Upload
duongdieu
View
213
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
11
Co dalej z fizyką cząstek –czy LHC udzieli na to pytanie odpowiedzi?
9 stycznia, 2008
Marek ZrałekInstytut Fizyki Uniwersytetu Śląskiego
22
W połowie przyszłego roku zostanie uruchomiony największy akcelerator jaki kiedykolwiek został zbudowany na ziemi – LHC w CERN-ie. Będzie on zderzać protony - każdy z energią 7 TeV oraz jąder ołowiu o łącznej energii 1150 TeV, stwarzając warunki, jakie panowały we Wszechświecie w momencie krótszym niż jedna bilonowa część sekundy po Wielkim Wybuchu. Ta wielka energia i duża liczba zderzających się cząstek (świetlność) dadzą, jak sądzimy, odpowiedź na kilka stawianych obecnie pytań. Dlaczego cząstki elementarne mają masę, czy tzw. mechanizm Higgsa jest odpowiedzialny za masy cząstek, czy istnieje cząstka Higgsa i jaką ma masę, czy supersymetriajest następnym krokiem na drodze do zrozumienia budowy materii, czy neutralne cząstki supersymetryczne (neutralina) stanowią ciemną materię we Wszechświecie, dlaczego obserwujemy asymetrię pomiędzy materią i antymaterią, czy Model Standardowy dobrze tłumaczy łamanie symetrii CP?
Odpowiedzi na te pytania pozwolą wytyczyć drogę poszukiwania następcy Modelu Standardowego. Historia nauki pokazuje jednak, że największe odkrycia były przypadkowe, przez nikogo nieoczekiwane. Czy LHC też przyniesie takie niespodzianki? Już w niedługim czasie poznamy odpowiedź na to pytanie.
Co dalej z fizyką cząstek –czy LHC udzieli na to pytanie odpowiedzi?
5
E. Rutherford (1911) ----- obserwacja rozpraszania cząstek a na jądrach złota (a + Au).C. Wilson (1912) –skonstuowanie komory Wilsona.V. Hess (1912) ---- odkrycie promieniowania kosmicznego.Niels Bohr (1913) ----- hipoteza orbitalnego modelu atomu.E. Rutherford (1919) ----- obserwacja reakcji jądrowych, wykrycie protonów (protony to jądra atomów wodoru). A. Compton (1922) ---- wykrycie fotonów w rozpraszaniu Comptona.C. Anderson (1932) – odkrycie pozytonu.J. Chadwick (1932) ----- ciężkie fotony to nowe cząstki nazwane neutronami, elektrycznieobojętne o masie zbliżonej do masy protonu.
NN 1908
NN 1922
NN 1935
NN 1927NN 1936
NN 1936
NN 1927
6
E. Lawrence (1932) ---- odkrycie cyklotronu.C. Anderson i S. Neddermeyer (1934) ----- odkrycie mezonów „m” z promieniowania kosmicznego ipoczątkowe mylne potraktowanie ich jako cząstki Yukawy.C.F. Powell (1947) ----- odkrycie pionów Yukawy(mezonów pi).
A.Glaser (1952) ----- zbudowanie pierwszej komorypęcherzykowej służącej do detekcji promieniowanie kosmicznego.R. Hofstadter (1954) ----- rozpraszanie elektronówna jądrach, zbadanie rozmiarów jąder.E. Segrè, O. Chamberlain(1955) ---- odkrycieantyprotonu.Odkrycie wielu nowych cząstek
( K, L, S, D, X, r.....).
NN 1950
NN 1961
NN 1960
NN1939
NN 1959
7
F. Reines, C.L. Cowen (1956) ---- wykrycie neutrinaelektronowego.
L. Ledermann, M. Schwartz, J. Steinberger (1962) ----wykrycie drugiego rodzaju neutrin - neutrin
mionowych.
M. Gell-Mann, G. Zweig (1964) ---- hipoteza, że odkrywane cząstki składają się z kwarków (asów).
G. Charpak (1968) ---- odkrycie wielodrutowych komórproporcjonalnych
I.J. Friedman, H. Kandall, R.E. Taylor (1968-70) ----eksperymentalne wykrycie kwarków i gluonów.
