Fyzika vysokých energií
Jiří Kvita, MFF UK
Fyzika vysokých energií Z experimentálního pohledu
O čem budu povídat?
• Co chceme (a mů můžeme) pozorovat v mikrosvě mikrosvětě. • Částice a Standardní Standardní Model. • Detektory. • Urychlovač Urychlovače. • Příklady a obrá obrázky. • Osobní Osobní zkuš zkušenost ::- )
Fyzika vysokých energií Aneb fyzika částicová • Proč potřebujeme ke studiu částic vysoké energie? • Jaké experimentální zařízení je třeba postavit? • Jak se ovlivňuje teorie a experiment? • Jaká je komunita lidí částicové fyziky? • Co všichni ti lidé dělají? • Jaké jsou aplikace?
• Studium malých objektů si paradoxně vyžaduje značně velké aparatury a prostředky. • Další zajímavá paralela je mezi mikrokosmem a kosmologií: vysoké energie a hustoty hmoty které připravujeme v současných experimentech jsou podobné těm, které existovaly těsně po Velkém třesku.
Fyzika vysokých energií aneb Fyzika částicová • Studium malých objektů si paradoxně vyžaduje značně velké aparatury a prostředky. • Další zajímavá paralela je mezi mikrokosmem a kosmologií: vysoké energie a hustoty hmoty které připravujeme v současných experimentech jsou podobné těm, které existovaly těsně po Velkém třesku. • Většina principů je však jednoduchých a vysvětlitelných, nejsou to žádné zázraky :-) • Spousta hezkých myšlenek pochází z jiných odvětví fyziky, která se tak vskutku demonstruje jako univerzální věda. • Kritické myšlení, touha po poznání a pravdě je společná všem vědním disciplínám.
Co je to částice? Jaké vlastnosti můžeme měřit? A jak?
…your suggestions here…
Jsou to kuličky? :-) Jak je můžeme vidět, sáhnout si na ně? Mikroskopy, měření polohy… Kvantová mechanika: vlnový i korpuskulární charakter, relace neurčitosti. Nerozlišitelnost stejných částic. Bosony a fermiony. Kvantová teorie pole: kvanta polí, které se určitým způsobem transformují vůči Lorentzově transformaci:-) Kreační a anihilační operátory, částicová interpretace. Částice a antičástice.
Co je to částice? Jaké vlastnosti můžeme měřit? A jak?
Náboj, spin, hmota. Parita, isospin, podivnost… Baryonové číslo, leptonové číslo. Kinematika: hybnost, energie, poloha (s omezenou přesností). Jsou to kuličky? :-) Jak je můžeme vidět, sáhnout si na ně? Mikroskopy, měření polohy… Kvantová mechanika: vlnový i korpuskulární charakter, relace neurčitosti. Nerozlišitelnost stejných částic. Bosony a fermiony. Kvantová teorie pole: kvanta polí, které se určitým způsobem transformují vůči Lorentzově transformaci:-) Kreační a anihilační operátory, částicová interpretace. Částice a antičástice.
Rozptylový experiment • Rozhodujícím momentem byl objev atomového jádra, a to nejen výsledkem (většina hmoty v atomu koncentrována v nepatrném objemu), ale i konceptem: ostřelováním atomů zlaté fólie alfa částicemi: jeden z prvních rozptylových experimentů! • Mikroskop bombarduje vzorek fotony o určité vlnové délce, která určuje naši rozlišovací schopnost. Chceme-li vidět ještě menší věci, potřebujeme elektronový mikroskop. •Chceme-li se podívat na stále jemnější struktury, musíme pro zkrácení vlnové délky zvyšovat energii nalétávajícího svazku, neb podle de Broglieovy hypotézy a Einsteina p=h/λ E2 = p2c2 + m2c4.
Jak částice vypadají?
Snímek z bublinové komory: v přehřáté kapalině dochází lokálně k varu podél prolétávajících částic (ionizace). Dráhy zakřiveny v magnetickém poli.
