velike naprave za majhne delce

Velike naprave za majhne delce(slide 1)

Samo KorparUniverza v Mariboru in institut Jožef Stefan

21. december 2011seminar Out-of-the-Box

Velike naprave za majhne delce

osnovni delci in standardni model kako jih opazujemo potrditev standardnega modela a smo že na cilju? - novi načrti kaj lahko uporabimo?

Samo Korpar

Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo, Univerza v Mariboruin Institut Jožef Stefan, Ljubljana





Model naraveKaj pričakujemo od opisa osnovnih gradnikov narave? Da je preprost (majhno število osnovnih gradnikov) in pravilen.

Starodavni opis narave.Narava je sestavljena iz štirih elementov: zrak ogenj voda zemlja

→ Preprost, a žal napačen ...

ZRAK

OGENJ VODA

ZEMLJA




Periodni sistem elementov

Opis narave po D. I. Mendeljejevu:

~ 100 elementov

→ Pravilen, a zapleten ...




Gradniki po nadstropjihsnov atom elektron

jedro

proton

nevtron

kvarki

Zgodba se nadaljuje: atomi so sestavljeni iz majhnega pozitivno nabitega jedra in 'oblaka' elektronov, ki ga na jedro veže električna sila jedro sestavljajo protoni in nevtroni povezani z jedrsko silo pri radioaktivnem razpadu beta nastane nov delec – nevtrino, ki le šibko interagira s snovjo in ga zelo težko zaznamo odkriti so novi delci mion, pion, kaon … protoni in nevtroni so sestavljeni iz kvarkov ... → standardni model osnovnih delcev in interakcij




Standardni model Kvarki: u, d, c, s, t, b Leptoni: e-, νe, µ-, νµ, τ-, ντ Higgsov delec H (?) Sile: elektrošibka (γ, Z, W) in močna (g)

Matrika Cabibbo-Kobayashi-Maskava (CKM) - zveza med stanji, ki nastopajo pri šibki in pri močni interakciji.

d sb = V ud V us V ubV cd V cs V cbV td V ts V tb dsb

Kvarki ne obstajajo prosti, ampak so vezani v mezonih (qq) in barionih (qqq).

masa →naboj →

spin →

ime →

Lept

oni

Kva

rki

Um

eritv

eni b

ozon

i

Leptoni

Foton

Kvarki

Gluon

Higgsov bozon




Matrika CKM in unitarni trikotnik

Relativne velikosti elementov.

V †V= I V udV ub∗ V cdV cb

∗V tdV tb∗= 0

=arg − V tdV tb∗

V udV ub∗ , =arg −V cdV cb

∗

V tdV tb∗ , =arg −V udV ub

∗

V cd V cb∗

V udV ub∗

V cdV cb∗

V tdV tb∗

V cdV cb∗

,

0,0 1,0

Pogoj unitarnosti - test standardnega modela:




Meritev stranic in kotov trikotnika -test standardnega modela

2001

Vub: B -> Xu ℓ ν Vtd: mešanje mezonov B α, β, γ: časovno odvisna kršitev CP




Meritev časovno odvisne kršitve simetrije CP

mezona B nastaneta v hitro gibajočem se sistemu; zaradi velike hitrosti in podaljšanja življenjskega časa prepotujeta zaznavno pot v laboratorijskem sistemu razliko časa razpada ∆t lahko določimo z merjenjem lege razpadnih verteksov mezona B sta povezana: okus B2 lahko ob času t1 določimo iz razpada B1

elektron8GeV

pozitron3.5GeV

resonancaΥ(4S)

∆t

t1 t2

B0

B0

π−

μ+

označevalnimezon B

l−

K−

J / Ψ

K S

μ−

π+




Opazovanje delcev za opazovanje delcev moramo le te najprej ustvariti (trkalnik) in nato opazujemo njihove razpade (spektrometer) le redki delci živijo dovolj dolgo, da pustijo sledi v detektorjih: nabiti in nevtralni kratkožive delce zaznamo posredno, tako da jih rekonstruiramo preko njihovih razpadnih produktov:

poiščemo delce, ki prihajajo izskupnega verteksa

iz izmerjenih energij in gibalnih količin lahkodoločimo maso delca, ki je razpadel, saj se skupna gibalna količina in energija ohranjata

