Részecskefizika a CERN-ben

Részecskefizika a CERN-ben Diákoknak, Wigner FK, Budapest, 2014.02.07. 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, 2014.02.07.

– p. 1/46

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 részecskefizika haszna Simon Tamás (origo): http://cernblog.wordpress.com/ Nyomon követi az LHC muködését ˝ ˝ 2*2 órában (eloadás) ˝ HD: Mese a Standard modellrol http://videotorium.hu/hu/search/all?q=Horváth+Dezso˝ Horváth Dezs˝o: Részecskefizika a CERN-ben


– p. 2/46

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. 3/46

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. 4/46

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. 5/46

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. 6/46

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. 7/46

Otthon is van gyorsítónk



– p. 8/46

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. 9/46

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. 10/46

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. 11/46

A Standard modell állatkertje

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


– p. 12/46

A Fizikai Szemle melléklete (2008 aug.)



– p. 13/46

A CERN 20 tagországa

+ Románia, Izrael, Szerbia, Ciprus, Szlovénia, Töröko., Brazília, Oroszo. Horváth Dezs˝o: Részecskefizika a CERN-ben


– p. 14/46

A CERN és környéke



– p. 15/46

A CERN kutatói (felhasználói)

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


– p. 16/46

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

LHC: 2009–2025?



– p. 17/46

Higgs-keresés az LHC-nál



– p. 18/46

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. 19/46

Az LHC eltéríto˝ -mágnese: keresztmetszet



– p. 20/46

Az LHC mágnesei összeszerelve



– p. 21/46

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. 22/46

Az LHC CMS–detektora (Compact Muon Solenoid) Súly: 14000 tonna, kétszer annyi vas, mint Eiffel–toronyban ˝ 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 Wigner FK RMI: BUDAPEST LCG-állomás



– p. 23/46

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. 24/46

Munka 160 müonkamrán

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


– p. 25/46

HF: kvarcszálak acélban

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

Szálkalibráció kész darabon Wigner FK, Budapest, 2014.02.07.

– p. 26/46

A CMS mágnese



– p. 27/46

A CMS belso˝ része



– p. 28/46

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. 29/46

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. 30/46

A CMS elektromágneses kalorimétere a H → γγ észlelésére optimalizálva

CMS ECAL: 75,848 PbWO4 egykristály szcintillátor Horváth Dezs˝o: Részecskefizika a CERN-ben


– p. 31/46

Veszélyeztetjük-e a Naprendszert? Bizonyos elméleti modellek szerint nagyenergiájú p-p ütközésben keletkezhetnek mikroszkópikus fekete lyukak. Kis tömegüek, azonnal elpárolognak. A csillagászati fekete lyukaknak csak névrokonai A kozmikus sugarak milliárdszor nagyobb energiával bombázzák a légkört, Holdat, bolygókat évmilliárdok óta, de nem keletkezett nagy fekete lyuk. Az LHC-ben sem valószínu, ˝ de meglátjuk??? YouTube animáció



– p. 32/46

Rengetegféle modell van



– p. 33/46

Elo˝ készületek az LHC indításához ˝ Tervezés kezdete: 1984 (5 évvel a LEP indulása elott!) Új detektorüregek kiásása 1998-tól LEP-alagút megemelkedik muködés ˝ közben ⇒ mágnesek pozíciójának folyamatos kompenzálása LEP leállítása (óriási ellenállás): 2000 vége. LEP-gyorsító és detektorok eltávolítása: 2001 ˝ 9300 mágnes ellenorzése (javítása!), levitele, összehegesztése: 2002-2007. Mágnesek lehutése ˝ 1,9 K-re (hidegebb, mint a világur): ˝ 2008 jan-aug Protoncsomag belövése, körbevitele: 2008. szept. 10. Katasztrófa: 2008. szept. 19. Újbóli indulás (1,18 + 1,18 TeV): 2009. nov. Horváth Dezs˝o: Részecskefizika a CERN-ben


– p. 34/46

Az LHC vezérlo˝ terme, 2008.09.10



– p. 35/46

Többkvarkos CMS-esemény 7 TeV-nél



– p. 36/46

CMS-esemény: müon + hiányzó impulzus



– p. 37/46

CMS-esemény: 2 müon



– p. 38/46

+ − + −

CMS-esemény: ZZ → µ µ µ µ

M(ZZ)= 200 GeV



– p. 39/46

CMS-esemény: H → γγ jelölt



– p. 40/46

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. 41/46

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. 42/46

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: Részecskefizika a CERN-ben


– p. 43/46

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. 44/46

Köszönöm a figyelmet



– p. 45/46

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



– p. 46/46

Részecskefizika a CERN-ben

Recommend Documents