Standardní model mikrosvěta Částice a síly I Částice: • Leptony: elektron a neutrino + dvě další rodiny • Kvarky: tvoří hadrony - mezony: kvark+antikvark (piony) - baryony: 3 kvarky (proton, neutron) • Intermediální bosony – W±, Z, γ, 8 gluonů. • Předpovězený Higgsův boson. Síly (interakce): • Gravitační – zanedbáváme :-) • Slabá + Elektromagnetická = Elektroslabá • Silná
Kvarky a Hadrony Hadronová spektroskopie: Kvarkové složení neurčuje částici jednoznačně. Exotické částice lze chápat jako excitace základních stavů (podobně jako vyšší stavy atomového obalu, jen jde o silnou namísto elektromagnetickou interakci)
Průchod částic hmotou …a co se při tom děje? Nabitá částice ionizuje, vyráží elektrony z obalů a ztrácí tak energii. Fotony: Comptonův efekt, Fotoefekt, kreace elektron-pozitronových párů. Fotojaderné procesy. Elektrony: brzdné záření (v poli jader zpomaluje, září), ionizace.
Jaderné interakce: hlavně hadrony (piony, proton), štěpení jáder. Miony: „těžší elektrony“, zanedbatelné brzdné ztráty, neinteragují silně, pronikají daleko (téměř pouze ionizace).
Čerenkovovo záření: Je-li rychlost částice vyšší než rychlost světla v daném prostředí, vzniká elektromagnetická rázová vlna. Realizace: radiátor s vhodným indexem lomu, detektor (fotonásobič). cos θ = 1 / nβ
Některé společné rysy experimentů • Stále jde v principu o rozptylový experiment: srážíme částice nebo bombardujeme terčíky a sledujeme vzniklé produkty, jejich energie, změny úhlu…a usuzujeme tak vnitřní strukturu, nové objekty… • Pro velkou statistiku často vysoká četnost srážek: nutnost rychle se rozhodnout, zda událost je zajímavá a chceme ji zaznamenat, všechny zapsat nemůžeme („trigger“ - spoušť). • Frekvence zápisu dat limitována možnostmi zápisu na magnetické pásky (kolem 100 Hz). Harddisk dlouhodobě nespolehlivý:) • Rekonstrukce události ze signálů v elektronice: od světelných impulsů či „zásahů“ v křemíku a sesbíraného náboje až k měřené energii či zrekonstruované dráze. • Detektor je pouze složitý fotoaparát! • Zákon zachování příčné hybnosti.
Některé společné rysy experimentů • Dráhové detektory: hledání „tracků“, měření hybnosti. • Elektromagnetický kalorimetr: elektrony, fotony, částečně hadronové spršky („jety“). • Hadronový kalorimetr: jety (hadronová sprška, jaderné interakce). • Mionové komory (miony málo ionizují, neinteragují silně: pronikají daleko).
Podle tohoto schématu navržena většina „víceúčelových“ detektorů: CDF, D0 (Fermilab) H1, Zeus (Desy) OPAL, Delphi, Aleph, L2 (byly na urychlovači LEP, CERN) ATLAS, CMS (budují se v Cernu) Star, Phenix…(RHIC, Brookhaven) …
Měření energie (Kalorimetrie) • Prolétávající částice ionizuje. • Energii lze odhadnout měřením náboje. • Scinitilační detektory: speciální materiály schopné fluorescence. Energie úměrná počtu fotonů. • Jaké materiály a typy detektorů použijeme?
• Organické scintilátory: π elektrony (antracen, polystyren) • Anorganické scintilátory: NaI, olovnaté sklo. • Světlo můžeme sbírat z celého objemu detektoru: výhoda dobrého rozlišení (malá chyba měření).
Měření energie (Kalorimetrie)
Scintilátory: • Např. olovnaté sklo či speciální krystaly. • Výhoda: vidíme celou spršku a můžeme pozorovat veškerou energii. • Např. CMS EM kalorimetr. Samplovací kalorimetry: • Aktivní vrstvy (probíhá v nich měření) se střídají s absorbérem. • Kalorimetr tak může být menší a zastaví energetičtější částice. • Daň je statistická fluktuace v měření energie, nevidíme celou spršku, jen si ji vzorkujeme. Materiály a způsoby řešení: • Scintilátor + Absorbér (Fe, Cu, Ni, U). • Sběr světla optickými vlákny, fotonásobiče. • Kapalný Argon (LqAr), drift elektronů v eletrickém poli (vysoké napětí).
Jaké Fyzikální veličiny chceme měřit?