π−K S π+

Mc2=√(∑i Ei)2−(∑ipi)2c2

Ei2=mi2c4+pi

2c2

e ,μ ,π , K , p γ , KL , n




elektron

... podobno deskanju na valovih

Pospeševanje delcev Pospeševanje z elektromagnetnim valovanjem (tipična frekvenc

~500 MHz – mobilni telefoni delujejo pri 900 MHz, 1800 MHz …)

val poskrbi tudi, da ostane gruča v vzdolžni smeri kompaktna žarek vodimo z dipolnimi magneti za vzdrževanje kompaktnosti v prečni smeri skrbijo multipolni magneti

jako

st e

lekt

rične

ga p

olja




Trkalnik KEKB

izvor e+

Belle detektor

izvor e-

pospeševanje elektronov in pozitronov




Kompleks pospeševalnikov v Tsukubi, Japonska




Spektrometer Belle

pragovni števec Čerenkova(aerogel, n=1.015-1.030)

elektromagnetnikalorimeter(kristali CsI, 16X0)

števec časa preleta (ToF)supraprevodna tuljava

(B=1.5T)

silicijev detektor verteksov(4 plasti mikropasovnih

detektorjev)

detektor µ in K L(14/15 plasti RPC+Fe)

centralna drift komora(majhne celice, He/C2H6)

8 GeV e-

3.5 GeV e+




Eden bistvenih elementov detektorja je detektor verteksa, točke, kjer je mezon B razpadel.

Zelo občutljiv kos aparature iz 300µm debelih silicijevih plošč z gosto nanesenimi elektrodami: natančnost meritve mesta preleta nabitega delca: 10µm !

Detektor verteksov

substrat n

elektrode p+

elektrode n+nabiti delec

vrzeli

elektroni




meritev točke preleta nabitega delca – sledenje delcu v magnetnem polju, kjer iz ukrivljenosti določimo gibalno količino

meritev specifične ionizacije (= velikost signala) – identifikacija nabitih delcev

Potovalna komora katodaplin

anoda




pioni, kaoni in protoni: - števec časa preleta- meritev specifične ionizacije- pragovni števec Čerenkova

elektroni:- elektromagnetni kalorimeter

mioni:- mionske komore (KLM)

KL:- mionske komore (KLM)

visokoenergijski žarki γ:- elektromagnetni kalorimeter

Identifikacija delcev

delec identificiramo tako, da mu določimo maso →ob gibalni količini potrebujemo še energijo ali hitrost

mc2=√E2−p2c2 mc2=pc√ 1β2−1

udarni val

razvoj pljuska




Rekonstrukcija dogodka sledi nabitih delcev v

magnetnem polju (polmer kroga je merilo gibalne količine)

koordinate točke izvora sledi

dodatni podatki o identiteti delca

B0 → KS J/ψKS → π− π+

J/ψ → µ− µ+




Rekonstrukcija J/Ψ in KS Mc2=√(∑i Ei)2−(∑ipi)2c2




Identifikacija razpada B0

MBC=1c2 √Ebeam

2 −( pJ /Ψ+ pKS)2c2

B0→ J /Ψ K S




B0 tag_B0_B

0

Izmerjena asimetrijaB0→ J /Ψ K S

a f=S sin(Δmt )+Acos(Δmt )

S=sin 2β=0,668±0,023(stat.)±0,013(sist.)A=0,007±0,016(stat.)±0,013(sist.)

2001: odkritje →2011: precizijska meritev!




Unitarni trikotnik 2011




ATLAS Experiment © 2011 CERN

Masa osnovnih delcev – Higgsov bozon Higgsov mehanizem 'priskrbi' delcem maso v okviru standardnega modela predvideva obstoj Higgsovega bozona, ki še vedno čaka na eksperimentalno potrditev iščeta ga eksperimenta ATLAS in CMS ob trkalniku LHC v CERNu

H→γ γH→ZZ→l+l−l+l−H→W W→l+ νl−ν

eksperimentalno najbolj zanimivi procesi




možak..tukaj…

Spektrometer ATLAS ob LHC




ATLAS Experiment © 2011 CERN

Higgsov bozon? rezultat iskanja pri eksperimentu ATLAS s podatki leta 2011 kažejo presežek dogodkov okoli mase 125 GeV/c2. presežek na istem mestu so opazili tudi pri eksperimentu CMS dokončno potrditev lahko pričakujemo naslednje leto

sliki dveh dogodkov z kandidatom razpada bozona Higgs:

H→ZZ→e+e−μ+μ−

H→ZZ→μ+μ−μ+μ−

ATLAS Experiment © 2011 CERN ATLAS Experiment © 2011 CERN




A smo že na cilju?

