Jana Nováková MFF UK
Proč jet do CERNu?
Plán přednášky • 4 krát „částice kolem nás” • intermediální bosony≠mediální hvězdy • hon na Higgsův boson - hit současné fyziky • urychlovač není projímadlo • detektor není jen na hledání pokladů a kalorimetr není jen hliníkový hrneček s teploměrem • proč jet do CERNU?
Pár otázek na úvod • Co je to CERN? – evropské centrum pro jaderný výzkum, založeno v 50. letech – dnes spíše subjaderná fyzika
• Co znamená LHC, ATLAS? – LHC = urychlovač, který se momentálně staví v CERNu, v roce 2008 začne urychlovat protony na nĕkolikanásobnĕ vyšší energie než bylo doposud dosaženo – ATLAS = obrovské zařízení, které bude sloužit k detekci částic vzniklých při srážkách protonů na LHC
• Proč se taková zařízení staví? – testování teoretických modelů mikrosvěta – hledání odpovědí na zásadní otázky v částicové fyzice, astrofyzice, kosmologii = řešení „fyzikálních záhad”
Částice kolem nás I. aneb z čeho jsme složeni
částice
hmotnost
proton
938 MeV/c2
neutron
940 MeV/c2
elektron
0.5 MeV/c2
• hmoty protonu a neutronu jsou velmi podobné, elektron je ~ 2000 lehčí • proton a elektron jsou stabilní, neutron se rozpadá (T½ = 15 min) – T½ je poločas rozpadu – doba, za jakou se rozpadne polovina z celkového množství neutronů
Stačí tyto částice k popisu procesů, které pozorujeme?
Beta rozpad jader • rozpad tritia:
3
1H
- ->
3
2He
– neutron se přemění na proton, při rozpadu vzniká elektron – v koncovém stavu He + e - všechny vylétávající elektrony by měly mít stejnou rychlost (ZZE + ZZH) - naměřilo se ale spojité spektrum rychlostí elektronu!
Takže neplatí ZZE + ZZH ?? • jde o tříčásticový rozpad → při rozpadu vzniká ještě další částice - neutrino (Pauli 1931)
Částice kolem nás II. částice
hmotnost
proton
938 MeV/c2
neutron
940 MeV/c2
elektron
0.5 MeV/c2
el. neutrino
<2
eV/c2
neutrino - elektricky neutrální částice s velmi malou hmotou - vzniká při beta rozpadech jader, rozpadu neutronu, v procesech probíhajících ve Slunci - velmi malá pravděpodobnost interakce -> tĕžko se detekuje
- experimentální potvrzení existence Reines + Cowan (1956)
Jak je to s protonem? • elektron a proton na sebe působí prostřednictvím elektromagnetické síly (interakce) • svazek urychlených elektronů necháme procházet vodíkovým terčem - po průchodu registrujeme elektrony vylétávající pod určitými úhly • pokud je proton bodová částice, umíme teoreticky spočítat pravděpodobnost výletu elektronu pod daným úhlem – naměřené spektrum neodpovídá rozptylu na bodovém protonu → proton má konečný rozměr
• další měření vlastností interakce elektron – proton
– naměřené výsledky se dají vysvětlit zavedením vnitřní struktury protonu → kvarky
Částice kolem nás III. částice
hmotnost
vnitřní struktura
proton
938 MeV/c2
kvarky (uud)
neutron
940 MeV/c2
kvarky (udd)
elektron
0.5 MeV/c2
-
<2 eV/c2
-
el. neutrino
kvarky - jejich náboj je neceločíselným násobkem elementárního náboje (Qu = 2/3, Qd = -1/3) - nevyskytují se samostatně, ale pouze ve vázaných stavech – pár kvark – antikvark → mezony (např. piony) – 3 kvarky → baryony (např. neutron, proton)
• proton a neutron jsou složeny z kvarků • elektron a neutrino jsou elementární (bez vnitřní struktury)
(Elementární) částice kolem nás IV. V kosmickém záření a na urychlovačích objeveny nové částice: – miony ( ), tauony ( ) podobné vlastnosti jako elektron, ale těžší a nestabilní – mionová a tauonová neutrina – velké množství složených částic (hadrony) abychom je dokázali popsat, musíme zavést další kvarky (c, s, t, b) – antičástice – stejná hmotnost jako částice, ale opačný náboj (elektron – pozitron, kvark – antikvark)
Je tohle už opravdu vše?