Jaké Fyzikální veličiny chceme měřit? • Pravděpodobnost určitého typu srážky, dané události (účinný průřez, dynamika daného procesu). • Hmotnosti a doby života částic. • Spektra energií, impulsů, úhlová rozdělení… • Způsoby rozpadu nestabilních částic (rozpadové kanály). • To vše lze srovnávat s teoretickými předpověďmi! Stanovit limity na pozorování nových jevů. Objevit nové částice či interakce:-)
• Kvantová mechanika je pravděpodobnostní: nikdy nelze přesně předpovědět, co se stane, a ze snímku dané události nelze s jistotou identifikovat vzniklé produkty: spousta zajímavých událostí má i velmi podobné (nezajímavé) pozadí. • Detailním studiem srážkových procesů získáváme hluboké znalosti o struktuře Mikrosvěta, ale také podmínek krátce po vzniku Vesmíru: propojení částicové fyziky a astrofyziky.
Jak si částice a jejich svazky připravíme? • Přirozená radioaktivita: limitovaná hustota svazku a energie, jen první objevy. Stále se však používá pro zdroje neutronů (alfa zářič stěpí příměs, např. Am+Be). • Kosmické záření: doposud nejvyšší známé energie, ale těžko opakovatelné a vzácné události. Významné do cca 50. let při objevech pozitronu, pionů, kaonů… V současnosti už ne jako zdroj individuálních částic, ale jako fenomén ke studiu jako takový. • Urychlovače: svazky s vlastnostmi, jaké chceme: typ, množtví, hustota, energie, divergence svazku…
Urychlovače I • Co můžeme srážet? • Co lze urychlovat? • Proč srážet? Proč urychlovat? • Co měříme?
„Proton-proton collisions are like smashing to pocket watches together to see what they are made of… …aneb Co se stane při srážce dvou protonů? Z každého protonu se srazí jeden kvark nebo gluon (parton), každý nese část energie původního protonu. Energie srážejících se částic se tak mění: výhodné pro hledání nové částice s neznámou hmotou, nevýhodné pro rekonstrukci dané srážky: neznáme podélnou hybnost. Alespoň suma příčných hybností však musí být nula (zákon zachování příčného impulsu:-) Typické typy kolizí: e+-e-, e-p, p-p, proton-antiproton. (Q: proč proton-proton nebo proton-antiproton?)
Urychlovače II
• Experimenty s pevným terčem: jednoduché uspořádání malá energie v těžišťovém systému. Terč: kapalný vodík, kovové terče pro produkci sekundárních svazků.
• Vstřícné svazky: technicky náročné srážet vysoká energie srážek. Částice+antičástice: jedna trubice, jeden urychlovač, jedna optika.
It’s all about circles… CERN, Fermilab, Brookhaven, DESY
Urychlovače - Kruhové • Dipólové magnety: zakřivování svazku. • Kvadrupólové: fokusace. • Synchrotronové záření: • Vyzařováno částicí při změně směru. • Intenzita úměrná R/m2. • Problém hlavně pro elektrony. • Někdy se však používá a záměrně generuje!
Příklad: Fermilab Fermi National Accelerator Laboratory Batavia, Illinois, USA • Urychlovač Tevatron: proton-antiprotonové srážky při energii 1.96 TeV. Poloměr 1km, komplex více urychlovačů. • Dva hlavní „collider“ experimenty: CDF, D0. • Další „fixed target“ experimenty. • Neutrinová fyzika.
Urychlovače: Komplex Tevatronu ve Fermilabu Tevatron: • Svazek částic rozdělen do několika (36) „buřtů“ (bunches). • 12 bunches = superbunch. • Interval mezi kolizemi: 396 ns. • Oběh téměř rychlostí světla: 21µs (6.28 km :-). • Protonový buřt: 1020 částic. • Antiprotonový buřt: 1019 částic. • Luminosita: kvalita svazku a srážení: Jak jsou bunche husté, jak dobře se trefujeme.
DØ Detector at Fermilab
DØ Detector at Fermilab
Jak se částice produkují? • • • • • •
• •
Částice se rodí ve srážkách: jestliže něco chceme narodit, musíme něco jiného zase rozbít :-) Foton s dostatečnou energií se může přeměnit na elektron-pozitronový pár. Úplně stejně může pozitron s elektronem anihilovat třeba na dva fotony, nebo na chvíli (virtuálně) zase na jeden. Virtuální foton se pak může přeměnit třeba na mion-antimionový pár nebo pár kvark-antikvark. Tak se rodí nové částice (a zase se rozpadají). Při dostatečné energii se nemusí narodit foton, ale jeho těžší „kolega“: Z boson. Podobně se při srážce dvou kvarků nemusí stát skoro nic: kvarky si prohodí gluon, a rozptýlí se. Ale také se může narodit W či Z boson, či nový typ kvarkuantikvarku. A jak poznáme, že se něco nového nebo zajímavého stalo? :-) Pozorujeme pouze sekundární objekty, primární se většinou stihnou rozpadnout, než doletí do detektoru. Pravděpodobnost produkce daných produktů je často zvýšená když se s energií naladíme blízko k hmotnosti dané částice – analogie s rezonancí.
