Standardní model a kvark-gluonové plazma Boris Tomášik Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská, ČVUT International Particle Physics Masterclasses 2012 7.3.2012
Boris Tomášik: Standardní model a kvark-gluonové plazma
Struktura hmoty
molekuly
atomy
jádra a elektrony
protony a neutrony
Boris Tomášik: Standardní model a kvark-gluonové plazma
2
Podivné V-částice, částicová ZOO
v 50 letech: podivně stabilné nové částice částice K a Λ částicová ZOO: p, n, π, Σ, Ξ, Δ, η, Φ, Σ*, ...
Tohle nevypadá elementárně! Boris Tomášik: Standardní model a kvark-gluonové plazma
3
Hadrony se skládají z kvarků baryony Kvarky: up, down, strange (charm, bottom, top) spin 1/2, náboj 2/3, -1/3 antikvarky mezony
Boris Tomášik: Standardní model a kvark-gluonové plazma
4
Těžší hadrony, těžší kvarky Tři kvarkové rodiny: up down
charm strange
bottom top
ke každému je taky antikvark
Boris Tomášik: Standardní model a kvark-gluonové plazma
5
Leptony (lehké částice)
elektron elementární částice žádná struktura bodová částice mion – kosmické záření slabě interagující, na povrchu 1/cm2/min (rozpadá se) tau – lepton (rozpadá se rychle) Boris Tomášik: Standardní model a kvark-gluonové plazma
6
Shrnutí: standardní model + Higgsův boson (nebo něco jiné) => LHC (supersymetrie? Superstruny?, …) tmavá energie a tmavá hmota: 96% zatím neznámé Boris Tomášik: Standardní model a kvark-gluonové plazma
7
Vaření jaderné hmoty
zvyšováním teploty se zvyšuje kinetická energie
při srážkách jsou produkovány nové částice
„překryv“ částic: osvobození kvarků → kvark-gluonové plazma
Boris Tomášik: Standardní model a kvark-gluonové plazma
8
Kritické podmínky Naivní odhad: vnitro protonu kritická hustota energie 2
mc −3 32 ε= = 10 J.m V Tc=150 MeV≈2.1012K pro porovnání: 1 cm3 QGP = 1013 TWh roční produkce CZ = 80 TWh (2009) Boris Tomášik: Standardní model a kvark-gluonové plazma
9
QGP v přírodě: prapolévka Dá se v přírodě najít kvark-gluonové plazma? Ano: v raném vesmíru souvis času a teploty v expandujícím vesmíru
90 h T = 16π 2 geff 4
2 4
2 c MPl 1 4 kB t2
t = 10 − 100 µs Boris Tomášik: Standardní model a kvark-gluonové plazma
10
Jak udělat QGP? Ve srážkach těžkých atomových jader
Boris Tomášik: Standardní model a kvark-gluonové plazma
11
QGP v laboratoři: jádrové srážky
Simulace srážky Au+Au při 200 GeV na nukleon (urychlovač RHIC v BNL) kinetický výpočet: kaskádový generátor UrQMD (jen hadronová fáze, žádné plazma) Tomášik: Standardní model a kvark-gluonové plazma animace: Jeffery MitchellBoris (Brookhaven National Laboratory)
12
Typické energie, velikosti a časy Energie srážky RHIC: 200 AGeV≈6,3 µJ, LHC: 5,5 AGeV≈0,2 mJ Typický rozměr: 10-14m QGP 10-14m
10-10m
10-1m
Typická doba života: QGP 10-22s
zeměkoule
jabko
atom
107m
ír -22 m 10 s s P G Q
ra
ný
o
ve
žik
m ka
10-5s 10-1s
sluneční soustava
to ta
103s
e př
dn
ka š á lid
t o v i
ž ý sk
108s
Boris Tomášik: Standardní model a kvark-gluonové plazma
1012m
íru
m
vě
k
s ve
1018s 13
Co si zapamatovat Když se hmota zahřeje na extrémně vysokou teplotu (mnohem více než ve středu Slunce), pak protony a neutrony roztají na kvarky V jaderných srážkách na LHC a RHIC byla vyrobena taková hmota s kvarky v osvobozeném stavu Jedním se znaků produkce QGP je zvýšená produkce podivných hadronů. Boris Tomášik: Standardní model a kvark-gluonové plazma
14
Potlačení jetů Jety jsou produkovány v jednoduchých systémech vždy ve dvojici (zákon zachování hybnosti)
Boris Tomášik: Standardní model a kvark-gluonové plazma
15
Jety ve srážce e+e-
Boris Tomášik: Standardní model a kvark-gluonové plazma
16
Jety ve srážce Au+Au?
Boris Tomášik: Standardní model a kvark-gluonové plazma
17
Vyhasnutí jetu na druhé straně
Druhý jet je pohlcen v médiu [STAR Collaboration, PRL 91 (2003) 072304]
RHIC produkuje médium požírající jety!
Jediné takové známe médium je Kvark-gluonové plazma. Boris Tomášik: Standardní model a kvark-gluonové plazma
18
Výsledky LHC/CMS: silné potlačení jetů
Boris Tomášik: Standardní model a kvark-gluonové plazma
19
Produkce podivnosti v kvark-gluonovém plazmatu je produkce podivných částic energeticky levnější než v plynu hadronů Prahové energie: Hadronový plyn: 530 MeV QGP: 200-300 MeV
π+N →Λ+K g + g → s + s¯
Je potřeba měřit produkci podivných částic ve srážkách jaderných a porovnávat ji s referenčními hodnotami se srážek protonů Boris Tomášik: Standardní model a kvark-gluonové plazma
20
Shrnutí LHC a RHIC produkuje kvark-gluonové plazma.
Vyrábíme malé rané vesmíry! ⇒ Malé třesky
Boris Tomášik: Standardní model a kvark-gluonové plazma
21
Bonus: Higgsův boson
Boris Tomášik: Standardní model a kvark-gluonové plazma
22
Events/5 GeV
Bonus: Hledání Higgsovho bosonu 10 8
DATA Background Signal (m =125 GeV) Signal (mH=150 GeV) Signal (mH=190 GeV) H Syst.Unc.
ATLAS
(*)
6
H"ZZ "4l -1 !Ldt = 4.8 fb s = 7 TeV
4 2 0 100
150
200
250 m4l [GeV]
(a) Boris Tomášik: Standardní model a kvark-gluonové plazma
23