Základní interakce I. elektromagnetická
silná
gravitační
slabá
Základní interakce II. • elektromagnetická – působí na částice s elektrickým nábojem – dobře teoreticky popsaná
• gravitační – působí mezi částicemi s nenulovou hmotou – v mikrosvĕtĕ je v porovnání s ostatními interakcemi mnohem slabší – zatím není zahrnuta v jednotném modelu popisujícím elementární částice a interakce mezi nimi
Základní interakce III. • silná – drží kvarky uvnitř protonu, neutronu – působí pouze mezi kvarky, leptonů se netýká – působí mezi protony a neutrony v atomovém jádře (tzv. zbytková interakce)
• slabá – způsobuje rozpad neutronu, beta rozpad jader – jediná interakce, které se můžou účastnit neutrina
Jak probíhají interakce? • představa intermediální částice – rozptyl elektronů - výměna fotonu
interakce
intermediální částice
hmotnost
elektromagnetická
foton
0 GeV/c2
silná
gluony
0 GeV/c2
slabá
W,Z
80, 91 GeV/c2
gravitační
graviton
0 GeV/c2
Standardní model (SM) • teoretický model popisující elementární částice a interakce mezi nimi • nezahrnuje gravitační interakci u
c
t
foton
d
s
b
gluony W
e
e
Higgsův boson
Z
kvarky, leptony, intermediální bosony + Higgsův boson
Higgsův boson ve SM • proč mají elementární částice tak rozdílné hmoty? – foton „nehmotný”, zatímco W boson je 80krát těžší než proton
• Higgsovo pole – analogie elmag. pole – interakcí s tímto polem získávají částice svoji hmotu! - čím silněji částice interaguje, tím má větší hmotnost
• zavedením Higgsova pole získáme další částici: Higgsův boson – částice s velmi krátkou dobou života – tato částice nebyla zatím pozorována
Higgsův mechanismus
Hon na Higgsův boson • proč jsme ještě nenašli Higgsův boson? – velmi těžká částice - 115 GeV/c2 < mH < 1000 GeV/c2 potřebujeme velmi vysoké energie, abychom si takovou částici mohli vyrobit
– Higgsův boson neexistuje
• v současnosti hledání na urychlovači Tevatron mH < ~120 GeV/c2 • experimenty na urychlovači LHC navrženy tak, aby bylo možné detekovat „Higgse” v celém rozsahu hmot 115 GeV/c2 < mH < 1000 GeV/c2
Další záhady současné fyziky • Proč máme právĕ tři rodiny kvarků a leptonů? • Jsou kvarky a leptony opravdu elementární? • Proč je ve vesmíru asymetrie mezi hmotou a antihmotou? • Co tvoří černou hmotu ve vesmíru? • Jak můžeme zahrnout gravitaci do SM?
