Potera za božijom česticom

Potera za božijom česticom

Dragan S. PopovićInstitut za fiziku

Zemun

Odsek za fiziku PMF-a u NišuPodružnica Društva fizičara Srbije - NišAstronomsko društvo “Alfa” iz NišaMinistarstvo nauke Republike Srbije

Niš, 15 maj 2008.

Potera za božijom česticom 2

Misterija mase

Materija je sastavljena od molekula;molekuli od atoma; atomi od elektrona i jezgra; jezgro od protona i neutrona. Znamo zašto je jezgro tako malo, ali ne znamo kojim mehanizmom čestice stiču svoju masu i zašto imaju baš takvu masu.


• Većina ljudi misli da zna šta je masa! Ali, oni znaju samo deo priče.

• Masa je osnovni koncept u fizici i grubo je povezana sa idejom koliko je materije sadržana u objektu. U relativističkoj kinematici postoji više definicija mase (masa u STR, masa u OTR)

• Isak Njutn je dao najraniju naučnu definiciju mase 1687. godine: “ The quantity of matter is the measure of the same, arising from its density and bulk conjointly “ (Principia).

• Ova bazična definicija mase je bila prihvaćena u naučnim krugovima više od 200 godina. Ali, moderno razumevanje mase je mnogo složenije od Njutnove definicije i objašnjeno je u Standardnom modelu, teoriji koja sumarizuje naša dosadašnja znanja o svim elementarnim česticama i njihovim interkacijama.

Misterija mase


Masa u Standardnom modelu

Osnovne čestice materije u Standardnom modelu čine tri generacije kvarkova i leptona uređene po rastućimmasama. Za razliku od leptona koji postoje kao slobodnečestice, kvarkovi su uvek vezani u hadrone (protone i neutrone, na primer).

Sva vidljiva materija koja nas okružuje sastavljena je odčestica prve generacije: elektrona, koji su elementarne čestice,protona i neutrona, koji su vezana stanja u i d kvarkova.

Pored čestica materije, Standardni model predviđa postojanječestica – prenosiilaca interakcije: fotona (elektromagnetna interakcija), gluona (jaka interakcija), i teških W i Z bozona (slaba interakcija).

Za razliku od protona i neutrona stvarno elementarne čestice, kvarkovi i elektroni, nemaju unutrašnju strukturu i način na koji one stiču masu je osnovno pitanje na koje Standardni model treba da odgovori.


Masa u Standardnom modelu

u kvark

0.003 GeV

c kvark

1.3 GeV

t kvark

175 GeV

foton, γ

0

d kvark

0.006 GeV

s kvark

0.1 GeV

b kvark

4.3 GeV

gluon, g

0

neutrino νe

<1 x 10-8 GeV

neutrino νμ

<0.0002 GeV

neutrino ντ

<0.02 GeV

Z

91.187 GeV

elektron, e

0.000511 GeV

mion, µ

0.106 GeV

tau, τ

1.7771 GeV

W±

80.4 GeV

Mase osnovnih čestica u Standardnom modelu

Pitanja na koja treba da odgovori Standardni model:

Zašto su mase kvarkova tako različite (0.003-175 GeV)?Zašto su mase leptona tako različite (0.000511-1.7771 GeV)?Zašto su mase neutrina tako male?Zašto među česticima koje prenose silu W i Z bozon imaju vrlo veliku masu, a foton i gluon nemaju?Zašto su čestice materije, kvarkovi i leptoni, uređeni u tri generacije prema rastućim masama?



VII Solvejevski kongres Fizike (1933)(7th Solvay Physics Congress in Brussels (1933))

Max Born: ”Physics as we know it will be over in 6 months” !!!

Kratko podsećanje

• elektron, foton, proton, neutron, pozitron• teorija relativnosti, kvantna mehanika, radioaktivnost...


Posle toga:

1937 otkriven mion 1947 otkriveni naelektrisani pioni 1950 otkriven neutralni pion 1953 otkriveni Λ i K mezoni 1956 dokazano postojanje elektronskog neutrina 1950-1960 otkriven veliki broj bariona i mezona 1961 otkriven mionski neutrino 1963 formulisana teorija kvarkova; postulirano postojanje tri kvarka: u, d i s 1961-1968 Glashow, Wienberg i Salam (GWS) su razvili teoriju po kojoj su slabe i

elektromagnetne sile ujedinjene u jednu, elektroslabu silu. 1970 u DIS eksperimentima potvrđena partonska struktura protona 1974 c kvark otkriven u raspadu J/ψ rezonance 1975 otkriven tau lepton i postulirano postojanje tau neutrina 1979 u raspadu Υ mezona detektovan b kvark, predviđeno postojanje t kvarka 1983 direktno izmerena masa W i Z bozona - potvrda SM! 1989 merenjem širine Z bozona potvrdjeno da je broj neutrina 3 1995 direktno izmerena masa t kvarka (Tevatron kolajder)


Elektroslaba sila

1961-1968Glashow, Wienberg i Salam (GWS) su razvili teoriju po kojoj su slabe i elektromagnetne sile ujedinjene u jednu, elektroslabu silu.