Standardni model dobro opiše pojave v fiziki osnovnih delcev pri dosegljivih energijah, a še ni dokončna slika: ne vključuje gravitacije! ne opiše zadostno prevlade materije nad antimaterijo!

obstoj kršitve simetrije CP je le eden izmed treh pogojev Saharova, ki so potrebni za prevlado materije

trenutno izmerjena kršitev je za ~10 redov velikosti prešibka za opis količine materije, ki je ostala po velikem poku

kaj je temna snov?

snov

~ nič anti-snovi?

temna energija?? temna snov?

Vesolje




Iskanje 'nove' fizikePrimerjava direktnega in posrednega opazovanja:

direktno opazovanje (LHC)

posredno opazovanje (Super KEKB)




razpadi lahko potekajo preko dveh procesov, ki sta približno enako močna in med seboj interferirata, kar omogoča znatno kršitev CP:

direktna kršitev simetrije CP pomeni razliko razpadnih verjetnosti za delec in antidelec:

merilo razlike je asimetrija:

N B0K− ≠ N B0K−

Direktna kršitev simetrije CP pri razpadih B→K π

AK±∓ ≡N B0K−−N B0K−N B0K−N B0K−

drevesni diagram (barvno dovoljen) pingvinski diagram (močni)

BK




Izmerjena asimetrija pri BK mezone B prepoznamo po njihovi invariantni masi

izmerjeni asimetriji sta:

M BC=√Ebeam2 −(∑

ipi)

2

N B0K− N B0K−

N(B−→K−π0) > N(B+→K+π0)

AK±∓ = −0.094±0.018stat±0.008 sist AK±0 = 0.07±0.03stat±0.01sist




Ali izmerjena razlika kaže na odstopanja od SM?

razlika med razpadom nevtralnega in nabitega mezona B je le v zamenjavi kvarka u s kvarkom d (kvark ne sodelujeta direktno v procesu). Zato bi pričakovali enako asimetrijo pri obeh

A = AK±0−AK±∓ = 0

drevesni diagram (barvno dovoljen) pingvinski diagram (močni)




Ali izmerjena razlika kaže na odstopanja od SM? Izmerjena razlika je

Znatna razlika kaže na dodatni proces pri razpadu: prispevek barvno zatrtega drevesnega diagrama?

prispevek elektrošibkega pingvina?

A = AK±0−AK±∓ = 0.164±0.037 @4.4

Velikost obeh prispevkov se v okviru Standardnega modela zdi premajhna za opis nastale razlike.

Pri pingvinskem diagramu lahko dodatno razliko prinesejo morebitni novi delci,ki nastopajo v zanki.

→ Nature 452(2008)332




Potreba po večjem vzorcu -> Super KEKB in Belle II Čeprav nekatere dosedanje meritve nakazujejo možna odstopanja od Standardnega modela, so potrebne natančnejše meritve, da bi opažena odstopanja tudi potrdili. Rezultati so trenutno omejeni z velikostjo vzorca, saj gre za opazovanje redkih razpadov Večji vzorec bo omogočal tudi preverjanje napovedi novih modelov o kršitvah leptonskega števila, kjer so naše meritve trenutno še premalo občutljive.

Izboljšati je potrebna tako pospeševalnik, za povečanje luminoznosti (→ za povečanje števila izmerjenih razpadov), kot tudi spektrometer, za povečanje učinkovitosti rekonstrukcije in prilagoditev detektorjev večjim pogostostim dogodkov.

Sredi novembra smo imeli v Tsukubi svečano otvoritev nove mednarodne raziskovalne skupine, ki bo izboljšala pospeševalnik KEKB (→ Super-KEKB) in spektrometer Belle (→ Belle II).