Jak najít odpovědi? • Potřebujeme: – výkonnější urychlovače
– lepší detektory
Co to je urychlovač? • urychluje elektricky nabité stabilní částice (protony, elektrony, příp. jejich antičástice) na velmi vysoké energie • urychlené částice necháme narazit do terče nebo je necháme letĕt proti sobĕ a pak je srazíme (LHC)
• při srážkách vzniká velké množství nových částic • pokud máme k dispozici dost velkou energii, mohou vzniknout i velmi těžké částice (např. Higgsův boson)
Trocha teorie: nabitá částice v elmag. poli • Lorentzova síla F
Q.( E v B)
– elektrická složka síly urychluje (to potřebujeme) – magnetická síla je kolmá k nepřispívá k urychlení zakřivuje dráhu (to se může hodit)
v
Typy urychlovačů • lineární – využití i v medicíně (radioterapie) - menší rozměry, nižší energie
– k urychlení částic na vysoké energie potřebujeme velmi dlouhé urychlovače - SLAC 3 km - ILC 16 km (plánovaný projekt)
• cyklické – k zakřivení dráhy se používá magnetické pole – částice obíhá vícekrát urychlovací dráhu – vyzařování fotonů při pohybu po zakřivené dráze - hraje velkou roli pro elektrony - pro těžší částice (např. protony) zanedbatelné
– urychlovače Tevatron, LHC
Urychlovač LHC
(Large Hadron Collider)
• proton – protonový urychlovač • tunel o obvodu 27 km, umístěný 100 m pod zemským povrchem – zakřivení dráhy protonů supravodivými magnety (9 T, pracovní teplota 1.9 K) – dva svazky protonů urychlených v opačných směrech
• protony budou vstupovat do LHC s energií 450 GeV (systém předurychlovačů), v LHC urychleny na 7 000 GeV • cena urychlovače 3 miliardy Euro • první srážka protonů plánovaná na léto 2008 • 108 srážek za sekundu, z toho 10 –100 zajímavých událostí • 4 velké experimenty – ATLAS, CMS, LHCb, ALICE
Tunel pro LHC
Co se stane, když srazíme protony? • proton
– kvarky uud + gluony + kvark-antikvarkové páry
• protonové srážky
– interakce kvark-kvark, gluon-gluon, gluon-kvark, kvark-antikvark, ....
• Př.: vznik Higgse na LHC
na začátku: 2 gluony na konci: Higgs
Jak poznám, co při srážce vzniklo?? • potřebujeme detektory
na začátku: 2 kvarky na konci: Higgs + 2 kvarky
Co to jsou detektory částic? • zařízení, která jsou umístěna kolem místa srážky – detekují částice, které vznikly při srážce (tzv. sekundární částice)
• určují impulsy, energie, náboj, místo vzniku a rozpadu sekundárních částic (ideálně všech) • musí od sebe rozlišit jednotlivé druhy částic (např. elektrony od fotonů)
Princip detekce: • ionizace prostředí elektrický signál • excitace atomů světelný signál
Detektor ATLAS mionové komory
elektromagnetický kalorimetr
22 m
hadronový kalorimetr
protony protony
44 m
vnitřní detektor
Vnitřní detektor • nejblíž u místa srážky • rekonstrukce drah nabitých částic • polovodičové detektory – jemná segmentace velmi přesné měření polohy
• umístěn v magnetickém poli – ze zakřivení dráhy částice se měří hybnost, určuje náboj
Kalorimetry • mĕří energii sekundárních částic • dostaneme signál i od elektricky neutrálních částic • dopadající částice interaguje s materiálem za vzniku dalších částic vzniká sprška částic, která je pohlcena v detektoru
elmag. kalorimetr
hadronový kalorimetr
Kalorimetry - instalace
Mionové komory • miony ztrácí v prostředí poměrně málo energie, doletí tedy až za kalorimetry • mĕření impulsu, rekonstrukce drah a identifikace mionů • mionové komory v detektoru ATLAS umístěny v magnet. poli
Stav detektoru dnes
Různé částice v detektoru
Co neutrina? – žádný signál – informace o neutrinech – ztracená energie (ze ZZH, ZZE)
Poznáte, co je v detektoru?
elektron
mion
Proč nás zajímá zrovna ATLAS? • na tomto projektu spolupracuje Česká republika • na experimentu pracuje 1700 fyziků z 32 zemí, velké množství techniků a programátorů • česká skupina na ATLASu – vnitřní detektor – hadronový kalorimetr – fyzikální program • fyzikální program: – hledání Higgsova bosonu – supersymetrické částice (černá hmota) – vnitřní struktura kvarků nebo leptonů – hledání dalších elementárních částic – přesné měření hmotností intermediálních bosonů W , top kvarku – ...
Proč jet do CERNu? • jedinečná možnost vidět CERN naživo
– jedno z největších center na světě, kde se „dělá věda”, dokonce FYZIKA, a to přímo ZÁKLADNÍ VÝZKUM – unikátní příležitost dozvědět se něco víc než se učí ve škole
• poslední možnost podívat se
na některé z experimentálních zařízení – do konce roku dokončení instalačních prací – na jaře spuštění LHC uzavření tunelu