Z→ → e+e- případ (event) Events
Mass - Z Candidate Data PMCS+QCD QCD bkg
450
D0 Run II Preliminary
400 350 300 250 200 150 100 50 0 50
60
70
80
90
100 110 120 130 invariant mass(GeV)
Top-antitop pár, jak viděno DØ Detektorem
Pár top-anti top rozpadající se na WbWb a následně na 4 jety, elektron a neutrino.
Red: EM Calorimeter Blue: Hadronic Calorimeter Yellow: Yellow Missing Energy (neutrino signature)
Top Kvark jako rezonance aneb Jak se částice rozpadají
• • • • •
Elektron může vyzářit foton (brzdné záření). Podobně top kvark vyzáří W boson a změní se na b kvark. W boson se dále rozpadá třeba na elektron a neutrino nebo pár kvark-antikvark. Kvarky v detektoru vidíme jako spršky částic (jety). Sečtením energií a hybností rozpadových produktů můžeme zrekonstruovat mateřskou částici a její hmotnost: m2 = E2 – p2
Studium vlastností top kvarku
Studium top kvarků v DØ může posunout naše limity na nové fyzikální jevy doposud ukryté v pozadí. Velká hmota top kvarku jej činí zajímavým pro hledání rezonancí či nových interakcí. Rozdělení kinematických veličin je důležitý test teoretických předpovědí.
Jak vypadá všední pracovní den…
Jak vypadá všední pracovní den…
Účast na experimentu DØ • Data jsou tím nejcennějším, co experiment produkuje. • Abychom k nim měli přístup, musí se česká skupina podílet na provozu detektoru, na servisních úkolech prospěšných celé kolaboraci (kalibrace, identifikace částic, simulace srážek…). • Je dobré pracovat na tématech, která se budou hodit pro konečnou fyzikální analýzu, pracovat s lidmi v laboratoři.
• • •
When things go wrong… Or: Should I call an expert? …a co ve Fermilabu dělám já?
DØ Kalorimetr - Kalibrace • • • • •
Cca 50.000 buněk, z kterých vyčítáme signál. Kapalný argon jako ionizované médium, uran, železo a měď jako absorbér. Detektor na rozdíl od plánů není uniformní Buňky se od sebe liší v elektronice, fyzických deformacích, a měří tak vždy trochu jinou energii. Je třeba je nakalibrovat, najít špatné kanály (dead cells, noisy cells).
Kalibrace energií jetů • •
• •
Částice z rozpadů objektů v místě srážky vstupují do detekturu a vyvíjejí složitou spršku. Elektrony a fotony se brzo zastaví v prvních vrstvách kalorimetru, hadrony mají delší dosah a složitější profil spršek – jetů (výtrysků částic). Změřená energie spršky je jiná než energie částic vstupujících do detektoru, kterou bychom chtěli znát. Je třeba oškálovat (nakalibrovat) tzv. Jet Energy Scale: neuniformity detektoru a různé odezvy uranu či železa, fluktuace v měření energie…
What’s up now? :-) • V současnosti běží proton-antiprotonový srážkovač Tevatron ve Fermilabu (přibližně 2TeV energie), který v roce 1995 objevil top kvark v prudukci top-antitop párů, nyní evidence produkce samostatných top kvarků (single top production, press release 15.12.2006), oscilace Bs mezonů… • V Cernu se staví proton-protonový urychlovač LHC 7+7 TeV: 2007 :-) • Ve světě probíhají experimenty při nižších energiích, které jsou naladěny na energie zajímavých částic pro studium symetrií mezi hmotou a antihmotou (b factories). • Také se zkoumají srážky těžkých iontů, kosmické záření… • Hitem jsou bezesporu neutrina, nedávno prokázané oscilace znamenají, že jejich hmota není nulová. Není rozřešeno, zda neutrino je svou vlastní antičásticí či nikoli. • Chybějící kamínek do Standardního Modelu je Higgův boson: pokud existuje, bude objeven na LHC. • V plánu je projekt lineárního urychlovače, jenž podrobněji proměří Higgs nebo cokoli jiného, co LHC objeví (extra dimenze, supersymetrické částice…) www.cern.ch www.fnal.gov
Závěrem • Částicová fyzika je velmi komplexním propojením teorie a experimentu s bohatou historií, živou současností a tajemnou (a neznámou:) budoucností. • Využívá a podněcuje poslední technologie od elektroniky a materiály po software, komunikaci, koordinaci a statistickou analýzu dat. • Aplikace po skončení základního výzkumu sahají od průmyslu a techniky po medicínské aplikace (diagnostika, imaging, terapie). • Jakkoli abstraktní, vzdálená či obrovitá se může zdát, stále je fyzikou s jednoduchými a krásnými myšlenkami a přináší radost z poznání a práce s lidmi na společných projektech.
