fyzika elementárních částic -...
TRANSCRIPT
Fyzika Fyzika elementelementáárnrníích ch ččáásticstic
(Standardn(Standardníí model)model)
Zdeňka Broklová[email protected]
1. 12. 2004Zdeňka Broklová
3
Jak pozorovat malJak pozorovat maléé objekty?objekty?
Vlnová délka částice je nepřímo úměrnájejí hybnosti.
Částice mají i vlnové vlastnosti (dualismus, QM)
Čím menší strukturu chceme zkoumat, tím potřebujeme větší energii.
http://www-hep2.fzu.cz/adventure/
1. 12. 2004Zdeňka Broklová
5
Objevy elementObjevy elementáárnrníích ch ččáásticstic
A mnoho dalších! (~300)
Všechny nemohou být elementární
Nelze je nějak roztřídit na nějakéskupiny?
Ruthefordůvexperiment
Zrod QM
http://www-hep2.fzu.cz/adventure/
1. 12. 2004Zdeňka Broklová
8
TTřříídděěnnííččáásticstic
Dle typu interakce
- leptony (6) (fermiony)
- hadrony (stovky)mezony (bosony)baryony (fermiony)
nukleony (p, n)hyperony
Dle spinu- fermiony – polocelý spin
(Pauliho princip)- bosony – celočíselný spin
http://www-hep2.fzu.cz/adventure/
Leptony
1. 12. 2004Zdeňka Broklová
9
SupermultipletySupermultiplety
Q = T3 + 1/2 * (baryon. č. + podivnost)
s = -1
s = 0
s = +1
s = -1
s = 0
s = -2
s = -1
s = 0
s = -2
s = -3
Izospin T
-1 0 1
½ - ½
B = 0 B = 1
1. 12. 2004Zdeňka Broklová
10
KvarkovKvarkovéé slosložženeníí
S00
-1
Pauliho vylučovací princip zakazuje => novékvantové číslo „BARVA“= skrytý parametr
1. 12. 2004Zdeňka Broklová
11
Zachovávající se kvant. čísla = „VŮNĚ“
http://www-hep2.fzu.cz/adventure/
1. 12. 2004Zdeňka Broklová
12
„„TTřři rodinyi rodiny““
•ke každé částici hmoty existuje antičástice
• všechnu „běžnou“ hmotu okolo nás tvoří částice z první generace
• kvarky se nevyskytujíjako volné částice, skládajíse z nich hadrony
1. 12. 2004Zdeňka Broklová
13
• leptony a 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
ShrnutShrnutíí
1. 12. 2004Zdeňka Broklová
14
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
1. 12. 2004Zdeňka Broklová
15
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• nestačí na některé další otevřené problémy:
proč jsou právě 3 generacehmotnosti neutrin
proč není ve vesmíru stejně hmoty jako antihmotytemná hmota a energie ve vesmíru
1. 12. 2004Zdeňka Broklová
18
Rozpady Z Rozpady Z bosonubosonu
Pomocí magnetického polelze určit náboj a hybnost částice.
