kvarkkiaineen tutkimus cern:n alice...
TRANSCRIPT
-
Kvarkkiaineen tutkimusKvarkkiaineen tutkimus
CERN:nCERN:n ALICEALICE--kokeessakokeessa
Sami RSami Räässäänennen
29.8.2008
SISÄLTÖ:• Vahvojen vuorovaikutusten teorian (=QCD) historiaa• Olomuodon muutos ydinaineesta kvarkkiaineeseen• Kvarkkiaineen kokeellinen tutkimus, erityisesti ALICE-koe
-
”Alkeishiukkaset” vuonna 1932
• valon kvantit, eli fotonit (Einstein 1905)• atomin ydin (Rutherford 1911)• atomin elektroniverho
kvanttimekaniikan kehitys ~1905-1927(Bohr, Heisenberg, Schrödinger, …)
• neutroni löytyi 1932 (Chadwick)
-
Positroni e+
Schrödingerin aaltoyhtälö (1925) � epärelativistinen kvanttimekaniikkakuvaa (esimerkiksi) valtaosan atomin elektroniverhon ominaisuuksista
Paul Dirac löysi Schrödingerin aaltoyhtälölle relativistisen yleistyksen 1928ENNUSTUS: jokaisella hiukkasella on oltava antihiuk kanen
ANTIHIUKKASET:• sama massa kuin hiukkasella• vastakkainen varaus• hiukkanen ja anti-hiukkanen
annihiloivat toisensa törmätessäänpositroni = elektronin antihiukkanen
Andersson 1932
-
Sähkömagneettinen potentiaali
Fotoni, γγγγ (1905)
rSM rV1)( ∝
SM vuorovaikutuksen kantama ääretön
Einstein (1905): valo emittoituu ja absorboituu kvantteina(Compton todisti 1917)
21rSM
F ∝
Sähkömagneettisen vuorovaikutuksen kuvaus massattoman hiukkasen, fotonin, vaihtona
(1934-1948 QED: Feynman, Schwinger, …)
-
“vuorovaikutus”
Yukawa (1934)
Pioni, ππππ (1934)
Massiivisen hiukkasen vaihto � modifioitu Coulombin laki
Vaihdettavan hiukkasen massa (m)� vuorovaikutuksen kantama
Miten atomin ydin pysyy kasassa?
re
Yukawa
mr
rV−∝)(
-
I. Rabi: “WHO ORDERED THAT?”
Myoni, µµµµ−−−− (1937)Yukawan ennustuksen pohjalta etsittiin pioneja, m ~ 100-200 MeV
Ei tarpeeksi tehokkaita kiihdyttimiä kosminen säteily
Uusi hiukkanen löytyi täsmälleen oikealtamassaväliltä, mutta kantama aineessa pitkä
EI VOINUT OLLA YUKAWAN PIONI
Myoni = ”raskas elektroni”
emm 200~µ
-
”Alkeishiukkaset” 1948
Myös pioni löytyi ~10 vuoden etsimisen jälkeenkosmisesta säteilystä (Cecil Powell, 1947)
(Neutriino, Pauli postuloi 1932, löydettiin kokeellisesti 1956)
Cecil Powell
-
Paljon uusia hiukkasia 1950-1968
Kaikki alkeishiukkasia?? Vai löytyykö sisäistä rakennetta??
π−, π0, π+ pioni
K−, K0, K+ kaoni
ρ−, ρ0, ρ+ rho
η eta
φ fii
MESONIT
∆−, ∆0, ∆+, ∆++ delta
Λ0 lambda
Σ−, Σ0, Σ+ sigma
Ξ−, Ξ0 eta
BARYONIT
Törmäysenergian kasvattaminen kiihdytinkokeissa
-
Gell-Mann, 1963
uu dd ss
-1/3 e+2/3 e -1/3 e
Kvarkkimalli 1963
• Hadronit = mesonit + baryonit• hadronit koostuvat kvarkeista• baryoni = kolmen kvarkin sidottu tila• mesoni = kvarkin ja anti-kvarkin sidottu tila• kvarkit todennettiin kokeellisesti 1967 (SLAC)
-
HUOM! Kvarkkimallin kehitys pohjasi puhtaasti havai ntoihin !!
