohou a hybností objektu. V kvantové mechanice jde o paprsek v abstraktním nekonečněrozměrném vektorovém prostoru :o) Částice je charakterizována svou hmotou, nábojem, spinem (vnitřním momentem hybnosti, jakýmsi malým setrvačníkem), typem interakcí, kterých se účastní Vnitřní moment hybnostičástice je kvantován, může nabývat jen určitých násobků Planckovy konstanty. Celočíselné násobky nesou bosony (foton: 1), polocelé definují fermiony (elektron: 1/2). Spin určuje kolektivní chováníčástic a statistiku (Pauliho vylučovací princip) a má dalekosáhlé důsledky pro to, jak vypadá hmota kolem nás. Ke každé částici existuje antičástice, která má opačný náboj a další kvantová čísla. Například počet nukleonů se zachovává: proton má nukleonovéčíslo 1, antiproton -1. Lze např. p + p + p + p + p - p +, ale ne p + p + p + p + p - (nikdy nepozorováno). 19.12.2007 13
Leptony Mezi leptony (řecky λεπτός - drobný) patří například elektron. Všechny leptony jsou fermiony. Partnerem elektronu je neutrino, lehounká neutrální částice, která interaguje pouze slabě, a tak je velmi těžké ji spatřit. Neutrino doprovází elektron v interakcích, např. při radioaktivním β-rozpadu: Volný neutron se rozpadá, stabilní je jen v atomovém jádře: n p + e + ν e Q: Proč se nerozpadá proton? A kdyby se rozpadal, nebyl by vodík, ani hvězdy, prvky, my Silná interakce nerozeznává rozdíl mezi protonem a neutronem, odlišuje je až elmag. a slabá síla. Elektron a neutrino tvoří první rodinu leptonů: příroda dosud z neznámého důvody všechno zopakovala ještě dvakrát: Tři rodiny leptonů: elektron, mion, tau; a k nim příslušná neutrina. Mion a tauon jsou jakési těžší elektrony, a jsou nestabilní. 19.12.2007 14
Kvarky a Hadrony Hadrony jsou částice složené z kvarků, které jsou fermiony. Účastní se silné interakce. Kvarky u, c, t mají náboj +2/3, kvarky d, s, b -1/3. Běžné protony a neutrony tvoří atomové jádro, jehož stabilitu lze vysvětlit výměnou částic zvaných piony pouze jiný pohled na silnou interakci. Proton či neutron jsou příkladem baryonů (řecky βαρύς - těžký), částic složených ze tří kvarků, které mají polocelý spin (fermiony). Piony patří mezi mezony (řecky μέσος - střední), skládajíce se z páru kvarkantikvark, které mají celočíselný spin (bosony). 19.12.2007 15
Kvarky a Hadrony Kvarkové složení neurčuje částici jednoznačně. Pauliho vylučovací princip pro kvarky v hadronech! Exotické částice lze chápat jako excitace základních stavů (podobně jako vyšší stavy atomového obalu, jen jde o silnou namísto elektromagnetickou interakci) 19.12.2007 16
Výměnné částice sil V současném popisu mikrosvěta částice interagují pomocí výměny kvant polí, které jsou bosony. Elektromagnetickou interakci zprostředkovávají fotony. Silnou interakci mezi kvarky gluony. Gluony jsou podobně jako fotony nehmotné, ale nesou náboj vzhledem s silné interakci. Proto nejsou volně pozorovatelné, stejně jako kvarky jsou uvězněny uvnitř hadronů. Slabou interakci, rozpady a nových částic, způsobují jakési těžké varianty fotonu: tzv. intermedialní bosony W a Z. Graviton je teoreticky zodpovědný za gravitaci, ale konzistentní kvantová teorie gravitace zatím neexistuje. Pozn.: elmag. a slabou interakci lze společně popsat v rámci tzv. elektroslabé teorie (1970s). 19.12.2007 17
