Úvod do experimentální fyziky vysokých energií

Úvod do experimentální fyziky vysokých energií aneb z čeho se skládá hmota, jaké síly ji ovládají a jak probíhá experimentální výzkum J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR kurz na PŘF UP Olomouc Moderní technologie ve studiu aplikované fyziky reg. č.: CZ.1.07/2.2.00/07.0018. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

Něco ke čtení J. Hořejší, Historie standardního modelu mikrosvěta http://www-hep.fzu.cz/castice/smodel.pdf D. H. Perkins, Introduction to particle physics. T.R.N. Cahn, G. Goldhaber, The Experimental Foundations Of Particle Physics. W. R. Leo, Techniques for Nuclear and Particle Physics Expeiments. J. Chýla, Quarks, Partons and Quantum Chromodynamics http://www-hep2.fzu.cz/~chyla/lectures/text.pdf Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

2

Program 1. "Cihly a malta, ze kterých je složen náš svět" (® CERN) • základní objevy • systematika částic • současný stav našich znalostí – základní kameny hmoty a jejich interakce • dosud nezodpovězené otázky 2. Interakce částic s prostředím • průchod nabitých částic prostředím v závislosti na energii • elektromagnetické a hadronové spršky 3. Detektory • metody detekce částic, vybrané typy detektorů 4. Urychlovače částic • principy urychlování, používaná zařízení 5. Velké současné a budoucí experimenty na urychlovačích • experimenty na urychlovačích LEP a Tevatron, nejdůležitější výsledky • Atlas@LHC Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

3

Téma 1 Cihly a malta, ze kterých je složen náš svět  „Není nic než atomy a prostor, všechno ostatní jsou jen domněnky" - Demokritos z Abdery

Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

4

Trocha historie (1) o

Některé důležité objevy: (http://library.thinkquest.org/19662/high/eng/index.html)  elektron (J.J.Thomson, 1894): o studium vlastností katodového záření  atomové jádro (E. Rutherford, 1912): o rozptyl alfa-částic na tenké folii zlata o planetární model atomu  neutron (J. Chadwick, 1932): o objeven v reakci: α + 9Be → 12C + n o neutrální částice se stejnou/velmi blízkou hmotností jako proton o vysvětlení složení atomového jádra o problémy s beta-rozpadem, postulováno neutrino (W. Pauli, 1931). Nejjednodušší beta-rozpad: n → p + e +– νe existence neutrina potvrzena experimentálně až v roce 1956 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

5

Trocha historie: objev elektronu (1.2) Výboje ve zředěném vzduchu byly pozorovány a popsány již v roce 1705 !!! Cromwell Fleetwood Varley (1828-1883) dospěl v roce 1871 k závěru, že katodové paprsky by mohly být tvořeny záporně nabitými částicemi. Ty by se totiž uhýbaly v magnetickém poli stejným směrem jako to pozoroval u katodových paprsků. …. soupeření pokusů vysvětlit katodové paprsky jako vlny (Goldstein, Hertz) nebo jako tok částic (Varley, Crooks)

(animace)


6

Trocha historie: objev elektronu (1.2) J. J. Thomson se začal studovat katodové paprsky v roce 1894, když bylo zjištěno, že se vychylují účinkem magnetického pole. Pokusil se změřit jejich rychlost a dospěl k hodnotě 2 105 m/s. V roce 1895 Jean Perrin zjistil, že katodové paprsky nesou záporný náboj. Z doletu ve vzduchu Thomson usoudil, že „molekuly“ jsou J. J. Thomson mnohem menší než jsou molekuly plynu. Při pozdějších (1856 – 1940) pokusech Thomson naměřil rychlost katodových paprsků 2 107 m/s ! Změřil také poměr q/m a to jak pro katodové paprsky, tak pro vodík. I když neznal hodnoty q a m, a mohl se domnívat, že náboj elektronu je jiný než náboj vodíku, ale z rozdílu velikosti „molekul“ usoudil, že elektron je mnohem lehčí než vodík. Studium katodových paprsků pokročilo, když Geissler v roce 1855 vynalezl nový typ vývěvy, ve které rtuťový sloupec nahradil píst. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

7

Trocha historie: objev elektronu (1.2)


