Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék: az LHC első két éve

Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék: az LHC elso˝ két éve Berzsenyi Dániel Gimnázium, Budapest, 2012.02.09 Horváth Dezs˝o [email protected] MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont, Részecske– és Magfizikai Intézet, Budapest és MTA Atommagkutató Intézet, Debrecen Horváth Dezs˝o: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék

Berzsenyi Gimnázium, 2012.02.09.

– p. 1/50

Vázlat Részecskék és kölcsönhatások A standard modell diadala és problémái A CERN és gyorsítói A nagy hadron-ütközteto˝ (Large Hadron Collider, LHC) A Compact Muon Solenoid (CMS) kísérlet Mégis, hol van a Higgs-bozon? Fénynél gyorsabb neutrínók?? A részecskefizika haszna Simon Tamás (origo): http://cernblog.wordpress.com/ nyomon követi az LHC muködését ˝

Horváth Dezs˝o: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék


– p. 2/50

Elo˝ szó A (részecske)fizika egzakt tudomány: A fizika univerzális nyelve a matematika, pontos matematikai formalizmuson alapszik. Egy elmélet érvényes, ha kiszámítható, és eredménye egyezik a kísérlettel. Az igazi fogalmak mérheto˝ mennyiségek, a szavak csak mankók. Szavak mögött pontos matematika és kísérleti tapasztalat Alapkérdés: milyen pontossággal adja vissza az elméleti számítás a mérések eredményét? Számítás nélkül nincs fizika, csak spekuláció.... de a fizika kísérleti tudomány! Horváth Dezs˝o: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék


– p. 3/50

Kvantumfizika: valószínuségi ˝ leírás Einstein: Isten nem dob kockát! De mégis... Minden kísérleti tény igazolja, pedig nem szemléletes Egyetlen pontszeru˝ elektron egy fésu˝ minden résén egyszerre átmegy Az atomi elektron gömbfelületi pályáján nem mozoghat, mert sugározna, csak egyszerre minden pontjában ott van bizonyos valószínuséggel. ˝ A csillagból jövo˝ fénysugár ugyanúgy gömbfelületen ˝ terjed, mégis egészében a távcsoben végzi. A matematika minden adatot szépen visszaad!



– p. 4/50

LHC = ido˝ gép?? ˝ Kezdet: osrobbanás 13,7 milliárd éve ˝ ˝ Hogyan mehetünk vissza idoben, az Osrobbanás közelébe? ˝ 4 milliárd év a Nagy Bumm után (Európai Földi távcso: Déli Obszervatórium, Chile, Very Large Telescope) ˝ ˝ Néhányszáz millió év a Nagy Bumm után Urtávcs o: (fiatal galaxisok: Hubble, Planck space telescope) Mikrohullámú kozmikus háttérsugárzás: Párszázezer év (amikor az atomok kialakultak, és az Univerzum átlátszó lett). Nagyenergiájú részecskeütközés: Milliomod ˝ az atommagok kialakultak volna) másodperc (mielott Ükanyánkkal nem találkozunk... Horváth Dezs˝o: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék


– p. 5/50

A mikrovilág vizsgálata: nagy energia Tárgy 1 eV = kinetikus energia, amelyet 1 V átszelésekor szerez egy elektron 1 keV = 103 eV 1 MeV = 106 eV; 1 GeV = 109 eV 1 TeV = 1012 eV

méret, m energia

kicsi

10−3

baktérium

10−5

λ(fény)

10−7

1 eV

atom

10−10

1 keV

atommag

10−14

1 GeV

elektron

10−18

1 TeV

Nagyobb energia ⇒ kisebb távolság ⇒ mélyebb szerkezet



– p. 6/50

Fermionok és bozonok Legfontosabb tulajdonság: spin (perdület) = saját impulzusmomentum h¯ = h/(2π) egységben Planck-állandó (hatáskvantum): h = 6, 626 · 10−34 Js Tulajdonság Spin Részecskeszám megmaradása ψ(1, 2) = ±ψ(2, 1) Pauli-kizárás

fermion feles ( 21 , 32 . . .)