Leptony, Kvarky, Kvanta polí Částice: Leptony: elektron a neutrino + dvě další rodiny Kvarky: tvoří hadrony - mezony: kvark+antikvark (piony) - baryony: 3 kvarky (proton, neutron) Intermediální bosony W ±, Z, γ, 8 gluonů. Předpovězený ale neobjevený Higgsův boson, zodpovědný za hmotnosti částic. Síly (interakce): Gravitační Slabá + Elektromagnetická = Elektroslabá Silná 19.12.2007 18
19.12.2007 19
Interakce I Excitace atomu fotonem a opětovná emise. Částice vznikají a zase zanikají na rozdíl od objektů v běžném světě! 19.12.2007 20
Interakce II Zcela podobně se dějí i interakce složitější, způsobené např. silnou interakcí mezi nukleony. Částice zvané piony lze připravit jednoduše ostřelováním terče např. protony: p + p p n π + π - Svazkem pionů pak můžeme zase střílet na další terč, může vzniknou krátce žijící částice (rezonance) zvaná Delta: π + n + π + n Ale Delta se může rozpadnou i na něco jiného! π + n + π - p Nukleony hrají stavební roli, piony interakční, vazebnou, analogicky atomu: jádro a elektrony si vyměňují fotony, a reálné fotony mohou atom excitovat. Delta je vlastně jen excitovaný nukleon! π + π - n 19.12.2007 + 21 p
Rezonance Svazkem pionů pak můžeme zase střílet na další terč, může vzniknou krátce žijící částice (rezonance) zvaná Delta: π + p ++ X Delta je vlastně jen excitovaný nukleon! Blízko rezonanční energie se Delta ráda rodí. Graf četnosti (pravděpodobnosti) interakcí: srovnání měření a teorie: 19.12.2007 22 http://www.upscale.utoronto.ca/generalinterest/dbailey/subatomic/lectures/lectf18/lect18.htm
Rozptylový experiment jak se na to všechno přišlo? Rozhodujícím momentem byl objev atomového jádra, a to nejen výsledkem (většina hmoty v atomu koncentrována v nepatrném objemu), ale i konceptem. Ostřelování atomů zlaté fólie alfa částicemi: jeden z prvních rozptylových experimentů! Mikroskop bombarduje vzorek fotony o určité vlnové délce, která určuje naši rozlišovací schopnost. Chceme-li vidět ještě menší věci, potřebujeme elektronový mikroskop. Chceme-li se podívat na stále jemnější struktury, musíme pro zkrácení vlnové délky zvyšovat energii. Podle de Broglieovy hypotézy a Einsteina: p = h / λ E 2 = p 2 c 2 + m 2 c 4. 19.12.2007 23
Rozptylový experiment jak se na to všechno přišlo? Objev struktury protonu: ostřelování protonu jednoduchým bodovým objektem (elektron). Experimentální data nesouhlasí s teorií bodového protonu. Větší aparatura, ale jinak stále stejný princip rozptylového experimentu. 19.12.2007 24
Jak si částice a jejich svazky připravíme? Přirozená radioaktivita: limitovaná hustota svazku a energie, jen první objevy. Stále se však používá pro zdroje neutronů (alfa zářič štěpí příměs, např. Am+Be). Kosmické záření: doposud nejvyšší známé energie, ale těžko opakovatelné a vzácné události. Významné do cca 50. let při objevech pozitronu, pionů, kaonů V současnosti už ne jako zdroj individuálních částic, ale jako fenomén ke studiu jako takový (odkud přichází, jak vzniká, jaké má spektrum ). Reaktory (neutrony a neutrina). Urychlovače: svazky s vlastnostmi, jaké chceme: typ, množtví, hustota, energie, divergence svazku 19.12.2007 25