Tätä nykyä hadroneita = baryonit (qqq) ja mesonit (qq) t unnetaan satoja
Havainto 1: yksittäisiä kvarkkeja tai gluoneja ei lu onnossa vapaina Havainto 2: ∆∆∆∆++ baryonin kvarkkisisältö (uuu)
���� ristiriita Paulin kieltosäännön kanssa
Greenberg postuloi värin 1964 ∆++=(uuu)
−
-
ggg
g
krr
V sQCD +−=α
34
Yksittäisiä kvarkkeja ja gluoneja ei luonnossa vapaina = värivankeus
Kvanttiväridynamiikka (QCD) 1973
• Kvarkeilla on värivaraus (r, g, b)• Kvarkkien välistä vuorovaikutusta
välittävät massattomat gluonit(löydettiin kokeissa 1979)
Keskeinen ero SM teoriaan (QED)gluoneilla on värivaraus:g ~ (väri) x (vastaväri)
(= vahvan vv perusteoria)
Gluonien itseisvuorovaikutuksetpotentiaali kasvaa suurilla r
Havaittavat hiukkastilat (=hadronit) ovat ”valkoisia”, yksinkertaisimmat:
baryoni ~ ( qrqgqb) ja mesoni ~ (q väriqvastaväri )
-
Alkeishiukkaset 2008
LEP@CERN 1992: keveitä
neutriinoperheitäon kolme
Tässä esityksessä vainvahvat vuorovaikutukset:
kvarkit: (u,d) (c, s) (t, b)gluonit: g
(=melkoinen hyppy edellisestä)
POINTTI:Koetulokset Teoriat
”Who ordered that?” –toistunut
http://pdg.lbl.gov/
-
OSA II
Relativistisetraskasionitörmäykset
-
Kertaus:
Kultaytimen säde RA~6.5 fm
• Atomin koko ~ 1 Å = 10-10 m• Ytimen säde ~ 10 fm = 10-14 m• Nukleonin (= p tai n) säde ~ 1 fm• Kvarkit pistemäisiä (r < 10-19 m)• Elektroni pistemäinen (r < 10-18 m)
Kultaytimen tiheysjakauma
-
Nukleonit eivät ole”kovakuorisia biljardipalloja”
Puristus
Lämmitys
Nukleonitiheys kultaytimessän ~ 200 kpl / [4/3 π (6.5 fm)3]
~ 0.17 kpl / fm3
n ~ 1 kpl / fm3
KVARKKI-GLUONI PLASMA (QGP)(Toisinaan nimitys ”kvarkkiaine”)
-
t=0
Big Bang
t 10µs
Quark-Gluon-Plasma
Nuclear Matter
t 1ms
t=0
t~10 µs
t~1 ms
Kvarkki-gluoni plasma QGP (kvarkkiaine)
Yhteys kosmologiaan
-
QCD: ON OLEMASSA FAASITRANSITIO (eli olomuodonmuutos)
hadronikaasuhadronikaasu ↔↔ kvarkkikvarkki--gluoniplasmagluoniplasma (QGP) !(QGP) !
Luonnollinen yksikköjärjestelmä: c = ħ = kB = 1Kriittinen lämpötila Tc ~ 10
12 K ~ 170 MeV ja – energiatiheys εc ~ 1 GeV / fm3
Vahvasti vuorovaikuttavan aineen olomuodot
-
Suurenergiaiset raskasionitörmäykset
- Kokeellispainotteista perustutkimusta, jonka tavoitteena
1. Todentaa QGPn – aineen uuden olomuodon - olemassaolo
2. Selvittää QGPn ominaisuudet eli tutkia vahvasti vuorovaikuttavan QCD-aineen termodynamiikkaa
- Tämä onnistuu, etenkin ydinten nokkakolareissa, kun * A~200 = raskas* törmäävien suihkujen E ≥ 10 GeV/n » mp ; ultrarelativistinen* voidaan tutkia useita QGP-signaaleja
- Alalla 1500-2000 fyysikkoa – hyvin kansainvälinen ala!
- Suomessa: perinteikkäät teoriaryhmät Jyväskylässä ja Helsingissä,nyt myös kokeellinen ALICE-ryhmä JKL/HKI
www.urhic.phys.jyu.fi www.hip.fi
-
Keskeinen Au+Au törmäys = ydinten nokkakolari- tihein mahdollinen systeemi syntyy; edullisin QGPn muodostumiselle - maksimaalinen määrä hituja lopputilassa- törmäystapahtuma kestää kokonaisuudessaan ~ 10-22 s !!