B. Richter, S. Ting (1974) ---- wykrycie czwartegokwarku –powabnego „c”.
NN(FR) 1995
NN 1988
NN(GM)1969
NN 1990
u = up, d = down, s = strange , c = charm
NN 1976
NN 1992
8
M. Perl (1975) ----- odkrył istnienie trzeciego leptonu naładowanego „t”.
L. Lederman (1978) ----- odkrył piąty kwarkpiękny„b”.
W ośrodku Fermilab koło Chicago zostałwykryty szósty kwark „t” (1995).
W tym samym ośrodku zostało zaobserwowanetrzecie neutrino (2000).
W CERN-ie cztery eksperymenty pracujące przy akceleratorze LEP pokazały, że istniejątylko trzy generacje kwarków i leptonów.
NN-1995
τν
Łącznie 20 nagród Nobla
9
Podstawowe oddziaływania
Elektrodynamika( 1948),
Model Glashowa-Weinberga-Salama(1967),
Chromodynamika kwantowa (1973).
1010
Kwantowa wersja oddziaKwantowa wersja oddziałływaywańń elektromagnetycznych powstaelektromagnetycznych powstałła pod a pod koniec lat 20 poprzedniego stulecia, stworzona przez koniec lat 20 poprzedniego stulecia, stworzona przez HeisenbergaHeisenberga, , Diraca, Borna i Diraca, Borna i JordanaJordana. Pole elektromagnetyczne opisane w teorii . Pole elektromagnetyczne opisane w teorii Maxwella dwoma wektorowymi polami E i B staMaxwella dwoma wektorowymi polami E i B stałło sio sięę zbiorem czzbiorem cząąstek, stek, kwantkwantóów pola zwanych FOTONAMI.w pola zwanych FOTONAMI.OddziaOddziałływanie pomiywanie pomięędzy dwoma dzy dwoma łładunkami polega na wymianie adunkami polega na wymianie pomipomięędzy nimi ogromnej liczby fotondzy nimi ogromnej liczby fotonóów.w.
elektronelektron
elektron elektron
wymieniany foton
Podstawowa teoria tłumacząca
istnienie ATOMÓW
R. Feynman, J.Schwinger,S. Tomonaga,NN 1965
H. Yukawa (1935) ---- przewidział istnienia mezonówna podstawie teorii sił jądrowych
NN 1949
1111
OddziaOddziałływanie pomiywanie pomięędzy kwarkami jest przenoszone dzy kwarkami jest przenoszone przez osiem przez osiem „„kolorowychkolorowych”” GGLLUUOONNOWOW
D. Gross, H. Politzer, F. Wilczek,
NN 2004
12
Odkrycie łamania symetrii odbicia zwierciadlanego P oraz symetrii zamiany cząstek na antycząstki, C.
Oddziaływania słabe nie są teżsymetryczne ze względu na obydwie te symetrie łącznie dokonane, CP.
Pełną teorię oddziaływań oddziaływańsłabych podali w 1967 roku Glashow,Weinberg i Salam.G.’t Hooft, M.Veltman pokazali w latach 1971 – 1972, że teoria elektrosłaba jest renormalizowalna.
C.Rubia, S. van der Meer – odkryciecząstek W oraz Z.
R. Davis, M. Koshiba, wykryli iż neutrinaposiadają masę różną od zera.
T.D.Lee, C.N.Yang (1956)[NN 1957]Wu (1957)
J.W. Cronin V.L. Fitch (1964)
[NN dla Fitcha 1980]
NN 1979
NN 1999
NN 2002
NN 1984
Łącznie 9 nagród Nobla
1313
SLAC
Rozpraszanie głęboko nieelastyczne -kwarki
Lepton tau
Od 1962
Kwark c, J/psi
Wiązka elektronów 20 GeV
1414
FERMILAB (od 1967 roku) Pomiar masy W,Z
Kwark b
Kwark t
Neutrino tau
Poszukiwanie czastekegzotycznych
Poszukiwanie cząstki Higgsa
6.3 km
1616
SuperKamiokande
50000 ton H2O , 11200 fotopowielaczy (każdy 50 cm średnicy)
41.4 m (wysoki) na 39.3 m (średnica), próg 5 MeV.