p ~ q B r
1. 12. 2004Zdeňka Broklová
19
Detektor pro experiment na pevnDetektor pro experiment na pevnéém m terterčči a na vsti a na vstřříícných svazccných svazcííchch
Detektor HERA-B a detektor H1 (DESY, urychlovač HERA, ep, 30MeV/920MeV
1. 12. 2004Zdeňka Broklová
20
CERNCERN(Centre (Centre EuropeenEuropeen pourpour RechercheRecherche NucleareNucleare))
- 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
1. 12. 2004Zdeňka Broklová
21
LHCLHC((LargeLarge HadronHadron ColliderCollider))
- urychlovač vstřícných svazků- obvod: 27 km- mezi srážkami 25 ns- částice: p+p, Pb+Pb- Emax (p) = 7 TeV- luminosita: 1034 cm-2s-1
- spuštění: 2006
http://lhc-new-homepage.web.cern.ch/lhc-new-homepage/
1. 12. 2004Zdeňka Broklová
22
LHCLHC((LargeLarge HadronHadron ColliderCollider))
- urychlovač vstřícných svazků- obvod: 27 km- mezi srážkami 25 ns- částice: p+p, Pb+Pb- Emax (p) = 7 TeV- luminosita: 1034 cm-2s-1
- spuštění: 2006
http://lhc-new-homepage.web.cern.ch/lhc-new-homepage/
1. 12. 2004Zdeňka Broklová
23
LHCLHC((LargeLarge HadronHadron ColliderCollider))
- urychlovač vstřícných svazků- obvod: 27 km- mezi srážkami 25 ns- částice: p+p, Pb+Pb- Emax (p) = 7 TeV- luminosita: 1034 cm-2s-1
- spuštění: 2007
(40 MHz)
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 · 1012 TeV = 1,1 · 10-6 J
mprotonu = 1,6 · 10-27 kg
Eklidová = mc2 = 938 MeV
… relativistický pohyb
… rychlost téměř c (>99,99%)
průměr 8,6 km
http://lhc-new-homepage.web.cern.ch/lhc-new-homepage/
1. 12. 2004Zdeňka Broklová
24
ProPročč se to stavse to stavíí??• 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, …)
1. 12. 2004Zdeňka Broklová
25
Experimenty LHCExperimenty LHC
• CMS•ATLAS• LHCb• ALICE
4 detektorov4 detektorovéékomplexykomplexy
1. 12. 2004Zdeňka Broklová
26
ATLAS = ATLAS = A A ToroidalToroidal LHC LHC ApparatuSApparatuS- vnitřní detektor
- SCT- TRT
- kalorimetry- elektro-magnetický- hadronový
- mionové komory- magnety
- solenoid- toroid
45 m
22 m
protony
protony
http://atlas.web.cern.ch/Atlas/
1. 12. 2004Zdeňka Broklová
28
Simulovaný Simulovaný eventevent ATLASuATLASu
Atlantis http://atlantis.web.cern.ch/atlantis/
- JAVA aplikace- zobrazení a analýza naměřených dat
1. 12. 2004Zdeňka Broklová
29
ATLAS ATLAS -- celekcelekHadronový Tile kalorimeter
Elektromagnetický kalorimeter
Mionový spektrometrVnitřní detektor (stripy, pixely)
Vinutí toroidu
protony7 TeV
protony7 TeV
Solenoid
44 m
22 m
Celková váha ~ 7000 t
1. 12. 2004Zdeňka Broklová
30
VnitVnitřřnníí detektordetektor 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)
• pokrytá oblast pseudorapidity|η|<2.5 (9o a více)
• nutná radiační odolnost detektorů i vyčítací elektroniky • součást triggeru 2. úrovně
690 cm230 cm
1. 12. 2004Zdeňka Broklová
33
PixelovýPixelový detektordetektor- 3 přesné body- nejblíže k interakci - 140 milionů detektorů- 50 x 300 μm- válcová (barrel) část a dopředné disky
1. 12. 2004Zdeňka Broklová
34
Přední a zadní strana křemíkových desek s pixelovými detektory, vyrobenými v podniku Tesla Rožnov. Tesla vyrábí předsérii detektorů.
1. 12. 2004Zdeňka Broklová
35
SCTSCT-- stripovstripovéé polovodipolovodiččovovéé detektorydetektory
• 4 přesné body• 2 části
• barrel – 4 válce • end-cap – 9 disků
• 4 000 modulů• 6,2 mil. kanálů• binární informace• celková plocha: 63 m2
• rozteč stripů asi 80 μm (strip 23 μm)• rozlišení 16 x 580 μm
1. 12. 2004Zdeňka Broklová
36
Moduly Moduly
• 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
InnerMiddle
shortMiddle
Outer
Barrel
End-cap
1. 12. 2004Zdeňka Broklová
39
UmUmííststěěnníí modulumodulu
optickávlákna
chlazení
napájení
chlazení
moduly
1. 12. 2004Zdeňka Broklová
41
KKřřememííkovkovéé detektorydetektory
•• velmi rychlvelmi rychléé
•• výbornvýbornéé prostorovprostorovéé rozlirozliššeneníí
•• stastaččíí malmaléé energetickenergetickéé ztrztráátyty
•• mmáálo radialo radiaččnněě odolnodolnéé
1. 12. 2004Zdeňka Broklová
42
Vznik signVznik signáálulu
- signál z MIPu 25000 e- ≈ 4 fC- 99% akceptance
Vyčítací (readout) elektronikanízký šum - blízko stripůnepřístupnostkomprese datšum < 1500 elektronů, počet šumových hitů 5•10-4
příkon ca 5 W
+ kabely na přenos dat
+ zdroje napětí(LV, HV)
SimulaceSimulace 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
• pro vysvětlení rozdílůmezi 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)
1. 12. 2004Zdeňka Broklová
44
TRT 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
1. 12. 2004Zdeňka Broklová
46
ElmagElmag. kalorimetr . kalorimetr –– LArLAr• 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
1. 12. 2004Zdeňka Broklová
49
HadronovýHadronový kalorimetr kalorimetr -- TileTilecalcal• 8.5 m vnější průměr• 12.2 m celková délka• 2900 tun• 10000 vyčítacích kanálů
BarrelEB C EB A
• 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
• 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
z
1. 12. 2004Zdeňka Broklová
50
Měření světlaprodukovanéhonabitými částicemive scintilátoru.
