proč jet do cernu?
TRANSCRIPT
Jana Nováková
MFF UKProč 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”
• hmoty protonu a neutronu jsou velmi podobné, elektron je ~ 2000 lehčí
• proton a elektron jsou stabilní, neutron se rozpadá (T½ = 15 min)
– T½ je poločas rozpadu – doba, za jakou se rozpadne polovina z celkového množství neutronů
Stačí tyto částice k popisu procesů, které pozorujeme?
částice hmotnost
proton 938 MeV/c2
neutron 940 MeV/c2
elektron 0.5 MeV/c2
Částice kolem nás I.aneb z čeho jsme složeni
Beta rozpad jader
• rozpad tritia: 31H - -> 32He
– 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.
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)
částice hmotnost
proton 938 MeV/c2
neutron 940 MeV/c2
elektron 0.5 MeV/c2
el. neutrino <2 eV/c2
• elektron a proton na sebe působí prostřednictvím elektromagnetické síly (interakce)
• svazek urychlených elektronů necháme procházet vodíkovým terčem - po průchodu registrujeme elektrony vylétávající pod určitýmiúhly
• 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
Jak je to s protonem?
Částice kolem nás III.
kvarky- jejich náboj je neceločíselným násobkem elementárního náboje
(Qu = 2/3, Qd = -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)
částice hmotnost vnitřní struktura
proton 938 MeV/c2 kvarky (uud)
neutron 940 MeV/c2 kvarky (udd)
elektron 0.5 MeV/c2 -
el. neutrino <2 eV/c2 -
(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/c2
silná gluony 0 GeV/c2
slabá W , Z 80, 91 GeV/c2
gravitační graviton 0 GeV/c2
Standardní model (SM)• teoretický model popisující elementární částice a
interakce mezi nimi
• nezahrnuje gravitační interakci
kvarky, leptony, intermediální bosony + Higgsův boson
e
e
foton
gluony
W
Z
Higgsův boson
u c t
d s b
• 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 boson ve SM
Higgsův mechanismus
Hon na Higgsův boson
• proč jsme ještě nenašli Higgsův boson?
– velmi těžká částice
- 115 GeV/c2 < mH < 1000 GeV/c2
potřebujeme velmi vysoké energie, abychom si takovou částici mohli vyrobit
– Higgsův boson neexistuje
• v současnosti hledání na urychlovači TevatronmH < ~120 GeV/c2
• experimenty na urychlovači LHC navrženy tak, aby bylo možné detekovat „Higgse” v celém rozsahu hmot 115 GeV/c2 < mH < 1000 GeV/c2
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?
• Potřebujeme:
– výkonnější urychlovače
– lepšídetektory
Jak najít odpovědi?
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
– elektrická složka síly urychluje(to potřebujeme)
– magnetická síla je kolmá k nepřispívá k urychlenízakřivuje dráhu (to se může hodit)
).( BvEQF
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• 108 srážek za sekundu, z toho 10 –100 zajímavých událostí • 4 velké experimenty – ATLAS, CMS, LHCb, ALICE
Tunel pro LHC
na začátku: 2 gluonyna konci: Higgs
na začátku: 2 kvarkyna konci: Higgs + 2 kvarky
• proton – kvarky uud + gluony + kvark-antikvarkové páry
• protonové srážky– interakce kvark-kvark, gluon-gluon, gluon-kvark, kvark-antikvark,
....
• Př.: vznik Higgse na LHC
Jak poznám, co při srážce vzniklo??
• potřebujeme detektory
Co se stane, když srazíme protony?
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 ATLASelektromagnetický
kalorimetrhadronový kalorimetr
vnitřnídetektor
mionové komory
22 m
44 m
protony
protony
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
Vnitřní detektor
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