17
6.3 km
Protony –920 GeV
Elektrony, Pozytrony –27.5 GeV
2.3 km10 – 20 m pod ziemią
DESY w HAMBURGU
21
Pomimo, że mamy w tej chwili zadawalająca teorięopisującą najdrobniejsze składniki materii nie uważamy ja za satysfakcjonującą. Wiele pytańpozostaje bez odpowiedzi.
Dlaczego są trzy rodziny?
Dlaczego kwarki posiadają trzy kolory?
Jak wyjaśnić masy kwarków i leptonów?
Dlaczego stałe fizyczne mają takie wartości jakie mają?
Dlaczego łamana jest symetria CP?
Dlaczego mamy mieszanie pomiędzy kwarkami i leptonami?
Problem kwantowej grawitacji,
W jaki sposób teoria cząstek wyjaśni powstanie Wszechświata.
22
Pytania o początki – pytania teoretyczne:Co spowodowało naruszenie symetrii materia- antymateria?Czy była inflacja, a jeśli tak to jaki był jej mechanizm?Co stanowi ciemną materię?Jaka jest natura ciemnej energii?Dlaczego energia próżni jest tak olbrzymia?
Jaka teoria zastąpi Model Standardowy?Jaka jest masa neutrin?Czy są dodatkowe wymiary czasoprzestrzenne?Czy proton jest niestabilny?Czy Ogólna Teoria Względności jest teorią ostateczną?Jak wygląda Mechanika Kwantowa dla energii w skali Plancka?
Large Hadron Collider (LHC)
Od 2008:
Największy
zbudowany przez
człowieka
zderzacz cząstek
CERN,
Geneva
Najszybszy tor na planecie dla protonów
Protony osiągną99.9999991% prędkości światła, w ciągu sekundy tunel o długości 27 km obiegną 11245razy.
LEP (107 GeV) był szybszy dla elektronów: v/c => 99.9999999988596%
Największa próżnia w układzie słonecznym
Na księżycu ciśnienie atmosferyczne jest 10razy większe (wewnątrz rur akceleracyjnychciśnienie wynosi 10-13 atm, objętość 6500 m3).
Najzimniejsze miejsce we Wszechświecie
LHC pracuje w temperaturze- 271.40C (1.9 K).Zimniej niż w przestrzeni międzygwiezdnej (2.7 K).36,800 ton musi byćschłodzone do tej temperatury (10080 ton ciekłego azotu + 96 ton ciekłego helu)
Największa lodówka kiedykolwiek zbudowana
Silne pole magnetyczne w dużej objętości.
Nadprzewodzące magnesy produkują
pole magnetyczne
8.4 Tesli – prąd
nadprzewodzący 11700 Ampera
Długość każdego = 14.3 m , waga 35 tonCena - 0.5 mln CHF x 1232 sztuki
Najgorętsze miejsce w galaktyce
Dwie wiązki protonów są przyspieszane do energii 14 TeV, co odpowiada temperaturze
ponad 10 miliardów razy większej niżpanuje wewnątrz słońca.
Temperatura wnętrza słońca 1.4 ƒ107 0C.
1010 K => 0.86 MeV stąd 14 TeV = 1.63 ƒ1017 0C.
Taka temperatura panuje w małej objętości.
Powstał największy jak do tej pory detektor na świecie
W każdej wiązce protonów – jest 2808 pęków. W każdym pęku jest 1.15 1011
protonów.
Pęki obiegającały pierścień11245 razy na sekundę
Przekrój wiązki 1/3 włosa ludzkiego
Spodziewamy się około 600 milionów zderzeń na sekundę
Rozległy system komputerowy
Każdy z 600 milionów wygląda tak:
Dane eksperymentalne produkowane w ciągu roku przez każdy eksperyment zajmą 100 000 DVD.
Aby przeanalizować dane ~10 tysięcy komputerów w wielu krajach świata będzie wykorzystanych.