8

Trocha historie: Rutherfordův pokus (1.2) Ernest Rutherford získal v roce 1908 Nobelovu cenu za chemii - objevil transmutaci thoria na radon a změřil poločas rozpadu radonu. V roce 1906 zjistil, že α částice jsou vlastně jádra helia. Ve vakuové nádobě s α zářičem se po čase dala spektroskopicky dokázat přítomnost helia. V roce 1909 uskutečnili Rutherford, Geiger a Marsden pokus s rozptylem α částic na folii zlata. Měření prováděli počítáním „zásahů“ na ZnS stínítku, kde odražená α částice vyvolala kratičký záblesk. Pozorovatel musel půl hodiny adaptovat zrak v temné komoře a nebyl schopen počítat více jak 90 událostí za minutu. Po minutě počítání si musel odpočinout. Rutherford a jeho kolegové napočítali při svých pokusech statisíce záblesků.

Ernest Rutherford (1871 – 1937)

 Hans Geiger získal velmi silnou motivaci vyvíjet lepší detektory! Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

9

Trocha historie: Rutherfordův pokus (1.2) V době pokusu převládal model „švestkového pudingu“, který předpokládal, že elektrony a protony jsou rovnoměrně rozmístěné v celém objemu neutrálního atomu. Po několika dnech měření Geiger prohlásil: „ Byla to ta nejneuvěřitelnější věc která se mi kdy stala. Bylo to skoro tak neuvěřitelné, jako když vypálíte 15ti palcový granát na list papíru a on se odrazí a trefí vás.“

Tento vzorec platí v kvantové fyzice i v klasické mechanice (animace). Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

10

Ruthefordův experiment (1.3) •

Odhad velikosti atomového jádra: ⇒

m=6.7 10-27 kg, q1=2e, q2=79e, v =2 107 m s-1 a0 = 2.7 10-14 m ( < 7.3×10−15 m)

Vztah pro účinný průřez • Klasické odvození: na základě zákonů zachování energie a momentu hybnosti lze odvodit přesný vztah pro účinný průřez • QM odvození: kvadrát amplitudy rozptylu dσ/dΩ = |f(ϑ)|2 Bornova aproximace: f(ϑ) ∝ ∫ exp(iqr) V(r) dr, V(r) ∝ 2αm/r, f(ϑ) ∝ 2αm/q2 dσ/dΩ ∝ α 2m 2/4p4sin4 (ϑ/2) Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

11

Složený objekt, objevování struktury

(

)

Malé předané hybnosti: rozptyl na bodovém náboji Σαi

Pronikáme do struktury hmoty !!!

Velké předané hybnosti: Inkoherentní suma přen N nábojů, Tj. rozptyl na N bodových nábojích αi


12

Trocha historie: objev neutronu (1.2) James Chadwick (1891 – 1974) James Chadwick získal v roce 1935 Nobelovu cenu za objev neutronu. To otevřelo cestu k dalším možnostem štěpení jader neboť na neutrální neutrony nepůsobí odpudivé elektrické síly jako na α částice, používané do té doby. Již v roce 1930 Walter Bothe a H. Becker bombardovali berylium 9 Be α částicemi a pozorovali emisi energetického záření, které se 4 nezahýbalo v magnetickém poli. Zprvu se domnívali, že se jedná o γ záření. Později manželé Curieovi zjistili, že toto záření vyráží protony z parafínu. Chadwick pochopil, že probíhají reakce: 4 9 14 1 4 9 12 1 He + Be → C + n He + B → N + n 2

4

6

0

2

4

7

0

a ze znalosti hmot 115B a 147N určil hmotu neutronu. Hmoty izotopů znal díky měřením Williama Astona, vynálezce hmotového spektroskopu (Nobelova cena v roce 1921). Objevil 213 z 276 přírodních izotopů – zákon celých čísel atomových hmot. (animace) Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

13

Trocha historie: objev neutronu (1.3) • • • •

• •

•

Objev neutronu pomohl vysvětlit problém spinu N14 Ferminony = poločíselný spin, Bosony = celočíselný V QM je každá vlnová fce (anti)symetrická vůči záměně dvou (fermionů)bosonů. Před Chadwickem byla představa, že v jádru např. N14 je 14 protonů (kvůli hmotě atomu) a 7 elektronů (k vykompenzování náboje) Složením 21 fermionů ale nutně vznikne fermion Ovšem např. ze spektroskopických pozorování dusíkové molekuly zřejmé, že její vlnová fce je symetrická vůči výměně dvou jader tj. musí být N14 boson Objev neutronu problém vyřešil, jádro má 7 neutronů a 7 protonů, ty již na celočíselný spin složíme Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