Co vlastně chceme měřit? Pravděpodobnost, že se něco zajímavé stane: lze srovnat s teoretickou předpovědí. Chceme znát hmotnosti a doby života částic teorie dokáže předpovědět hmotu složených částic (mezonů), ale ne elektronu! S jakou energií a hybností se částice rodí spektra. Způsoby rozpadů nestabilních částic (rozpadové kanály). Hledání nových částic, jevů, které současná teorie neumí popsat. Kvantová mechanika je pravděpodobnostní: nikdy nelze přesně předpovědět, co se stane, a ze snímku dané události nelze s jistotou identifikovat vzniklé produkty: spousta zajímavých událostí má i velmi podobné (nezajímavé) pozadí. Detailním studiem srážkových procesů získáváme hluboké znalosti o struktuře Mikrosvěta, ale také podmínek krátce po vzniku Vesmíru: propojení částicové fyziky a astrofyziky. 19.12.2007 26
Co můžeme srážet? Co lze urychlovat? Proč srážet? Proč urychlovat? Co měříme? Urychlovače I 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 dané srážky: neznáme podélnou hybnost. Alespoň součet příčných hybností však musí být nula (zákon zachování příčného impulsu:-) Typické typy kolizí: e + e -, ep, pp, proton-antiproton. (Q: proč proton-proton nebo proton-antiproton?) 19.12.2007 27
Urychlovače II Experimenty s pevným terčem: svazek a terč (kapalný vodík pro experiment, nikl pro produkci sekundárních svazků). Nevýhoda: malá energie v těžišťovém systému. Vstřícné svazky: technicky náročné srážet, ale výhody: vysoká energie srážek. Částice+antičástice: opačný náboj, možno urychlovat v jedné trubici, jde o jeden urychlovač, jedno magnetické pole. 19.12.2007 28
Vstřícné svazky Urychlovač: accelerator. Srážkovač: collider :) Částice udržuje na uzavřené dráze magnetické pole. Bqv = mv 2 /r, kde m je relativistická hmotnost m = m 0 γ a Proto s rostoucí hybností potřebujeme silnější magnetické pole či větší aparaturu: Bqr = p. Antičástice mají stejnou hmotnost, ale opačné náboje: lze je urychlovat v jedné trubici opačnými směry, a v interakčních, kde stojí detektory, oblastech je srážet. První srážkovač protonů a antiprotonů: SPS v Cernu, objev W a Z. 19.12.2007 29
Vstřícné svazky V Cernu se buduje Large Hadron Collider, který bude or r. 2008 srážet protony s protony. Odpadá náročná příprava antiprotonů, ale daní jsou složitější magnety. Dipólový magnet Tevatronu: jedna trubice, jeden magnet Dipólový magnet LHC: jde vlastně o dva magnety vedle sebe. 19.12.2007 30
CERN, Fermilab, Brookhaven, DESY 19.12.2007 31
Některé společné rysy experimentů 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) 19.12.2007 32
Příklad: Event Display 19.12.2007 33
Některé společné rysy experimentů Stále jde v principu o rozptylový experiment: srážíme částice nebo bombardujeme terčíky a sledujeme vzniklé produkty, jejich energie, změny úhlu a usuzujeme tak vnitřní strukturu, nové objekty Pro velkou statistiku často vysokáčetnost srážek: nutnost rychle se rozhodnout, zda událost je zajímavá a chceme ji zaznamenat, všechny zapsat nemůžeme ( trigger - spoušť). Frekvence zápisu dat limitována možnostmi zápisu na magnetické pásky (kolem 100 Hz). Harddisk dlouhodobě nespolehlivý:) Rekonstrukce události ze signálů v elektronice: od světelných impulsůči zásahů v křemíku a sesbíraného náboje až k měřené energii či zrekonstruované dráze. Detektor je pouze složitý fotoaparát! Zákon zachování příčné hybnosti. 19.12.2007 34
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. 19.12.2007 35
Going to Fermilab 19.12.2007 36
Going to Fermilab 19.12.2007 37
Urychlovače: Komplex Tevatronu ve Fermilabu 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: 10 20 částic. Antiprotonový buřt: 10 19 částic. Luminosita: kvalita svazku a srážení: Jak jsou bunche husté, jak dobře se trefujeme. 19.12.2007 38
DØ Detector at Fermilab 19.12.2007 39