System GRID
3636
Wykorzystując zderzacz LHC planowane sącztery duże i dwa mniejsze eksperymenty
przeznaczone do badanie różnych aspektów Modelu Standardowego
Duże eksperymenty
ATLAS
CMS
ALICE
LHCb
Dwa mniejsze eksperymenty
TOTEM
LHCf
37
ATLAS = A large Toroidal LHC ApparatuS
W zderzeniu p + p poszukiwanie: cząstek Higgsa,cząstek supersymetrycznych, cząstek ciemnej materii,dodatkowych wymiarów.
Identyfikacja cząstek, pomiar ich trajektorii (pęd) i energii.
Długość - 46 m, szerokość = wysokość – 25 m, waga - 7000 ton, detektor o największej objętości do tej pory zbudowany na świecie.
Ponad 1700 uczestników z 159 instytucji z 37 krajów.
Protony z wodoru po usunięciu elektronów do Linac2 , przyspieszane do 50 MeV ─ do PSB, przyspieszane do 1.4 GeV ─ do PS, przyspieszane do 25 GeV ─ przechodzą do SPS, przyspieszane do 450GeV (wszystko trwa to 4 min 20 sek), przechodzą do LHC gdzie po 20 min uzyskują energię 7 TeV.
41
CMS = The Compact Muon Solenoid an Experiment
for the Large Hadron Collider at CERN
Przeznaczenie ==== takie samo jak ATLAS, przyinnym systemie detekcji.
Wymiary ==== (długość 21 m) ƒ (szerokość 15 m) ƒ (wysokość 15 m),waga ==== 12500 ton.
Uczestnicy eksperymentu ==== 2000 osób z 182instytucji z 38 krajów.
44
ALICE = = A Large Ion Collider Experiment at CERN LHCPrzeznaczenie === w zderzeniach jonów ołowiu Pb82+ badana będzieplazma kwarkowo – gluonowa, stan materii, w którym przypuszczalniebył nasz Wszechświat zaraz po Wielkim Wybuchu.
Energia === (2.76 TeV/nukleon) ƒ (207 nukleonów) ƒ (2 jony) ª1150 TeV ( odpowiada to temperaturze 1000 miliardów razy większej niż w rdzeniu słońca).Opary ołowiu o temperaturze 5500C ─ średnio ołów Pb27+ ─ te jony sąprzyspieszane do energii 4.2 MeV/nukleon – przepuszczane przez folie węglową ─ wychodzą jony Pb54+ przyspieszane do energii 72 MeV/nukleon w LEIR ─ przechodzą do PS ─ tu są przyspieszane do 5.9 GeV/nukleon ─ następna folia węglowa, pełna jonizacja Pb82+ ─przechodzą do SPS – przyspieszane do 177 GeV/nukleon ─ przechodządo LHC gdzie są przyspieszane do końcowej energii 2.76 TeV/nukleon.
W zespole pracuje ponad 1000 osób z 94 instytucji z 28 krajów.
Wymiary == (długość 26 m) ƒ ( szerokość 16 m) ƒ (wysokość 16 m),Waga == 10 000 ton.
46
LNCb = Large Hadron Collider beauty experiment
Przeznaczenie === badanie łamania symetrii odbicia zwierciadlanego P(Parity) i zamiany cząstek w antycząstki C (Charge) poprzez obserwacje oddziaływań cząstek B zawierających kwark b (piękny). Powielkim wybuchu materia i antymateria anihilowała zostawiając materialny Wszechświat. To może nastąpić jedynie pod warunkiem, żesymetria CP jest złamana.
Układ detektorów będzie badać produkowane cząstki „do przodu”(w kierunku lotu protonów), tam są produkowane mezony B.
We współpracy zaangażowanych jest 650 naukowców z 48 instytucjiz 13 krajów.
Wymiary ==(długość 21 m) (szerokość 13 m) (wysokość 10 m),waga == 5600 ton
48
Dwa mniejsze eksperymenty:
TOTEM = TOTal Elastic and diffractive cross sectionMeasurement
Przeznaczenie == pomiar cząstek, które się nie rozproszyły (lecą dalej w padających protonów), wiedząc ile się rozproszyło a ile padało można oszacować rozmiary protonu (całkowity przekrój czynny).Detektory umieszczone 200 m od centrum zderzenia CMS.Wymiary == długość 440 m, szerokość 5 m, wysokość 5 m, waga == 20 ton.Uczestnicy == 50 osób z 10 instytucji z 8 krajów.
