Ústav částicové a jaderné fyziky

Ústav částicové a jaderné fyziky aneb co děláme a proč studovat náš obor Proseminář z jaderné a subjaderné fyziky, 10. 10. 2005 Jiří Dolejší s příspěvky mnoha kolegů. 1

teorie Ústav částicové a jaderné fyziky Varování: Následují ilustrační zmínky o jednotlivých aktivitách, nikoli jejich úplný přehled experiment 2

Teorie elektroslabých interakcí QCD a chirální poruchová teorie teorie Statistické aspekty jaderné dynamiky Mikroskopický popis kolektivních pohybů jader Ústav částicové a jaderné fyziky CERN, LHC - ATLAS Fotonové silové funkce AUGER HESS DESY H1 D0 experiment NEMO Van de Graaffův urychlovač 3

Teorie elektroslabých interakcí QCD a chirální poruchová teorie teorie Ústav částicové a jaderné fyziky experiment 4

5

Teorie elektroslabých interakcí Úvod do současného standardního modelu elektroslabých interakcí: (k dostání u vybraných knihkupců) Nedávné aktivity: studium rozpadu (dosud hypotetického) Higgsova bosonu na dva fotony se započtením možných efektů nové fyziky za hranicemi současného standardního modelu (J. Hořejší, K. Kampf) studium modelů elektroslabých interakcí s rozšířeným Higgsovým sektorem (tj. více Higgsových částic než v SM): výpočty procesu produkce páru vektorových W bosonů v elektron-pozitronové anihilaci - M.Malinský (nedávno obhájený Ph.D.) a J. Hořejší, teoretické odhady hmot Higgsových částic v nejjednodušším rozšíření SM - M.Kladiva (doktorand) a J.Hořejší. 6

QCD and ChPT theory reality detectors quarks & gluons? Confinement mesons & baryons Possibilities of solutions: processes at high energies lattice large N C [Witten] ChPT [Dashen, Weinberg, Gasser, Leutwyler] 7

Vlastnosti hadronů zkoumá skupina Jiřího Novotného K. Kampf M. Kolesár (PGS) M. Zdráhal (PGS) H. Hovancová (stud.) Příklad toho co dělají: např. počítání Feynmanových diagramů (z posledního článku o Dalitzově rozpadu) a podobně... 8

1983 a píše dál 9

teorie Statistické aspekty jaderné dynamiky Mikroskopický popis kolektivních pohybů jader Ústav částicové a jaderné fyziky experiment 10

11

Teoretická jaderná fyzika fyzika složitých (mnohočásticových) kvantových systémů Motto: Nuclear Physics Unclear Physics Jan Kvasil Pavel Cejnar Doktorandi: M. Macek, F. Knapp, P. Veselý Spolupráce: ÚJF Řež, Uni Neapole (Itálie), Uni Köln (Německo), Yale (US), Michigan State Uni (US), Uni Stellenbosch (Jižní Afrika) Atomové jádro = hustý systém silně interagujících částic (analogie: kvantové tečky, atomové klastry ) Cílem je pochopit, jak to tam uvnitř lítá Základní pojmy: Jednočásticové stupně volnosti: všechny nukleony v jádře vytvářejí střední pole, pohyb jednotlivých nukleonů v tomto poli není korelován Kolektivní stupně volnosti: důsledek silných zbytkových interakcí mezi nukleony (nedají se zahrnout do středního pole), projevují se jako korelované 12 pohyby nukleonů (rotace, vibrace jader)

rybičky Nad čím bádáme: Mikroskopický popis kolektivních pohybů jader (J. Kvasil, F. Knapp, P. Veselý) gigantické rezonance (charakteristické typy kolektivních pohybů se projevují jako obří rezonance ve spektrech ) rychle rotující jádra (v jaderných procesech mohou vzniknout stavy s extrémně vysokým spinem ) Statistické aspekty jaderné dynamiky (P. Cejnar, M. Macek) pořádek a chaos (regulární a chaotické módy pohyby jader generují pěkné obrázky ) kvantové fázové přechody (náhlé změny struktury jader s hmotnostním číslem, excitační energií, spinem ) bosonové modely jader (proč fungují, když jádra jsou složena z fermionů?) Vypisujeme několik bakalářských prací. tečky čáry 13