Electromagnetne sile – dugodometne, odgovorne za vezivanje atoma i molekula; prenosilac: foton (masa = 0)

Slabe sile – kratkodometne, odgovorne za spore radioaktivne raspade jezgara, β raspad, prenosioci: W+,W-, Z0 (masa ~ 80-90 GeV)

Wμ1,2,3, Bμ W+, W-, Z0, γ

GWS teorija pretpostavlja da postoje 4 bezmasena prenosioca elektroslabe sile: Wμ1,2,3 and Bμ.

koji se preko mehanizma spontanog narušenja simetrije transformišu u masene čestice W+, W-, Z0

i bezmaseni γ. Mehanizam pomoću koga W+, W-, Z0 stiču masu zove se Higsov mehanizam.

Za dva protona u jezgru elektromagnetna sila je 107 puta jača od slabe sile, ali, na mnogo manjim rastojanjima (~10-18 m) jačine slabe i elektromagnetne sile postaju uporedive.

W’s W-W+ Z0

.


Spontano narušenje simetrije

• Spontano narušenje simetrije u fizici se dešava kada sistem koji je simetričan u odnosu na neku grupu simetrije prelazi u stanje vakuuma (stanje sa najnižom mogućom energijom) koji nije simetričan. To je fenomen koji se u prirodi dešava vrlo često.

• Primer za spontano narušenje simetrije je lopta na vrhu brda: ta lopta je u potpuno simetričnom stanju ali nije stabilna jer vrlo lako može da se skotrlja. U nekom trenutku lopta će se spontano skotrljati niz brdo u jednom ili drugom pravcu. Simetrija je narušena jer je pravac u kome se lopta skotrljala izdvojen od drugih.

• U Standardnom modelu mehanizam kojim se spontano narušava simetrija je Higsov mehanizam koji podrazumeva postojanje Higs polja i odgovarajuće Higs čestice, i odgovorno je za mase W i Z bozona i ostalih elementarnih čestica.

“Meksički šešir”: Grafički prikaz potencijala skalarnog poljasa spontanim narušenjem simetrije.


Higsov mehanizam kroz jednačine

0μ2 Zahtevamo da Lagranžijan kompleksnog skalarnog polja φ bude U(1) invarijantan u odnosu LOKALNE transformacije.

Da bismo generisali masu spontanim narušenjem simetrije, potrebno je naći minimum energiije u slučaju kada je µ2 <0.



Izaberemo tačku v i oko nje izvršimo razvoj po η i ρ. Kao rezultat dobijamo invarijantan Lagranžijan. Iz ovog Lagranžijana sledi da postoje skalarna masena čestica mη, bezmasena čestica ρ i maseno vektorsko polje A.

Bezmaseno vektorsko polje ρ (Goldstonov bozon) ne može postojati u prirodi.

Kako u dobijenom lagranžijanu postoji 1 stepen slobode više potrebno je izvršiti dodatne transformacije.



Gradijentni bozon Aµ sada ima masu mA=gv. Postoji skalarno Higsovo polje mase mh, dok je bezmaseno polje nestalo. Teorija je lokalno invarijantna!


Higsovo polje i Higsov mehanizam

W’s W-W+ Z0

Higsov mehanizam koji daje masu vektorskim bozonima predložio je 1964. godine Peter Higgs.

Steven Weinberg i Abdus Salam su prvi primenili Higsov mehanizam na elektroslabo narušenje simetrije i objasnili kako W+, W-, Z0 bozoni dobijaju masu.

Higsov bozon je hipotetička masivna skalarna čestica čije postojanje predviđa Standardni model. To je JEDINA čestica u Standardnom modelu koja još uvek nije otkrivena ali objašnjava poreklo masa i razlike u masama drugih čestica.

.


Hm

Standardni model ne predviđa kolika je masa Higs bozona.

Teorijska ograničenja mΦ>1 TeV narušava perturbativni režim stabilnost vakuuma

Eksperimentalna ograničenja Precizna merenja na LEP2: mH< 202 GeV sa 95% CL Direktna merenja na LEP2: mH ≥114.4 GeV

Testiranje teorije:Traženje Higs bozona

Šta ćemo znati kada/ako otkrijemo Higs bozon?

• Detekcija Higs bozona će protvrditi eletroslabu teoriju i upotpuniti Standardni model.• Merenje konstanti sprezanja sa Higs bozonom će potvrditi mehanizam generisanja masa.• Higs bozon lakši od od 130 GeV potvrdio bi teoriju izvan Standardnog modela, poznatu kao Supersimetrija.• Ako ne bi bio pronađen Higs bozon sa masom manjom od 1 TeV, to bi značilo da se elektroslaba simetrija narušava nekim drugim mehanizmom.