LHCf = Large Hadron Collider forward
Przeznaczenie == symulować promieniowanie kosmiczne w warunkach laboratoryjnych, rozpraszanie protonów o energii 1014 eV na cząstkachatmosfery. Dwa detektory o wadze 40 kg, rozmiarach 30 cm 20 cm 10 cmumieszczone 140 metrów od punktu centralnego detektora ATLAS.Uczestnicy == 22 osoby z 10 instytucji z 4 krajów.
5050
LHC pozwoli zobaczyć jak zachowywał się Wszechświat po 1 miliardowej części sekundy po Wielkim Wybuchu.
Sadzimy że Wszechświat był wtedy gorącą mieszankąwszystkich kwarków i gluonów. Spodziewamy się, że podobne warunki zostaną stworzone przy zderzeniu
dwóch jonów ołowiu, efekty którego będą widoczne w eksperymencie ALICE.
Powstanie tzw. plazma kwarkowo gluonowa
Jak wyglądał Wszechświat chwilę po Wielkim Wybuchu?
1
52
Era Plancka43t < 10 sek−
32 0T > 10 K
Pianka czasoprzestrzenna,
Mini czarne dziury,
Tunele czasoprzestrzenna
53
Na początku tej ery -INFLACJA
W tym okresie uformowała się asymetria materia -antymateria (BARIOGENEZA) – na miliard par jedna
cząstka więcej
Mamy stan plazmy kwarkowo – gluonowej + leptony, z małąprzewagą cząstek
Pod koniec tej ery oddzielają się oddziaływania słabe od elektromagnetycznych
Wszechświat rozszerza sięprzynajmniej 1030 razy
54
Era hadronowa
Kwarki i gluony przestająbyć swobodne powstająhadrony
Materia przestaje byćw równowadze z antymaterią
Nieliczne zachowane hadrony tworzą obecny Wszechświat
5555
Czemu grawitacja jest taka słaba?
Grawitacja jest ponad 30 rzędów wielkości słabsza niż oddziaływania słabe. Wielu fizyków sądzi, że
odpowiedź na pytanie czemu tak jest, tkwi w czasoprzestrzeni.
Wszechświat ma więcej niż cztery wymiary. Grawitacja działa w dodatkowych wymiarach, w
naszej czasoprzestrzeni ujawnia się szczątkowo i dlatego jest taka słaba.
Jest szansa, że LHC zobaczy „dodatkowe wymiary”ATLAS oraz CMS
2
5656
Propozycja Propozycja „„Dodatkowych wymiarDodatkowych wymiaróóww””
ZwykZwykłłe cze cząąstki propagujstki propagująą sisięę w znanych w znanych 3 3 –– wymiarach (wymiarach („„33--branebrane””),),PrawoskrPrawoskręętne neutrina propagujtne neutrina propagująą sisięę wwdodatkowych wymiarach (dodatkowych wymiarach („„bulkbulk””))SSłłabe oddziaabe oddziałływanie neutrin ywanie neutrin prawoskretnychprawoskretnychdaje madaje małąłą masmasęę neutrin (Przy jednymneutrin (Przy jednymdodatkowym wymiarze m dodatkowym wymiarze m ~~ 11//R,R,wtedy wtedy RR~10~10μμmm))RRóóżżne wersje modelune wersje modelu
5757
Co się stało z antymaterią?3
W czasie Wielkiego wybuchu powstała równa ilość materii i antymaterii. Obecny Wszechświat składa się jedynie z cząstek materii. Antymateria zniknęła. Jak to się stało?
Obecnie wiemy, że pewne cząstki rozpadają się inaczej niżich antycząstki.
Czy ta różnica w rozpadach może wyjaśnić zanik antymaterii we wczesnych etapach ewolucji Wszechświata?
Jeden z eksperymentów LHC (LHCb) będzie śledzić różnice w rozpadach cząstek i antycząstek
dla cząstek zawierających kwark b.
5858
Dlaczego cząstki posiadająmasę?
4
Dlaczego jedne cząstki posiadają masę a inne nie? Co powoduje tą różnicę?
