schéma diskrétnej štruktúry fyzického...

Fyzický svet z hľadiska Štandardného modelu

Základné zdroj informácií o elementárnych časticiach: štúdium časticových interakcií v eperimentoch rôzných typov

• Experimenty na urýchľovačoch s proti bežnými zväzkami (collider experiments) - používané zväzky: pp, pp~, ep, ee • Experimenty na urýchľovačoch s pevným terčom (fixed target experiments) : zväzok - terč: pA, A, KA (Aatómové jadro) • Neurýchľovačové experimenty (detekcia kozmických častíc - neutrín, protónov vysokých energií, zriedkavé procesy – rozpad protónu, dvojitý beta-rozpad)

Schéma diskrétnej štruktúry fyzického sveta

Vybrané Kapitoly 1 1

Urýchľovače častíc Large Hadron Collider ( LHC )

Incidentné častice: p p Pb Pb

7 TeV 7 TeV 574 TeV 574 TeV

Luminozita ( 1030 cm-2 s-1 ): 104 0.002

Čas medzi zrážkami ( s): 0.025 0.135

Obvod urýchľovača: 26.659 km

Hlavné experimenty: ATLAS ( p-p ) CMS ( p-p )

ALICE (Pb-Pb) LHCb (p-p, B-fyzika)

„Súčasné + nedávne” urýchľovače Zväzok Lum. ( 1030 cm-2 s-1 ) end

Tevatron (Fermilab) p p~, 1 1 TeV 300 (2011)

LEP I (CERN) e+e- , 55 55 GeV 24

LEP II (CERN) 100 100 GeV 105 (2000)

SLC (SLAC ) e+ e-, 50 50 GeV 0.35 (2006)

HERA (DESY) e- p , 30 820 GeV 16 (2007)

RHIC (Brookhaven) pp/Au-Au/Cu-Cu/d-Au , 100GeV/n 0.02-0.27 (-)


(Asymetrické) b-fabriky: produkcia Ypsilónia- rodí sa s nenulovou energiou, b-fyzika, B0-oscilácie, CP narušenie, CKM matica

Urýchľovač Zväzok Lum. (1030cm-2s-1) koniec

KEKB (KEK) e e , 8.3 3.6 GeV 21 000 (8105 ) -

PEP-II (SLAC) e e , 9 3.1 GeV 12 000 (2008)

SuperB (Italy) e e , 4.2 6.7 GeV 1106 (planned)

VEPP-4M (Novosibirsk) e e , 6 GeV 20 -

CESR, Cornell, e e : 2-6 GeV 76 (2008)

K,J/-fabriky: produkcia kaónov, J/ zriedkavé rozpady, štúdium narušenia CP symetrie

DANE (Frascati) ee : 25-750 (25-550) MeV 450 -

VEPP-2000, Novosibirsk, e e : max. 1 GeV 100 -

BES-III, Čína, e e : 1.89 (max. 2.3) GeV 1000 -

B and K-fabriky


Štandardný model ( SM )

• Teóriu elektroslabých interakcií

(symetria Lagranžiánu : SU(2)L U(1)Y ; vysletľuje elektromagnetické javy a javy slabých interakcií (-rozpady) )

• Teóriu silných interakcií ( QCD ) (symetria Lagranžiánu : SU(3)C ; vysletľuje sily pôsobiace medzi

kvarkami (komponenty nukleónov), nukleónmi etc.)

Gravitácia nie súčasťou SM ! ( Problémy s vytvorením kvantovej teórie gravitácie )


Základné častice SM

Fundamentálne fermióny ( Základné stavebné častice fyzického sveta vytvárajú

štruktúry: nukleón,atómové jadro, atóm,etc.; sú to fermióny platí pre nich Pauliho princíp )

Kvantá silových polí ( intermediálne častice )

(Bozóny (neplatí pre nich Pauliho princíp) sprostredkujúce interakcie medzi časticami )

Higgsove častice

( Interakcia častíc s Higgsovym poľom dáva časticiam hmotnosť )


Fundamentálne fermióny

Quark: 3 nábojové (farebné) stavy Príroda pozná len biele stavy !