fotonásobič (PMT)
Plastický scintilátoruvnitř ocelovéhoabsorbátoru
vlákno (WLS)
Princip Princip TilecaluTilecalu
• all submodules produced• 1/4 OF THE BARREL SUBMODULES HAVE BEEN ASSEMBLED IN PRAGUE
SestavovSestavováánníí tilecaltilecal modulmodulůů I.I.
1. 12. 2004Zdeňka Broklová
53
SestavovSestavováánníí TilecaluTilecalu
9 m
Barrel = 1300 tunExt. barrel =700 tun
1. 12. 2004Zdeňka Broklová
57
MionovýMionový spektrometr 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
1. 12. 2004Zdeňka Broklová
60
Offline softwareOffline software- simulace vlastností detektorů- vliv změny parametrů na rozlišení detektoru
návrh celé detekčnísoustavy (ATLFAST)- snaha integrovat vše do jednoho prostředí
- zapojení stávajících nástrojů (Geant4, generátory částic)- nutná validace rozhraní
- příprava na zpracovánívlastních dat z experimentu
- stejný datový formát- spolupráce jednotlivých subsystémů
CERN
2Tony Cass
Data and Computation for Physics Analysis
batchphysicsanalysis
batchphysicsanalysis
detector
event summary
datarawdata
eventreconstruction
eventreconstruction
eventsimulation
eventsimulation
interactivephysicsanalysis
analysis objects(extracted by physics topic)
event filter(selection &
reconstruction)
event filter(selection &
reconstruction)
processeddata
1. 12. 2004Zdeňka Broklová
61
- OO C++- striktní odlišení dat a algoritmu- přesně definované rozhraníkaždého objektu
- prostředí pro simulaci a analýzu dat ATLASu (offline software)- požadavky: jednoduché použití a vysoká přizpůsobivost (univerzálnost)
modularita- „uživatel“ vloží do předpřipravenéšablony vlastní algoritmus a o připojeníostatních součástí se stará prostředí
ProstProstřřededíí AthenaAthena
http://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/SOFTWARE/OO/architecture/index.html
1. 12. 2004Zdeňka Broklová
62
ATHENA II.ATHENA II.- datové objekty po vytvořeníuloženy v StoreGate = implementace TDS (Transient Data Store) pro ATLAS- jakýkoli jiný algoritmus si může zase tento objekt vyzvednout
- není třeba 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 http://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/SOFTWARE/OO/architecture/index.html
1. 12. 2004Zdeňka Broklová
63
ATHENA III.ATHENA III.
- spouštění: - skript v Pythonu- jobOption soubor
- obsahuje seznam algoritmů a nastaveníjejich jednotlivých parametrů
ApplicationMgr vytvoří potřebné služby EventLoopManager inicializuje, provádí a ukončípožadované algoritmy („TopAlgs“) všechny algoritmy musí být potomky třídy Algorithm
http://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/SOFTWARE/OO/architecture/index.html
1. 12. 2004Zdeňka Broklová
64
CMT = CMT = a a ConfigurationConfiguration Management Management ToolTool
- open-source systém vytvořený v LAL-Orsay- software rozdělen do „CMT balíčků“- v souboru requirements jsou shromážděnyvšechny 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