Simulaation tekijä J. Mitchell: www.bnl.gov/rhic/
Raskasionitörmäyksen dynamiikkaa
-
Raskasionitörmäyksen dynamiikkaa
Laskut ja simulaatio: Harri Niemi, JYFL
-
Au + Au törmäys Brookhaven National Laboratorion RHIC –törmäyttimessä(RHIC = Relativistic Heavy Ion Collider)
-
Tuotetun poikittaisenergian määrä- saadaan kalorimetrista tai hitujakaumista eli ”spektreistä”
→ energiatiheydet heti tuoton jälkeen > 5 x QGP-raja → systeemi ei ole hadronisessa olomuodossa t=1 fm/c:ssä !
Katso myöswww.physicstoday.org/vol-56/iss-10/p48.html
zyx dpdpdpdNE
Hadronien spektri
eli ”niiden törmäyksessä tuotettujenhadronien lukumäärä dN, joiden
liikemäärä (px, py, pz) on välillä(px+dpx, py+dpy, pz+dpz)”
Esimerkki kokeellisesti mitattavasta suureesta:
-
Miksi ALICE –koeCERN:n LHC -törmäyttimelle?
LHCssä QGP on kuumempaa ja elää pidempään !
s 10 23−
-
OSA III
Muutama sanakokeellisesta fysiikasta
-
ALICE koe (A Large Ion Collider Experiment)
-
Size: 16 x 26 metersWeight: 10,000 tonnesALICE
-
Hiukkasten havaitsemisen perusteita
1. ”Track detectors”- mittaavat ratoja ja kulmia
2. ”Calorimeters”- mittaavat energiaa- tyypillisesti jaetaan hadronisiin ja sähkömagneettisiin
”Havaitseminen vaatii mittalaitteen ja havaintokohteen välisen vuorovaikutuksen”
-
Lankakammio
Puolijohdeilmaisimet
Kalorimetrit
• varatut hidut ionisoivat kaasua• elektronit kerätään anodilangoille (~2 mm välein)• useita päällekkäisiä kammioita (katodilevyt ~2 cm välein)• elektronit havaitaan virtana langoissa• aikaeroista saadaan tarkka paikkatieto
• varatut hidut luovat elektroni-aukko pareja materiaaliin• elektronit ja aukot erotetaan sähkökentällä ja
kerätään elektrodeille• erittäin tarkka paikkainformaatio, ~10 µm• yleensä lähimpinä vuorovaikutuspistettä (tarkkuus)• huonoa: kalliita ja säteily vaurioittaa ajan myötä
• näkevät myös neutraalit hiukkaset !!• mittaavat hiukkasten energiaa• tiivistä materiaa, joka absorboi törmäävät hiukkaset• uloimpia, eli (varattujen) hiukkasten radat mitattujo ennen kalorimetriin saapumista
• SM kalorimetrit tyypillisesti lyijyä, hadroniset rautaa
-
http://hands-on-cern.physto.se/ani/det_cms/cms_slic e.swf
Animaatio osoitteessa:
-
Data-analyysi
Haasteita:- Kuinka edellä kuvatut sähköiset impulssit käsitellään ja tulkitaan?
� runsaasti haastavaa fysiikkaa, ei ”pelkkää” rautapuolta- ~500 eri instituuttia/yliopistoa analysoi LHC:n dataa- tutkijoita LHC:n piirissä on ~5000, joista ALICE:ssa ~1000- dataa kertyy ~ 15 miljoonaa GB vuodessa (~ gigabittejä / s)
� vastaa noin 20 km korkuista pinoa CD-levyjä, vuosittain !!- datan on oltava saatavilla ainakin 15 vuotta
GRID• verkko, jossa yhteensä ~100 000 prosessoria• ultranopea kaista, saavutettu 11 000 km nopeudella 6.25 GB/s
(eli ~1 DVD elokuva 5 s välein)• data käsitellään vaiheittain: ”raakadata” => ”esikäsitelty”• Jyväskylässä analysoidaan (lähinnä) ”esikäsiteltyä” dataa
-
FYYSIKON TYÖKALUPAKKI:1. Fysiikan taidot (itsestään selvää)2. Matematiikan taidot3. Tietotekniikka, erityisesti ohjelmointi4. Englannin kieli5. Valmius ryhmätyöskentelyyn
-
KIITOS !