Typické kvarkové štruktúry: mezóny (𝑞𝑞 ) a baryóny ( 𝑞𝑞𝑞 )

Atóm: atómové jadro + elektrónový obal ( elektróny )

nukleóny kvarky ( protón puud , neutrón nudd )


Kvantá silových polí

Elektromagnetická interakcia fotón

Slabá interakcia W, Z-bozóny

Silná interakcia: 8 gluónov

Higgsove častice : H ( Higgsov bozón ) Vákuum je Higgsov kondenzát a interakcia častíc s ním dáva časticiam hmotnost’ ! Vybrané Kapitoly 1 7

Kozmológia a elementárne častice čas ( sec ) 0 Big Bang - nekonečne horúci a hustý vesmír (?) (T 13.7 109 ) Epocha kvantovej gravitácie (?) 10-43 Epocha GUT 10-34 Kozmická inflácia (?) (každých 10-34 sec sa vesmír zdvojnásobil) 10-32 Kvarková epocha ( farebný svet ) 10-12 Teplota 31015 K (energia 200 GeV ): Fázový prechod Vznik Higgsovho kondenzátu leptóny, kvarky, W ,Zbozóny nadobúdajú Vznik prebytku látky nad antilátkou ( 1:1010 ) ?- asi skôr... 10-11 Teplota 1015 K (energia 100 GeV ): Obsah vesmíru: leptóny, kvarky, gluóny, W ,Zbozóny

10-5 Teplota 1012 K (energia 200 MeV ): “Confinement” kvarkov form. hadrónov existujú len “biele” objekty .

Súčasný experiment

LHC (ATLAS,CMS)

LHC (ALICE)


Základné úlohy fyziky na LHC

Pôvod mechanizmu spontanného narušenia symetrie v elektroslabom sektore ( hľadanie Higgsovho bozónu + fyzika okolo )

Fyzika top-kvarku ( LHC 107 tt-párov/rok detailné štúdium t-procesov (účinné prierezy,

rozpady ) B-fyzika (Štúdium narušenia CP symetrie, B0

S - oscilácií; B0 J/ K0

S , B0 , etc. ) Fyzika “za” Štandardným modelom Nové teórie: Technicolour ( QTD ) (narušenie symetrie bez Higgsovho bozónu), GUT-teórie ( SU(5) a vyššie symetrie, zjednotenie elektroslabých a

silných interakcií ) SuperSymetria (zahrnutie gravitácie, častica má supersymetrického partnera ) Teória superstrún (fundamentálny objekt je superstruna existujúca v D-rozmernom časopriestore (D=10/11, 26) ; nadbytočné rozmery sú skompaktifikované, kompaktifikácia vedie k diskrétnym hmotnostiam)


Hľadanie Higgsovho bozónu

Hmotnostný interval ( GeV) rozpad

90 < mH < 100 H

90 < mH < 150 H

130 < mH < 2mZ H ZZ* 4l, WW2l 2

mH > 2mZ

mH 2mZ

H ZZ 4l, WW2l 2

H WW, ZZ l 2 jets,

2l 2 jets

bb

Hľadanie Higgsovho bozónu za SM: MSSM Higgs

A e jets

H jets l-tag b-tag


Objavenie Higgsovho bozónu

𝑚𝛾𝛾 = 𝐸1 + 𝐸22 − 𝑃 1 + 𝑃 2

H analysis

Pravdepodobnosť fluktuacie pozadie lokálna p0-value: 210-7:

Observed: 5.9

Expected: 4.9

mH = 126.0 0.4 (stat) 0.49 (syst) GeV

Hmotnosť ”nového” bozónu:

Dodaním HZZ(*), HWW(*)


• Inner detector Trekovací rozsah ||< 2.5 • EM kalorimetria

• Hadrónová kalorimetria

• Miónový system

. % ( ) . %T T

p 0 05 p GeV 0 1

% ( ) %

Fine granularity up to .

E 10 E GeV 1

2 5

% ( ) %

Range: .

E 50 E GeV 3

4 9

%, range: .T

p 2 7 2 7

Precízna fyzika: ||<2.5 Leptónová ener. škála: 0.02% (Zll) Jetová ener. škála: 1.0 % (W jj)

Magnetické pole : 2T Solenoid + 3 „air core“ toroidy

R. 2010: 3.5TeV3.5GeV

R. 2012: 4GeV 4GeV

Mnoho-účelový časticový detektor (pokrytie do ||=5, L=1034 cm-2s-1)


ATLAS experiment

pp 7TeV7TeV

Literatúra

• F.Halzen and A.Martin, Quarks and Leptons,Wiley (1984) 386p

• M.E.Peskin, D.V.Schroeder, An Introduction to Quantum Field

Theory, Addison-Wesley (1995) 842p

• A. Seiden, Particle Physics: A Comprehensive Introduction,

Addison-Wesley (2005) 473p

• M. Mangano, CERN Yellow Report, CERN-2000-04(1999)

• Other CERN Yellow Reports

Tieto lekcie možno nájsť na:

http://atlas.hep.dnp.fmph.uniba.sk/~tokar/Lectures/lect.html


schéma diskrétnej štruktúry fyzického...

Documents