Jeśli LHC odkryje cząstkę Higgsa przewidywaną przez teorięzbliży to nas do odpowiedzi na takie pytania.
Fizyk brytyjski P. Higgs zaproponował istnienie pola (które teraz nosi jego nazwę) wszechobecnego w całym
Wszechświecie. Gdy cząstka nie oddziałuje z tym polem –masy nie posiada i odwrotnie, oddziaływanie daje cząstką
masę tym większą, im silniejsze jest to oddziaływanie. Do tej pory mieliśmy zderzacze o zbyt małej energii. Duża energia LHC powinna dać możliwość wyprodukowanie takiej ilości
cząstek Higgsa, że ich detekcja stanie się możliwa.
5959
Dlaczego niektóre cząstki posiadają dużą masę, inne natomiast są bezmasowa albo mają bardzo małą masę.
6161
CzCząąstki nabywajstki nabywająą masmasęę na skutek na skutek oddziaoddziałływania z polem ywania z polem HiggsaHiggsa
Pusta przestrzePusta przestrzeńń ==== pole ==== pole HiggsaHiggsa
CzCząąstki oddziastki oddziałłujująą z polem z polem HiggsaHiggsa, foton nie oddzia, foton nie oddziałłujeuje
176 000 MeW/c
105 MeV/c2
0.511 MeV/c2
6262
Z czego zbudowany jest Wszechświat?
5
Obserwacje astrofizyczne pokazuję, że nie wiemy co stanowi 96% Wszechświata. Nazywamy to „ciemna materią” i
„ciemną energią”. LHC ma szansę rozwikłania tej pierwszej zagadki.
Istnieje podejrzenie, że ciemną materię stanowią cząstki przewidziane przez supersymetryczne uogólnienie Modelu Standardowego. Byłyby to tzw. neutralina, stabilni partnerzy
neutralnych bozonów oddziaływanie i cząstek Higgsa.
Rozwikłanie zagadki ciemnej materii byłoby największym osiągnięciem LHC.
6464
The Energy Budget of the Universe
http--www.hep.phys.soton.ac.uk-~evans-Masterclass-future.ppt
6666
Bardzo popularną teorią jest teoria z nową symetrią łączącą fermiony z bozonami. Ta nowa symetria nazywa się SUPERSYMETRIĄ. Supersymetria transformuje funkcje falowe zwykłych cząstek w hipotetyczne supercząstki zwane „scząstkami”. Każda scząstka posiada spin różniący się o1/2 od spinu zwykłej cząstki.
BozonBozon fotonfoton 1 1 fotinofotino 1/21/2
BozonBozon gluongluon 1 1 gluinogluino 1/21/2
BozonBozon W, ZW, Z 1 1 wino,zinowino,zino 1/21/2
BozonBozon grawitongrawiton 1 1 grawitinograwitino 3/23/2
BozonBozon HiggsHiggs 0 0 HiggsinoHiggsino 1/21/2
FermionFermion kwarkikwarki ½½ skwarkskwark 00FermionFermion elektronelektron ½½ slektronslektron 00FermionFermion mionmion ½½ smionsmion 00FermionFermion tautau ½½ staustau 00FermionFermion neutrinoneutrino ½½ sneutrinosneutrino 00
zwykłe cząstki
Supersymetrycznipartnerzy
67
1) Czym jest ciemna materia?
2) Jaki jest mechanizm generowania masy cząstek?
3) Czy są dodatkowe wymiary czasoprzestrzenne?
4) Jaka jest natura ciemnej energii?
5) Czy proton się rozpada?
6) Jak Wszechświat ewoluował po okresie bariogenezy?
7) W jaki sposób Ogólna Teoria Względności przechodzi wteorię kwantową ?
8) Jakie jest źródło powstawania w kosmosie cząstek o niezwykle dużych energiach?
9) Czy istnieje nowy stan materii przy wielkich ciśnieniach i temperaturach?
10) Czy światło i materia zachowują się inaczej przy bardzo wielkich energiach?
11) Jak powstały pierwiastki od żelaza do uranu?
12) Dlaczego obserwowany Wszechświat jest materialny?