bozon egész (0, 1, 2, . . .)

van

nincs

−

+

van

nincs

nincs

van

Kondenzáció



– p. 7/50

A felfedezés rögös útja, 1492 A kutatás frontvonala: Az Atlanti-óceán partja

A kutatás eszköze: Columbus hajói

A kutatás célja: India elérése

A kutatás eredménye: Amerika felfedezése



– p. 8/50

A felfedezés rögös útja, 2012 A kutatás frontvonala: Az anyag mély szerkezete

A kutatás eszköze: nagyenergiájú gyorsítók

A kutatás célja: Higgs-bozon, ˝ osrobbanás utáni állapot

A kutatás eredménye: Új fizika?


?


– p. 9/50

A CERN 20 tagországa

+ Románia, Izrael, Szerbia + Ciprus, Szlovénia, Töröko. Horváth Dezs˝o: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék


– p. 10/50

A CERN kutatói (felhasználói)

2800 alkalmazott + 10500 kutató + 440 diák (Olasz > német > amerikai > orosz > francia) Horváth Dezs˝o: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék


– p. 11/50

A CERN gyorsítói: múlt és jelen LEP: 1989–2000

LHC: 2009–2025?



– p. 12/50

A standard modell állatkertje

A Higgs-részecskén kívül mind megvan Horváth Dezs˝o: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék


– p. 13/50

A Fizikai Szemle melléklete (2008 aug.)



– p. 14/50

De hol van a Higgs-bozon?

Az elmélet szerint léteznie kell mert tömeget teremt és rendbeteszi az egyenleteket

mLimit = 161 GeV

July 2011

Theory uncertainty ∆αhad = (5)

5

0.02750±0.00033 0.02749±0.00010 incl. low Q2 data

4

∆χ2

A standard modell egyetlen hiányzó alkatrésze: kísérletileg (még?) nem figyeltük meg, LEP: M(H) > 114.4 GeV

6

3 2 1 0

Excluded 30

100

300

mH [GeV]

˝ „Igazából 1972-ben kezdodött az életem, mint bozon” Peter Higgs: My Life as a Boson: The Story of „The Higgs”, Int. J. Mod. Phys. A 17 Suppl. (2002) 86-88.



– p. 15/50

A standard modell problémái Gravitáció? Aszimmetriák: jobb ⇔ bal

világ ⇔ antivilág

˝ Mesterséges tömegkeltés: Higgs-tér kívülrol 19 szabad paraméter: túl sok?? Miért éppen 3 fermioncsalád? Töltéskvantálás: Qe = Qp , Qd = Qe /3 Az Univerzum tömegének csak 4%-át írja le, ∼ 23% láthatatlan sötét anyag, ∼ 73% rejtélyes sötét energia?? Természetesség: A Higgs-bozon tömege divergál, fermion-bozon szimmetria eltüntetné Szuperszimmetria mindent rendbehozna. Létezik? LHC! Horváth Dezs˝o: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék


– p. 16/50

A CERN és környéke



– p. 17/50

Az LHC eltéríto˝ -mágnesei

˝ 1232 szupravezeto˝ mágnes (beszerelés elott) (L = 15 m, M = 35 t, T = 1.9 K, B = 8.3 T) Horváth Dezs˝o: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék


– p. 18/50

Az LHC eltéríto˝ -mágnese: keresztmetszet



– p. 19/50

Szerelik az LHC mágneseit



– p. 20/50

Az LHC mágnesei összeszerelve



– p. 21/50

Az LHC CMS–detektora

Compact Muon Solenoid: 14000 tonnás digitális kamera 100 M pixel, 20 M kép/sec, 1000 GB/sec adat Tárolás: 100 . . . 400 kép/sec ⇒ szurés!! ˝ Horváth Dezs˝o: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék


– p. 22/50

Az LHC CMS–detektora (Compact Muon Solenoid) Súly: 14000 tonna, kétszer annyi vas, mint Eiffel–toronyban > 3000 résztvevo˝ a világ 35 országából ˝ szolenoidja: A világ legnagyobb (szupravezeto) ˝ 6 m, mágneses tere 4 Tesla belso˝ átméroje Detektorépítésben magyar részvétel: Müondetektorok pozicionáló rendszere: DE Kisérleti Fizikai Int. és ATOMKI ˝ Eloreszórt részecskék észlelése: (Hadron Forward calorimeter, HF) Készült USA-RU-TR-HU együttmuködésben: ˝ RMKI, Budapest Az elso˝ leeresztett CMS-detektorrész: 2006. nov. 11. Adatkezelés: LHC Computing Grid RMKI: BUDAPEST LCG-állomás Horváth Dezs˝o: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék


– p. 23/50

Munka 160 müonkamrán

Béni Noémi és Szillási Zoltán (Debrecen) Horváth Dezs˝o: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék


– p. 24/50

HF: kvarcszálak acélban

Minden CERN-es magyar fuzte ˝ Horváth Dezs˝o: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék

Szálkalibráció kész darabon Berzsenyi Gimnázium, 2012.02.09.

– p. 25/50

A CMS mágnese a helyére kerül



– p. 26/50

A CMS belso˝ része



– p. 27/50

ALICE: A Large Ion Collider Experiment



– p. 28/50

ATLAS: A Toroidal Lhc ApparatuS



– p. 29/50

Worldwide LHC Computing Grid A CMS-kísérlet fo˝ WLCG-állomásai

Magyar Tier-2: BUDAPEST (RMKI) (500 CPU, 280 TB tároló a CMS és ALICE VO számára) Horváth Dezs˝o: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék


– p. 30/50

A CMS Tier-2-i: megbízhatóság 2008

2009

2010

Az RMKI T-2 állomása gyorsabban javult, mint a többi, és felverekedte magát a 2. helyre LHC muködése ˝ alatt (2010-11) 2. hely!. Horváth Dezs˝o: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék


– p. 31/50

LHC: a Jó, a Rossz és a Csúf Jó

Hatalmas felfedezési potenciál: nagy energia, sokféle ütközés (acélgolyó ⇔ túrógombóc), óriási nyalábintenzitás.

Rossz

˝ Az érdekesebb dolgok elofordulási gyakorisága nagyon kicsi (10−6 − 10−3 )

Csúf

Az érdekes folyamat mellett eseményenként még 10-20 p-p ütközés, hatalmas kombinatorikus háttér.



– p. 32/50

Az LHC vezérlo˝ terme, 2008.09.10



– p. 33/50

Az LHC remekül muködik! ˝



– p. 34/50

Adatgyujtés ˝ 7 TeV-nél 2010.03.29 −→...

Az LHC által szállított adatmennyiség 7 TeV-nél LHC 2010: 0,05 fb−1 . 2011 terv: 1,0 fb−1 ; tény: 5,7 fb−1 Vízszintes szakaszok: gyorsítófejlesztés 2010: százmilliószoros növekedés 8 hónap alatt! 2011: 1000∗ intenzitás! 2∗energia: 2014? Horváth Dezs˝o: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék


– p. 35/50

Sokhadronos CMS-esemény 7 TeV-nél

13 azonosított p-p ütközés egy eseményben! Horváth Dezs˝o: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék


– p. 36/50

A Higgs-bozon még nincs meg

A Higgs-bozon tömege 116 és 127 GeV között várható (ahol a legtöbb egymással versengo˝ folyamat van) Horváth Dezs˝o: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék


– p. 37/50

Pb-Pb ütközés az ALICE-ban



– p. 38/50

Neutrínókísérletek

Bányában, alagútban, víz és jég alatt Horváth Dezs˝o: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék


– p. 39/50

CNGS: CERN neutrínók Gran Sasso-ba



– p. 40/50

Gran Sasso: neutronészlelo˝ laboratórium



– p. 41/50

Gran Sasso: Az OPERA detektor

Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus Horváth Dezs˝o: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék


– p. 42/50

OPERA: neutrínósebesség mérése



– p. 43/50

OPERA: fénynél gyorsabbak??? CNGS: CERN-neutrínók (SPS) Gran Sassoba (732 km) OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus) detektor: 16000 müon-neutrínó észlelése 3 év alatt ˝ érkeztek, mint a vákuumbeli fénysebesség: Neutrínók elobb +8.3 (∆t = 57.8 ± 7.8 (stat.) (sziszt.)) ns −5.9 ˝ (174 fizikus 11 ország 31 intézetébol): ˝ a kísérleti Szerzok bizonytalansággal nem tudják magyarázni, de amíg meg ˝ nem erosítik, nem próbálnak fizikai értelmezést fuzni ˝ hozzá. Megteszik mások, > 100 elméleti cikk 2 hét alatt. ˝ Ellenorzés: MINOS kísérlet (USA) és T2K (Japán) Horváth Dezs˝o: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék


– p. 44/50

Nagy távolságú gyorsítós kísérletek ν-oszcilláció vizsgálatára

CNGS: CERN-ν → Gran Sasso: 732 km

Fermilab-ν → MINOS: 730 km K2K: KEK-ν → Kamioka: 250 km Horváth Dezs˝o: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék


– p. 45/50

Részecskefizikai módszerek haszna Világháló: CERN, 1989 ⇒ nagyvilág: 1994– Müonspin-rezonancia módszere (kémia, szilárdtestfizika) Pozitronemissziós tomográfia az orvosi diagnosztikában Gyorsítók fele (cca. 7000!) gyógyászatban: hadronterápia Grid-hálózatok a számítástechnikában



– p. 46/50

Éljen a kísérleti részecskefizika! Alapkutatás, közvetlen gyakorlati haszna nem várható. De élesíti az elmét, pedagógiai haszna óriási: Technika élvonala, gyári szervezettség Kreatív gondolkodásra serkent Az órási méretek miatt komoly technikai fejlesztéseket ˝ tender! indukál: 100000 egyforma muszerre Óriási apparátus ⇔ munka kis csoportokban Élenjáró programozástechnikai gyakorlat: bankok ˝ eloszeretettel alkalmaznak HEP-PhD-t szerzett fizikusokat (rossz nyelvek szerint ennek köszönheto˝ a jelenlegi világválság) Rengeteget dolgozunk, érdekes dolgokat csinálunk, világot ˝ látunk és van, aki haza is jön idovel... Horváth Dezs˝o: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék


– p. 47/50

Konklúzió helyett "Van egy elmélet, miszerint, ha egyszer kiderülne, hogy mi is valójában az Univerzum, és mit keres itt egyáltalán, akkor azon nyomban megszunne ˝ létezni, és valami más, még bizarrabb, még megmagyarázhatatlanabb dolog foglalná el a helyét" "Van egy másik elmélet, amely szerint ez már be is következett"

Douglas Adams: Vendégl˝o a világ végén (Nagy Sándor fordítása)



– p. 48/50

Köszönöm a figyelmet



– p. 49/50

Köszönetnyilvánítás Nemzeti Kutatási és Technológiai Hivatal † OTKA NK67974, NK81447, K72172 és H07C-74153 EU FP6 MC-ToK 509252 és FP7 III 031688 Magyar és Osztrák Tudományos Akadémia TéT JAP-21/2006 és Tokiói Egyetem Megérto˝ együttmuköd ˝ o˝ partnereink



– p. 50/50

Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék: az LHC első két éve

Recommend Documents