14

Neutron a/nebo neutrino V beta rozpadech „chyběla“ energie a hybnost Zachovávají se vůbec v mikrosvětě? (Heisenberg, Bohr …) Pauli: „…to co nevidíme neznámá neutrální částice neutron.“ December 4, 1930 Dear Radioactive Ladies and Gentlemen, As the bearer of these lines, to whom I graciously ask you to listen, will explain to you in more detail, how because of the ”wrong” statistics of the Nitrogen and Lithium 6 nuclei and the continuous beta spectrum, I have hit upon a desperate remedy to save the ”exchange theorem” of statistics and the law of conservation of energy. Namely, the possibility that there could exist in the nuclei electrically neutral particles, that I wish to call neutrons, which have spin 1/2 and obey the exclusion principle and which further differ from light quanta in that they do not travel with the velocity of light. The mass of the neutrons should be of the same order of magnitude as the electron mass and in any event not larger than 0.01 proton masses. The continuous beta spectrum would then become understandable by the assumption that in beta decay a neutron is emitted in addition to the electron such that the sum of the energies of the neutron and the electron is constant... Your humble servant, W. Pauli Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

15

Trocha historie (2) •

Lákavá představa – z těchto částic by šel poskládat svět kolem nás:  hmota se skládá z atomů  atom se skládá z jádra (protony, neutrony) a elektronového obalu

Je to ale všechno ? Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

16

Trocha historie (3) •

Základní síly:  silná: drží pohromadě protony a neutrony v atomovém jádře, překonává elektrostatické odpuzování kladně nabitých protonů  elektromagnetická: působí mezi nabitými částicemi, zodpovědná mj. za chemické vlastnosti prvků (konfigurace elektronového obalu atomu)  slabá: zodpovědná za radioaktivní beta-rozpady jader, také za rozpad volného neutronu  gravitační: působí mezi všemi hmotnými tělesy, na úrovni částic jsou její projevy zanedbatelné


17

Objevy v kosmickém záření (1) •

V kosmickém záření byly postupně objeveny další částice:  pozitron (Anderson, 1930) . . . . první objevená antičástice !!! 

objev kladně nabité, velmi

lehké částice

p = 63 MeV

6 mm

p = 23 MeV Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

18

Objevy v kosmickém záření (2) • • •

částice μ (1936), později se ukázalo, že jde o "těžký elektron" mezony π, ve 3 nábojových variantách (Yukawovy částice π+, π–, π0 ) podivné částice:  produkují se v párech – např. π– + p → Λ0 + K0  rozpadají se pomalu (slabá interakce), ačkoli mají velkou hmotnost  mnoho rozpadových modů

a další částice byly objeveny na urychlovačích… •

Najednou máme mnoho částic s různými vlastnostmi:  hmotnost, elektrický náboj, střední doba života  spin (vnitřní moment hybnosti), magnetický moment  parita Chtělo by to zavést nějaký řád… Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

19

Systematika částic (1) •

Snaha o uspořádání částic podle jejich vlastností:  hadrony (interagují silně, např. p,n,π) × leptony (slabě, případně elmg, např. e,μ)

mezony × baryony  •

bosony (celočíselný spin) × fermiony (poločíselný spin)

Na základě pozorování postulovány další zákony zachování:  baryonové a leptonové číslo  podivnost (další kvantové číslo, zachovává se pouze v silných interakcích)  parita (multiplikativní kvantové číslo, zachovává se v silných a elmg. interakcích)

To je sice hezké, ale pořád máme těch elementárních částic nějak podezřele moc Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

20

Systematika částic (2) • •

Základní vlastnosti hadronů známých v šedesátých letech 20.století lze vysvětlit pomocí tzv. konstituentních kvarků Kvarkový model (Zweig, Gell-Mann):  základní konstituenty hadronů jsou kvarky u,d,s  složení částic:  baryony se skládají vždy ze 3 kvarků: p = (uud), n = (udd), Λ0 = (uds) –  mezony jsou složeny z páru kvark-antikvark: π+ = (ud), K– = – (su) • jaké jsou tedy vlastnosti kvarků? • fermiony se spinem ½ • zlomkový elektrický náboj Q(u) = ⅔, Q(d,s) = –⅓ • zlomkové baryonové číslo B = ⅓ • mají další vnitřní stupeň volnosti zvaný barva (existují 3 barevné stavy)

Zprvu šlo jen o matematický model, ale... existence částice Ω– = (sss) by jinak byla v rozporu s Pauliho vylučovacím principem Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

21

Jak vzniklo slovo „kvark“ •

FINNEGANS WAKE James Joyce, Book II chapter 4: Three quarks for Muster Mark! Sure he hasn't got much of a bark And sure any he has it's all beside the mark.