Sada: Veliki Hadronski sudarač u CERN-u

LHC, Veliki hadronski proton-proton kolajder:

• 27 km u obimu

• 6700 magneta; 1630 superprovodnih ohlađenih do temperature -271.3°C (1.9 K); pritisak 10-13 atm.• brzina protona 0.999999991 c• ukrštanje snopova svakih 25 ns (40 MHz)• 25 p-p interakcija po ukrštanju (najviše 10-100 interesantnih)

• Energija centra mase : √s= 14 TeV

• Projektovana luminoznost: 1034 cm-2s-1



ATLAS kolaboracija

• Projekat je osmišljen 1992. godine kada je formirana ATLAS kolaboracija (grupa fizičara koja radi na ATLAS eksperimentu). • Sadašnja konstrukcija ATLAS detektora je predložena 1994. godine. • Finansiranje izgradnje ATLAS detektora započele su zemlje članice CERN-a 1995. godine. • Pridruživanje novih članova kolaboracije nastavlja se sve do danas. • Komponente detektora izrađene su u laboratorijama učesnika kolaboracije, a zatim transportovane u CERN gde je 2003.godine otpočela instalacija ATLAS-a. • Iskopavanje podzemne hale 100m ispod zemlje, gde je smešten ATLAS detektor počelo je 2000. godine, i predstavljalo je jedan od najvećih poduhvata u građevinarstvu. • Instalacija ATLAS detektora biće završena sredinom 2008.godine.

Oko 1900 istraživača i inženjera iz 165 laboratorija i 35 zemalja.


Unutrašnji detektor|η|<2.5, B=2TOdređuje putanje i meri impulse naelektrisanih čestica

KalorimetriMere energije čestica.Elektromagnetni: Pb+LArHadronski: Fe/sci (barel)LAr (fwd)

Magnetni sistem Savija putanje naelektrisanih čestica i omogućava merenje impulsa.Solenoid obavija ID Toroidni magneti u MS

Mionski spektrometarIdentifikuje mione i meri njihove impulse.|η|<2.7, B=0.5Tair-core toroidi i mionske komore

ATLAS detektor


Instaliranje ATLAS detektora

jun 2003.

decembar 2007.


Spuštanje malog točka u ATLAS-ovu podzemnu halu


Poreklo maseStandarni model ne objašnava poreklo mase čestica, ni zašto neke čestice imaju masu a neke ne. Moguć odgovor daje Higsov mehanizam po kome je ceo prostor ispunjen Higsovim poljem i čestice stiču masu interagujući sa tim poljem. Čestice koje jače interaguju su teže i obrnuto. Higsovo polje podrazumeva postojanje Higs čestice, za kojom će tragati ATLAS eksperiment. Energija LHC-a će biti dovoljna za otkriće i izučavanje Higs-a ako ima masu u pretpostavljenom opsegu od 114.4 GeV do 1TeV.

Antimaterija Sasvim je izvesno da je Veliki prasak proizveo jednaku količinu materije i antimaterije. Međutim, današnja posmatranja ukazuju da je naš univerzum sastavljen gotovo samo od materije. ATLAS bi mogao da odgovori na pitanje kako je nastala asimetrija između materije i antimaterije istražujući tananu razliku koja postoji između njih.

Čestice u Standardnom modelu ATLAS će izučavati ponašanje osnovnih čestica u Standardnom modelu: W i Z bozona kao i top i botom kvarkova. Bilo koje neslaganje sa postojećim merenjima će ukazati na slabost Standardnog modela.

Nove dimenzije Teorija struna je vodeća teorija u fizici čestica koja daje jedinstven opis čestica i sila uključujući i gravitaciju. Ona predviđa postojanje sedam novih dimenzija i njeno testiranje zahteva traganje za novim dimenzijama i izučavanje njihovih svojstava. ATLAS će pokušati da odgovori na mnoga pitanja o novim dimnzijama: koliko ih ima, kakav im je oblik i veličina, kako su skrivene i koje su nove čestice povezane sa njima. Takođe postoji i mogućnost da bi zbog postojanja novih dimenzija na ATLAS-u mogle da budu detektovane mikroskopske crne rupe.

Druge mogućnosti ATLAS će takođe tragati i za potuno novim signalima i fenomenima. Neka od najvažnijih otkrića u fizici u prošlom veku su bila potpuno neočekivana, i mnogi naučnici se nadaju da će na energijama Velikog hadronskog sudarača biti otkriveno nešto sasvim novo.

Fizika na ATLAS detektoru


Traženje Higs bozona na ATLAS-u

ATLAS će tragati za Higsom od

LEP2 granice do 1 TeV.

LHC će razrešiti pitanje postojanja Higs bozona i izmeriti njegova svojstva!!

γγH HWqq ' Httqqgg

bbH

4l/ZZZZH *

lννl/WWWWH *

GeV150mH

GeV600m130 H

GeV 600mH lljjZZH

lννjWWH


Prvi Higgs na ATLAS-u 4. april 2008.

Tuesday, 8 April 2008The Independent: “Peter Higgs convinced LHC will see Higgs boson particle”

Documents

Potera za božijom česticom