Részecskefizika a CERN-ben

Részecskefizika a CERN-ben Diákoknak, Wigner FK, Budapest, 2014.07.23. Horváth Dezs˝o [email protected] MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont, Részecske- és Magfizikai Intézet, Budapest és MTA Atommagkutató Intézet, Debrecen

Horváth Dezs˝o: Részecskefizika a CERN-ben

Wigner FK, Budapest, 2014.07.23.

– p. 1/41

Vázlat Kvantumfizika Részecskék és kölcsönhatások A Standard modell diadala és problémái Elveszett szimmetriák keresése A CERN és gyorsítói A nagy hadron-ütközteto˝ (Large Hadron Collider, LHC) A Compact Muon Solenoid (CMS) kísérlet A Higgs-bozon felfedezése A részecskefizika haszna



– p. 2/41

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: Részecskefizika a CERN-ben


– p. 3/41

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 A csillagból jövo˝ fénysugár gömbfelületen terjed, mégis ˝ egészében a távcsoben végzi. Az atomi elektron gömbfelületi pályáján nem mozoghat, mert sugározna, csak egyszerre minden pontjában ott van bizonyos valószínuséggel. ˝ Nem tudjuk, egyetlen bomlékony részecske mikor fog ˝ belül mekkora elbomlani, csak azt, hogy adott idon valószínuséggel ˝ bomlik. A matematika minden adatot szépen visszaad! Horváth Dezs˝o: Részecskefizika a CERN-ben


– p. 4/41

Kvantumtérelmélet A kvantummechanika leírja a részecskék mozgását, de a bomlását, ütközés közbeni átalakulását nem kezeli ˝ nem lehet másik részecske Egy részecskébol ˝ Térelmélet: részecskék helyett eroterek hullámcsomagjai mozognak Kölcsönhatás: energiát, lendületet (impulzust), töltést, stb. cserélnek Ezt közvetíto˝ részecskék (bozonok) viszik át



– p. 5/41

LHC = ido˝ gép?? ˝ Kezdet: osrobbanás 13,7 milliárd éve ˝ ˝ Hogyan mehetünk vissza idoben, az Osrobbanás közelébe? ˝ 4 milliárd év a Nagy Bumm után (Európai Déli Távcso: Obszervatórium, Chile, Very Large Telescope) Mikrohullámú kozmikus háttérsugárzás: Párszázezer év (amikor az Univerzum átlátszó lett). Nagyenergiájú részecskeütközés: Milliomod ˝ az atomok kialakultak volna) másodperc (mielott Ükanyánkkal nem találkozunk...



– p. 6/41

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. 7/41

Otthon is van (volt ,) gyorsítónk



– p. 8/41

Szimmetriák a részecskefizikában fontosabbak, mint kémiában vagy szilárdtestfizikában Noether–tétel: Globális szimmetria ⇒ megmaradási törvény Eltolás térben ⇒ lendület (impulzus) ˝ Eltolás idoben ⇒ energia Forgatás ⇒ impulzusmomentum Elektromágneses mérték- ⇒ töltés Mértékelmélet: Lokális szimmetria ⇒ kölcsönhatás Lokális szimmetria: pontról pontra, meghatározott módon módosuló Spontán szimmetriasértés (Higgs-mechanizmus) ⇒ tömegek, kiszámíthatóság



– p. 9/41

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. 10/41

Spontán szimmetriasértés ⇒ tömeg

Szabad fermion

Higgsbozon

David J. Miller és CERN: http://www.hep.ucl.ac.uk/∼djm/higgsa.html Horváth Dezs˝o: Részecskefizika a CERN-ben


– p. 11/41

A Standard modell állatkertje

A Higgs-részecskén kívül mind régen megvan! Horváth Dezs˝o: Részecskefizika a CERN-ben


– p. 12/41

A Fizikai Szemle melléklete (2008 aug.)



– p. 13/41

A CERN 21 tagországa

Izrael 2013

Románia 2015

Szerbia, Ciprus, Ukrajna, Pakisztán tagjelöltek Horváth Dezs˝o: Részecskefizika a CERN-ben

Brazília, Szlovénia, Töröko. tárgyalnak Wigner FK, Budapest, 2014.07.23.

– p. 14/41

A CERN és környéke



– p. 15/41

A CERN kutatói (felhasználói)

2800 alkalmazott + 10500 kutató + 440 diák (Olasz > német > amerikai > orosz > francia) Horváth Dezs˝o: Részecskefizika a CERN-ben


– p. 16/41

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

LHC: 2009–2025?



– p. 17/41

Higgs-keresés az LHC-nál: megvan!



– p. 18/41

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: Részecskefizika a CERN-ben


– p. 19/41

Az LHC eltéríto˝ -mágnese: keresztmetszet



– p. 20/41

Az LHC mágnesei összeszerelve



– p. 21/41

Az LHC CMS–detektora

Compact Muon Solenoid: 14000 tonnás digitális kamera 100 M pixel, 20 M kép/mp, 1000 GB/mp adat Tárolás: 100 . . . 400 kép/mp ⇒ szurés!! ˝ Horváth Dezs˝o: Részecskefizika a CERN-ben


– p. 22/41

A CMS-együttmuködés, ˝ 2012 41 ország 179 intézménye 3275 fizikus (közülük 1535 diák) 790 mérnök és technikus ˝ intézmény országa szerint: Résztvevok USA: 1149, Olaszo.: 439, Németo.: 298, Oroszo.: 234 Útlevél szerint: USA: 707, olasz: 554, német: 315, orosz: 305 ˝ 40, magyar útlevéllel: 44 Magyar intézménybol:



– p. 23/41

Munka 160 müonkamrán

Béni Noémi és Szillási Zoltán (Debrecen) Horváth Dezs˝o: Részecskefizika a CERN-ben


– p. 24/41

HF: kvarcszálak acélban

Minden CERN-es magyar fuzte ˝ Horváth Dezs˝o: Részecskefizika a CERN-ben

Szálkalibráció kész darabon Wigner FK, Budapest, 2014.07.23.