Trkalnik Super KEKB

e- 2.6 A

e+ 3.6 A

Izvor pozitronov

Belle II

Nov IR

Sprememba RF sistema za višje tokove žarkov

Nov izvor pozitronov

Cilj je 40x večja pogostost interakcij

zamenjava in prerazporeditev nekaterih dipolov

nova žarkovna cev

nova žarkovna cev

nano žarektrk gruč

izvor elektronov z nizko emitanco

izvor pozitronov z nizko emitanco

obroč za dušenje




Spektrometer Belle II

elektroni (7GeV)

pozitroni (4GeV)

EM kalorimeter:CsI(Tl)+čisti CsIvzorčenje signala

Detektor KL in mionov:števec iz uporovnih ploščscintilator+WLSF+MPPC

Identifikacija delcev:detektor časa propagacijedetektor obročev Čerenkova

Berilijeva žarkovna cevpremer 2 cm

Detektor verteksov2 sloja DEPFET + 4 sloji DSSD

Centralna potovalna komoraHe(50%):C2H6(50%), male celice,dolga ročica, hitra elektronika

Določanje točke interakcije z visoko natančnostjo

Las – debelina 100 mikronov

Berilijeva žarkovna cevpremer 2 cm

Detektor verteksov2 sloja DEPFET + 4 sloji DSSD

Sledenje nabitih delcev v magnetnem polju – merjenje gibalne količine

Centralna potovalna komoraHe(50%):C2H6(50%), male celice,dolga ročica, hitra elektronika

Uporaba sevanja Čerenkova: svetloba, ki jo izseva delec pri gibanju hitreje od hitrosti svetlobe v snovi – podobno udarnemu valu, ki nastane pri nadzvočnem letalu!

Radiator Photon detector

Cherenkov photon

Identifikacija delcev:detektor časa propagacijedetektor obročev Čerenkova

Aerogel

Hamamatsu HAPDQ.E. ~30% (recent good ones)

Test Beam setup

Belle II DetectorDetektor elektronov in visoko energijskih žarkov gama, ki sprožijo pljusk v težkem kristalu

EM kalorimeter:CsI(Tl)+čisti CsIvzorčenje signala

Belle II Detector

Ω

hv

Ubias

DepletionRegion2 µm Substrate

Zazna mione - delce, ki lahko prebijejo 1m železa - in dolgožive kaone

Detektor KL in mionov:števec iz uporovnih ploščscintilator+WLSF+MPPC




Uporabnost rezultatov raziskavDilema o uporabnosti temeljnih raziskav je stara: Michael Faraday (angleški fizik, 1791-1867): odkril indukcijo –

prava temeljna raziskava v njegovem času (danes pa si brez nje ne moremo predstavljati življenja: električni generatorji, radio, televizija, mobilni telefoni ...).

Ko ga je finančni minister vprašal, zakaj so njegove raziskave koristne, je odgovoril:

“Ne vem, zakaj so koristne, prepričan pa sem, da bo vaš naslednik od tega pobiral davke.”

Pri eksperimentalni fiziki osnovnih delcev je veliko posrednih koristi, saj se orodja in aparature, ki jih razvijemo za raziskave lahko uporabijo na različnih področjih:

informacijske tehnologije – WWW, GRID zdravljenje z obsevanjem – hadronska terapija preiskovanje materialov z radioaktivnimi izvori slikanja na področju medicinske diagnostike ...




Anihilacija

Zajemanje koincidenčnih dogodkov

Pozitronska tomografija prva aparatura za PET je bila razvita v CERNu meritev spominja na poskus v fiziki osnovnih delcev in aparatura je majhen detektor

anihilacij in nastanek žarkov gama detekcija dogodkov – koincidenc rekonstrukcija slike

http://www.wikidoc.org/index.php/File:PET-MIPS-anim.gif




Možne izboljšave PET lastnosti novih svetlobnih senzorjev razvitih za nove detektorje delcev lahko izboljšajo slikanje s PET

delovanje v magnetnem polju → kombinacija NMR+PET časovna ločljivost → TOF PET

PET

MRI

PET

TOF PET s svetlobo Čerenkova – takojšnje izsevanje fotonov izboljša časovno ločljivost




Povzetek rezultati meritev na pospeševalnikih se zelo dobro ujemanje z napovedmi standardnega modela – teorije, ki opiše osnovne delce in njihove interakcije

model še ni dokončen odgovor, saj ne vključuje gravitacije in ne pojasni nekaterih opazovanj iz kozmologije (prevlada materije nad anti materijo, kaj je temna snov)

odgovore iščemo v odstopanju nekaterih meritev od napovedi, ki bi lahko bile povezane s fiziko izven standardnega modela natančnost meritev je trenutno omejena s številom izmerjenih dogodkov → izboljšanje trkalnika in spektrometra → večji vzorec

v okviru razvoja novih detektorjev za identifikacijo se razvijajo novi svetlobni senzorji, ki opirajo nove možnosti za aplikacije v medicinski fiziki in slikanju z radioaktivnimi izvori

velike naprave za majhne delce

Education