•

...'I employed the sound ''quork'' for several weeks in 1963 before noticing ''quark'' in ''Finnegans Wake'', which I had perused from time to time since it appeared in 1939. The allusion to three quarks seemed perfect. I needed an excuse for retaining the pronunciation quork despite the occurrence of ''Mark'', ''bark'', ''mark'', and so forth in Finnegans Wake. I found that excuse by supposing that one ingredient of the line ''Three quarks for Muster Mark'' was a cry of ''Three quarts for Mister...'' heard in H. C. Earwicker's pub.'---M. Gell-Mann, private let. to Ed., 27 June 1978. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

22

Jak vzniklo slovo „kvark“ Nebo Gell-Mann uměl německy  Quark, der - tvaroh - maličkost - hloupost - nesmysl - nicotnost

da liegt der Quark - to tu máme!; tu to vězí


23

Systematika částic: „osminásobná cesta“ (2.1) _ Grupa SU(3) => 3x3x3 = 8+8+10+1, 3x3=8+1

Y

T3


24

Systematika částic: kam s půvabem? Grupa SU(4) Uspořádání mezonů se spinem 0 a se spinem 1.

C Y

T3


25

Systematika částic: kam s půvabem? Uspořádání baryonů se spinem 1/2 a se spinem 3/2.

C Y

T3


26

Systematika částic (3) …ve srážkových experimentech se ukázalo, že kvarky „skutečně existují“  vnitřní struktura protonu pozorována v nepružných srážkách e+p při vysokých energiích •

„problémy“ kvarkového modelu: • volné kvarky nebyly pozorovány • prokázání existence barvy ? • zlomkový elektrický náboj ?


27

Popis interakcí částic (1) o

Ve světě částic se síly popisují jako vzájemné působení částic hmoty s jinými částicemi – tzv. nositeli interakce:

o

Příklad: interakce elektronu s elektronem, vyměňují si foton:

Feynmanův diagram


28


Ve světě částic každá „reálná“ částice s sebou nese oblak virtuálních částic, podobně si lze představit i vakuum

To umožňují Heisenbergovy relace neurčitosti


29

Systematika částic: struktura protonu (3.1)

…hluboký nepružný rozptyl e+p je jakási obdoba Rutherfordova pokusu ….. Kinematika

Elastický rozptyl, bodový proton Inelastický rozptyl Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

30

Systematika částic: struktura protonu (3.2) Partonový model (Bjorken Feynman): proton se skládá z partonů (kvarků), na kterých se odehrává elastický rozptyl

STRUKTURNÍ FUNKCE

Parton nese hybnost xP Inelastický účinný průřez je tak inkoherentním „součtem“ individuálních účinných průřezů na partonech x

⇑ Σi eidi(x) [(1-y) + 1/2y2 - (M/x)2(xy/S)]


31

Systematika částic: struktura protonu (3.2) F2 nezávisí na předané hybnosti Q2 tzv. škálování To bylo veliké experimentální překvapení A úspěch partonového modelu spočívá v tom, že to dokáže vysvětlit


32


Interakce se pak popisuje v rámci kvantové teorie pole, např. interakční langrangián kvantové elektrodynamiky (částice elektron, pozitron, foton) vypadá: – – L = –¼FμνFμν + ieψ γμ ψAμ – mψψ kde:  ψ je spinor elektronu, m představuje hmotu elektronu  Fμν = ∂μAν – ∂νAμ je tenzor energie elektromagnetického pole  Aμ je čtyř-potenciál elektromagnetického pole Aμ = (φ, A) o Lorentzova kalibrační podmínka: ∂μAμ = ∂φ/(c2∂t) + ∇∙A = 0 o Maxwellovy rovnice pro volné elmg. pole ve vakuu: ∂μ∂μAν = 0