– p. 25/41

A CMS mágnese



– p. 26/41

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

Magyar Tier-2: BUDAPEST (RMKI) (550 CPU, 260 TB tároló a CMS és ALICE VO számára) ATOMKI Tier-3: átadva 2012 nov. 2013: LHC Tier-0 egy része Wigner FK-ba települt! Horváth Dezs˝o: Részecskefizika a CERN-ben


– p. 27/41

Az LHC vezérlo˝ terme, 2008.09.10



– p. 28/41

CMS-esemény: H → γγ jelölt



– p. 29/41

2012 május: ATLAS és CMS lát valamit? Mindenki lát (utólag még az amerikai TEVATRON is) egy kevés többletet a standard modell Higgs-bozon nélküli ˝ jóslata fölött, de sehol sem igazán jelentos A mért adatnak kísérleti bizonytalansága van (σ). Forrása: ˝ észlelések száma és minosége, szimulációk egyezése kísérlettel, felhasznált korábbi adatok bizonytalansága. Megállapodás: felfedeztünk valami újat, ha az ismert ˝ az a kísérleti bizonytalanság ötszörösével (5σ) háttérbol kiemelkedik MTA, 2012.05.09: Már 3σ többlet, 2012-ben felfedezésre itélve??



– p. 30/41

2012 július 4: valami van! ATLAS és CMS, 7 és 8 TeV ütközési energián, H → γγ és H → ZZ → ℓ+ ℓ− ℓ+ ℓ− csatornában, m ≈ 126 GeV tömegnél ˝ statisztikusan jelentosen (kísérletenként 5σ szignifikanciával) lát egy új H részecskét a SM Higgs-bozonjának megfelelo˝ tulajdonságokkal.

François Englert és Peter Higgs elso˝ találkozása Horváth Dezs˝o: Részecskefizika a CERN-ben


– p. 31/41

CMS: H → ZZ → ℓ ℓ ℓ ℓ ∗

+ − + −

CMS : H→ ZZ∗ → ℓ+ ℓ− ℓ+ ℓ− animated



– p. 32/41

Hogyan jutottunk idáig? ˝ CMS szándéknyilatkozat: 1992 (475 szerzo) Technikai tervek (8 többszázoldalas mu): ˝ 1995–2005 Detektor jórészt felépítve a felszínen: 2000-2006 Leeresztés darabokban, összerakás, befejezés: 2006-2008 LHC elindul: 2008 (katasztrófa, javítás), majd 2009. 2010 → 2011: 7 TeV energia, 140-szeres adatmennyiség! 2011 → 2012: 7 → 8 TeV, ötszörös adatmennyiség! 2012: A Higgs-bozon felfedezése.



– p. 33/41

CMS-vezérlo˝ , 2012 május 2, 15h 45p

http://cms.web.cern.ch/content/cms-control-room-webcams ˝ HD DCS-koordinátor: Szillási Zoltán, ATOMKI; DQM-felügyelo: Ügyelet: Spanyol, holland, orosz, kínai, francia, magyar Horváth Dezs˝o: Részecskefizika a CERN-ben


– p. 34/41

Mit mondhatunk és mit nem? ˝ Csak teljes jóváhagyás után beszélhetünk az eredményekrol. ATLAS kiszivárogtatta a júl. 4-i eredményt Nature-nek, CMS ˝ ˝ látta a megerosítette. A két TEVATRON-kísérlet meg egybol 125 GeV-es Higgs-bozont elhanyagolható szignifikanciával (ugyanazok a fizikusok ,). Egy ATLAS-os (mi lett vele?) tavaly fel is fedezte a Higgs-bozont 140 GeV-nél. Csak jóváhagyott (elfogadott Physics Analysis Summary-ban ˝ ábrákat, adatokat mutathatunk. levo) ˝ próbaeloadások. ˝ Konferencia elott Joe Incandela július 4-i ˝ ˝ o˝ eloadását a CMS 4-órás videokonferencián próbálgatta eloz délután. Horváth Dezs˝o: Részecskefizika a CERN-ben


– p. 35/41

Fizikai Nobel-díj, 2013 A fizikai Nobel-díjat François Englert and Peter W. Higgs kapta „azon mechanizmus elméleti felfedezéséért, amely hozzájárul ahhoz, hogy megértsük a szubatomi részecskék ˝ tömegének eredetét, és amelyet mostanában megerosített a megjósolt alapveto˝ részecske felfedezésével a CERN ˝ Nagy hadron-ütköztetojénél az ATLAS és CMS kísérlet”.

˝ Rolf-Dieter Heuer, a CERN foigazgatója, bejelenti a Nobel-díjat az ATLAS és CMS közös irodaépületében. Horváth Dezs˝o: Részecskefizika a CERN-ben


– p. 36/41

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. 37/41

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...) Meg van, aki Nobel-díjat kap Horváth Dezs˝o: Részecskefizika a CERN-ben


– p. 38/41

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. 39/41

Köszönöm a figyelmet



– p. 40/41

Köszönetnyilvánítás Néhai Nemzeti Kutatási és Technológiai Hivatal Magyar Tudományos Akadémia OTKA NK81447 és K72172 ˝ Megérto˝ és segítokész együttmuköd ˝ o˝ partnereink



– p. 41/41

Részecskefizika a CERN-ben

Recommend Documents