teorie Ústav částicové a jaderné fyziky CERN, LHC - ATLAS experiment 14

15

Komory, které registrují miony (miony totiž dokážou proniknout z vnitřku detektoru až ven) Elektromagnetický kalorimetr pohltí elektrony, pozitrony a fotony a změří jejich energii, těžší částice sice ztratí část energie, ale projdou Hadronový kalorimetr zastaví a změří energii pionů, protonů a jim podobných částic, miony projdou 22 m protony protony Supravodivé cívky magnetu, který zakřivuje dráhy mionů 44 m Stínění proti záření Vnitřní detektor, který detailně registruje dráhy částic, zakřivené magnetickým polem vnitřní supravodivé cívky 16 Podstavce držící celé toto monstrum, které váží 7 000 tun

Hadronový kalorimetr Tilecal 17

Hadronový kalorimetr Tilecal výsledky testovacích ozáření: σ/e (%) Spektrum odezvy kalorimetru na piony s energií 100 GeV. Energetické rozlišení kalorimetru jako funkce energie 18

Fyzika pro ATLAS Vnitřní struktura kvarků by se mohla projevit odchylkou od standardního spektra energií produkovaných jetů v oblasti nejvyšších energií d dp T QCD / d dp T 10 2 10 Quark compositeness in pp collision L L =5TeV =10TeV L =20TeV 1 Standard QCD 10 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 E T (jet) (MeV) L =40TeV 19 3

Heavy ion collisions with jets i.e. pp collision from Pythia overlapped by Hijing background Fyzika pro ATLAS Clean jets i.e. pp collision from Pythia (processes: qq WH(120) µ ν µ uu qq WH(120) µ ν µ bb) Energy Energy? phi eta phi eta <dn ch /dη> 3200 ATLAS detector represented by the square 64 x 64, one cell = 0.1 x 0.1 in the η φ space (in ATLSIM) 20

Studium B-fyzikálních procesů Test platnosti SM pomocí vzácných rozpadů (v nejnižším řádu popsány jednosmyčkovými diagramy) Rozpad Λ 0 b Λ0 µµ Měření předo-zadní asymetrie rozpadu Rekonstrukce topologie zahrnující vertex dlouhožijící částice Λ 0 Určení účinnosti trigeru 1. úrovně na jedno- a dvojmionové případy Produkce simulovaných dat v síti GRID pro skupinu B-fyziky generace simulace digitizace rekonstrukce (analýza) 21

ATLAS - vnitřní detektor Funkce určení dráhy (track) 6 přesných bodů určení hybnosti a náboje pomocí zakřivení v magnetickém poli 2 T určení polohy vertexu (primárního, sekundárního) identifikace některých částic Kinematické požadavky Pokrytá oblast pseudorapidity η <2.5 θ >15 22

Stavba modulu 23

24

Detektorová laboratoř čistá místnost, laminární boxy řízené prostředí (chlazení, vysoušení) systém monitorování prostředí systém sběru dat VME, SW aparatura na testování pomocí zářiče β aparatura na testování pomocí pulsního laseru 25 + XY posuv