Support slides…
Laboratoře s urychlovači a detektory ve světě (bez pokusu o kompletnost)
• CERN (FR / CH) – LEP (ukončen), LHC ve výstavbě • DESY (Německo) – HERA • Fermilab (USA) - Tevatron • Brookhaven (USA) – RHIC, Relativistické srážky těžkých iontů. • SLAC (USA) – lineární urychlovače, fyzika mezonů. • KEK, Kamioka (Japonsko) – neutrina, mezony. • Frascati, Gran Sasso, … (Itálie) • Sudbury (Kanada) – neutrina. • Orsay, Saclay, Grenoble…(Francie) • PSI (CH), Bonn…
Příklady a obrázky:-) Neutrino jak viděno v SuperKamiokande detektoru: Čerenkovský kroužek od rozptýleného leptonu.
Uvnitř detektoru: fotonásobiče, citlivé detektory světla.
Příklady a obrázky:-) „Messy“ heavy ion collisions:-) Studium husté horké hmoty, termodynamiky a fázových přechodů v QCD. Kvark gluonové plasma?
Simulace atmosférické spršky indukované kosmickým zářením.
Atlas – Budoucí detektor na urychlovači LHC v Cernu Plán versus současný stav :-)
Některé objevy • Radioaktivita • Elektron: katodové paprsky • Proton: nejlehčí jádro • Neutron: α + 9Be → 12C + n (pronikavé neutrální záření) • Pozitron: kosmické záření (Anderson 1932) • Neutrino: reaktorová antineutrina, roztok CdCl2 ν + Cl → X + n + e+ (inverzní beta rozpad) n + Cd → Cd* → Cd + γ (záchyt neutronu) Objev struktury protonu. Gluon, barva kvarků. „Podivné částice“: rodí se v silných interakcích, ale rozpadají se pomalu (slabá interakce). Objev s kvarku: mlžné komory.
Některé objevy Pozitron: kosmické záření (Anderson 1932) Jak poznáme, že jde o elektron či pozitron?
• Magnetické pole zakřivuje dráhu. • Stupeň ionizace a znalost hybnosti: • Lze určit druh částice. • Olověná deska: sníží energii.
Průchod částic hmotou Ionizační ztráty: Bethe-Blochova formule. Brzdné záření (bremsstrahlung): významné u elektronů. Radiační délka. Kritická energie: ionizační ztráty = brzdné ztráty. Závislost předávané energie podél jednotkové dráhy na hybnosti pro miony:
Urychlovače - Kruhové Accelerator = urychlovač :-) Collider = srážkovač :-) Urychlování: radiofrekvenční kavity Urychlované částice: Nejčastěji elektrony, pozitrony, protony, antiprotony. e+-e- kolize (LEP, Cern, ukončen) laditelná a přesná energie. e-p kolize (HERA, Hamburg) p-pbar kolize (Fermilab, now!) různé energie srážek partonů p-p kolize (LHC, Cern, 2007)
Bublinová komora
Takto by to ale dále dlouho nešlo… (ruční prohlížení fotografií)
Top kvark
Objev top kvarku ve Fermilabu vedl k dalšímu studiu jeho role ve Standardním Modelu. Jen několik vlastností top kvarku bylo zatím přímo měřeno (např. hmota, helicita W z rozpadu top kvarku)