Popsat sílu v mikrosvětě částic znamená popsat interakci částic hmoty s nositeli interakce Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

33

Současný stav našich znalostí (1) o

Základní "cihly" hmoty jsou kvarky a leptony  existují 3 rodiny/generace fundamentálních částic, všechny jsou fermiony se spinem ½  každou rodinu tvoří 2 kvarky a 2 leptony, celkový elektrický náboj ΣQ = 0 v každé rodině  ke každé částici existuje antičástice (stejná hmotnost, střední doba života a spin, opačný elektrický náboj)  stabilní hmota ve vesmíru je složená z částic 1.rodiny + γ, Z0, W+, W- …. g a H0 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

34

Současný stav našich znalostí: kvarky (1.1)


35


Fundamentální interakce ("malta") ve světě elementárních částic:  silná: o působí mezi kvarky, nositelem interakce jsou gluony (je jich 8) o náboj: barva o popsána pomocí kvantové chromodynamiky o silné jaderné síly mezi protonem a neutronem v jádře jsou vlastně zbytkovým projevem silné interakce na úrovni kvarků  elektromagnetická: o působí mezi nabitými částicemi o náboj: elektromagnetický o popsána pomocí kvantové elektrodynamiky, později pomocí sjednocené teorie elektroslabých interakcí  slabá: o působí mezi kvarky i leptony, nositelem jsou intermediální bosony W±, Z0 o náboj: slabý o popsána pomocí sjednocené teorie elektromagnetických a slabých interakcí

Nositelé všech 3 interakcí jsou bosony se spinem 1 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

36


Teoretický rámec obsahující  kvarky a leptony (fermiony se spinem ½) jako základní částice hmoty  interakce zprostředkované bosony se spinem 1 (gluony, foton, intermediální bosony W,Z) dostal jméno STANDARDNÍ MODEL


37

Standardní model (1) o

o o

o

Pomocí malého počtu základních principů, stavebních kamenů a základních parametrů popisuje svět nejmenších částic Přes 30 let odolává stále tvrdším prověrkám v experimentech Nalézá uplatnění i ve fyzice na největších vzdálenostech (astrofyzika, vývoj vesmíru v raném stadiu) "Odrazový můstek" pro novou fyziku


38

Standardní model (2) o

SM popisuje silné interakce mezi kvarky, v experimentu ale pozorujeme pouze hadrony. Proč ?

Kvarky nemohou existovat jako samostatné částice. Vlastnosti kvantové chromodynamiky jsou takové, že kvarky tvoří pouze barevně neutrální („bílé“) kombinace - což jsou „běžné“ hadrony. vyřešení uvěznění kvarků


39

Příklady interakcí v SM (1) o Rozpady částic:


40

Příklady interakcí v SM (2) o Anihilace:


41

Příklady interakcí v SM (3) o Vytváření nových částic při srážkách e+e–


42

Příklady interakcí v SM (4) o

o

Standarní model popisuje jen interakci mezi fundamentálními částicemi, nikoli už hadronizaci Hadronizace (důsledek uvěznění kvarků) je popsána různými modely

hadronizace

hadrony


43

A přece vidíme kvarky

Hadronové jety


44

Otevřené problémy (1) o Je Standarní model konečnou teorií ? Těžko, protože:  příliš mnoho základních parametrů (např. vazbové konstanty, hmoty částic, ...)  odkud se berou hmoty částic ? Standardní model vysvětluje hmoty částic jako důsledek interakce s tzv. Higgsovým polem. Nicméně, Higgsův boson dosud nebyl experimentálně prokázán (jediná dosud neobjevená částice z SM)

 SM neobsahuje gravitaci Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

45

Otevřené problémy (2) o

Další dosud nezodpovězené otázky:  proč právě 3 rodiny částic ?  existují další částice ?  hmotnosti neutrin ?  proč není ve vesmíru stejně hmoty jako antihmoty ?  temná hmota a energie ? Ukazuje se totiž, že pouze 5% hustoty hmoty ve vesmíru umíme pozorovat

Na některé otázky by měly dát odpověď experimenty na urychlovači LHC o

Možné teoretické scénáře:  SUSY, SUGRA, ... Každé rožšíření musí dát Standardní model v limitě "nižších energií" Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

46

Nadpis snímku Text snímku.


Úvod do experimentální fyziky vysokých energií

Recommend Documents