Vývoj a testování polovodičových dráhových detektorů pro částicové experimenty LHC: ATLAS - vnitřní detektor Super-LHC (modernizace LHC na vyšší toky a energie) - vnitřní detektor ILC: návrh a příprava dráhových detektorů pro plánovaný mezinárodní lineární urychlovač vývoj speciálních testovacích metod: laser, beta zářič simulace procesů v detektorech 26

teorie Ústav částicové a jaderné fyziky DESY H1 experiment 27

28

29

H1 experiment Naše účast: bylo vyrobeno celkem asi 9000 čtecích elektrod pro kalorimetr (elektromagnetický i hadronový) rozměry až 850x1000 cm 2 (MFFUK, FÚ ČAV a Ústav exper. fyziky v Košicích). r.1987-1990. Menší typy se vyráběly v TESLA Přelouč. Celkový finanční vklad : 3.5 milionů DM. podíl na výrobě a testování scintilačních vláken elektromg. kalorimetru SPACAL (r.1996) elektronika pro silikonové dráhové detektory vyrobena v Praze (r.2000), podíleli jsme se na montáži a provozu 30

HERA experimenty Jaké fyzikální problémy se řešily a řeší? měření struktury protonu až do rozměru 10-19 m (proton 10-15 m) rozptylem elektronu na protonu, naděje měřit strukturu kvarku?? (nepotvrdilo se). měření struktury fotonu ( - to není nesmysl), foton se chová někdy jako hadron. zajímavé objevy v oblasti difrakce (zcela neočekávané). Difrakce je proces, který nelze popsat zatím úspěšnou teorií silných interakcí QCD (kvantovou chromodynamikou). Studium procesů t.zv. tvrdé difrakce. další zajímavé aspekty (hledání nových částic atd.atd.) 31

Electron Proton Scattering in Real Detector... Proton structure may be explored over three orders of magnitude at HERA Adjustable resolution at HERA: Q 2 ~ 1 GeV 2 < proton radius R p Q 2 max ~ s=4e e E p ~ 100000GeV 2 Corresponds to ~1/1000 R p 32

Přední a zadní křemíkový dráhový detektor FST Křemíkové sensory 4 ϕ(u/ v) module: Readout pitch 75µm - 2 intermediate strips - 640 readout strips R 59 119 mm 33

Rekostrukce drah předním křemíkovým detektorem Přesnost měření 7.8µm Rekonstruovaný event 34

teorie Ústav částicové a jaderné fyziky D0 experiment 35

DØ Experiment, Fermilab, IL, USA Kvita a Soustružník, hledejte! 36

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) Jiří Kvita, ÚČJF 37

ttbar Event 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) 38

p T spektrum top kvarku a Studium kinematiky rozpadů top kvarků v DØ Run II datech může posunout naše limity na nové fyzikální jevy doposud ukryté v pozadí. Lepton+jet rozpadový kanál systému topantitop je zvlášť vhodný pro zkoumání dalších vlastností top kvarku. Jiří Kvita, ÚČJF 39

Co tu dělám já? Kromě tématu své disertace (vlastnosti top kvarku a jeho rozpadových produktů) zde sloužíme směny u detektoru, konkrétně sledujeme funkce kalorimetru a mionových systémů. Také se věnuji kalibraci kalorimetru (jeho uniformitě) a práci pro Jet Energy Scale skupinu, jejímž úkolem je kalibrovat energie jetů. 40

teorie Ústav částicové a jaderné fyziky experiment HESS Experiment HESS je finalistou v soutěži o Descartesovu cenu, výsledky 2. 12. 41

teorie Ústav částicové a jaderné fyziky Fotonové silové funkce experiment 42

K čemu je nutná znalost PSFs Studium fotonových silových funkcí (PSFs) = pravděpodobností emise fotonů o různých energiích ze vzbuzených jaderných stavů (funkcí proto, že jsou různé pro různé typy přechodů E1, M1...) Znalost PSFs je potřeba v řadě jaderných experimentů, v nichž se vyskytují fotony o energiích od několika set kev do přibližně 20-30 MeV a také pro velké množství teoretických výpočtů. Bohužel znalost PSFs pro energie fotonů mezi asi 2-10 MeV je naprosto nedostatečná a jejich studiu je věnována poměrně značná pozornost. Jedná se o aplikace zejména do těchto oblastí Astrofyzika znalost PSFs má vliv na korektní popsání vývoje hvězd a je nutná pro pochopení zastoupení jednotlivých prvků ve vesmíru Otázky spojené s provozem jadernýmch elektráren zpracování vyhořelého jaderného paliva, vývoj a použití nových typů jaderných reaktorů Testování modelů jader a teorií jaderných reakcí 43