Jak se nové částice produkují? Částice se rodí ve srážkách: jestliže něco chceme narodit, musíme něco jiného zase rozbít :-) Foton s dostatečnou energií se může přeměnit na elektron-pozitronový pár. Úplně stejně může pozitron s elektronem anihilovat třeba na dva fotony, nebo na chvíli (virtuálně) zase na jeden. Virtuální foton se pak může přeměnit třeba na mion-antimionový pár nebo pár kvark-antikvark. Tak se rodí nové částice (a zase se rozpadají). Při dostatečné energii se nemusí narodit foton, ale jeho těžší kolega : Z boson. Podobně se při srážce dvou kvarků nemusí stát skoro nic: kvarky si prohodí gluon, a rozptýlí se. Ale také se může narodit Wči Z boson, či nový typ kvarkuantikvarku. A jak poznáme, že se něco nového nebo zajímavého stalo? :-) Pozorujeme pouze sekundární objekty, primární se většinou stihnou rozpadnout, než doletí do detektoru. Pravděpodobnost produkce daných produktů je často zvýšená když se s energií naladíme blízko k hmotnosti dané částice analogie s rezonancí. 19.12.2007 40
Interakce III: qq Z e + e - Events Mass - Z Candidate 450 400 Data PMCS+QCD QCD bkg D0 Run II Preliminary 350 300 250 200 150 100 50 0 50 60 70 80 90 100 110 120 130 invariant mass(gev) 19.12.2007 41
Interakce IV Top-antitop pár, jak viděno DØ Detektorem 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) 19.12.2007 42
Jak vypadá všední pracovní den 19.12.2007 43
Jak vypadá všední pracovní den 19.12.2007 44
Účast na experimentu DØ Data jsou tím nejcennějším, co experiment produkuje. Abychom k nim měli přístup, musí se česká skupina podílet na provozu detektoru, na servisních úkolech prospěšných celé kolaboraci (kalibrace, identifikace částic, simulace srážek ). Je dobré pracovat na tématech, která se budou hodit pro konečnou fyzikální analýzu, pracovat s lidmi v laboratoři. When things go wrong Or: Should I call an expert? 19.12.2007 45
Co právě letí a je in? :-) V současnosti běží proton-antiprotonový srážkovač Tevatron ve Fermilabu (přibližně 2TeV energie), který v roce 1995 objevil top kvark. V Cernu (Ženeva) se staví proton-protonový urychlovač LHC 7+7 TeV: 2008 :-) Ve světě 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: Pierre Auger experiment. 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 Higgs nebo cokoli jiného, co LHC objeví (extra dimenze, supersymetrické částice ) www.cern.ch www.fnal.gov 19.12.2007 46
Závěrem Částicová fyzika je velmi komplexním propojením teorie, experimentu, statistického zpracování dat, numerických metod Využívá a podněcuje poslední technologie od elektroniky a materiály po software, IT (internet, počítačové farmy), komunikaci, koordinaci, management, statistickou analýzu dat Aplikace po skončení základního výzkumu sahají od průmyslu a techniky po medicínské aplikace (diagnostika, zobrazování, terapie). Jakkoli abstraktní, vzdálenou či obrovitou se může zdát, stále je fyzikou s jednoduchými a krásnými myšlenkami a přináší radost z poznání a práce s lidmi na společných projektech. 19.12.2007 47
Atlas Budoucí detektor na urychlovači LHC v Cernu Plán versus současný stav :-) 19.12.2007 48
Některé objevy 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. 19.12.2007 49
Některé objevy 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. 19.12.2007 50
Accelerator = urychlovač :-) Collider = srážkovač :-) Urychlovače - Kruhové 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) 19.12.2007 51