Co vlastně děláme Zpracování a interpretace experimentálních dat získaných z radiačního záchytu neutronů ÚJF Řež Forschungszentrum Karlsruhe n_tof experiment v CERN Experiment DANCE v Los Alamos National Laboratory (širší spolupráce s několika americkými pracovišti zejména LANL a Lawrence Livermore National Lab) a nepružného rozptylu fotonů Forschungszentrum Rossendorf (ve všech případech jde o unikátní a často velmi komplikovaná experimentální zařízení) Milan Krtička a František Bečvář (KFNT) 44

Zařízení na nichž jsou PSFs studovány experiment n_tof 40 BaF 2 krystalů detector DANCE 160 BaF 2 krystalů 6 m long neutron guide HPGe #1 γ 1 Target n γ 2 HPGe #2 4 mm schéma experimentálního zařízení v Řeži 45

teorie Ústav částicové a jaderné fyziky experiment Van de Graaffův urychlovač 46

Urychlovač Van de Graaff Typ Výrobce Max. napětí Urychlované ionty Positive ions electrostatic VdG accelerator HV 2500AN High Voltage Engineering, Amersfoort, NL 3.0 MV protony, deuterony, alfa 47

48

Experimentální jaderná fyzika na urychlovači Van de Graaff: Studium třínukleonových sil v jaderné (silné) interakci Rozptyl polarizovaných neutronů na polarizovaných protonech a deuteronech produkce a detekce rychlých neutronů sběr dat, rychlá elektronika analýza dat modely jaderných sil 49

teorie Ústav částicové a jaderné fyziky AUGER experiment 50

teorie Ústav částicové a jaderné fyziky experiment NEMO 51

Noví doktorandi na ÚČJF 52

První krok: Bakalářská práce 53

Formánek: O jedné iterační metodě řešení problému vlastních hodnot Hořejší: Anomálie v kvantové mechanice Dvě metody výpočtu propagátoru harmonického oscilátoru Novotný: Lagrangiány pro hmotné částice se spinem jedna Nosek: Kaskády sekundárních částic kosmického záření v atmosféře... Směry příchodu kosmického záření... Ústav částicové a jaderné fyziky Valkárová: Studium multiplicit částic v experimentech na LEP Analýza tvaru difrakčních ep interakcí z experimentu H1 Studium jetové struktury ep difrakčních interakcí s pomocí metody HZTOOLs Žáček: Princip detekce elektronů v kalorimetrech Cejnar: Kvantové algoritmy Monodromie v klasické mechanice Neexponenciální rozpad a kvantový Zénónův jev experiment Vorobel: Potlačení radioaktivity 222 Rn při studiu dvojného β-rozpadu Detektor pro studium dvojného β -rozpadu Doležal: Měření účinných průřezů 54 neutronů v laboratoři VdG...

Davídek: Studium parametru e/h v hadronovém kalorimetru Tilecal Dolejší: Paleta jetů Ústav částicové a jaderné fyziky Ovlivnění jetů ve srážkách těžkých iontů Kodyš: Využítí laseru pri testování polo vodičových detektorů Testování polovodičových detektorů pomocí svazku nabitých částic Vlastnosti a metody měření polohově citlivých polovodičových... Leitner: Výpočet hmot kvarkonií Měření spinu Higgsova bosonu Krtička: Principy současných a budoucích jaderných reaktorů Bórová neutronová terapie Využití jaderného záření k léčení zhoubných nádorů 55

Jeden z dalších kroků studia Ústav částicové a jaderné fyziky 56

57