23. 5. 2006 EurOpen Chudenice Fyzika částic a současné experimenty na urychlovačích Miloš Lokajíček
Jan 11, 2016
23. 5. 2006 EurOpen Chudenice
Fyzika částica současné
experimenty na urychlovačích
Miloš Lokajíček
Plán
• Základní síly fyziky částic– Rozměry a jednotky– Gravitační, elektromagnetická, slabá, silná– Zkoumání vlastností částic
• Urychlovače a detektory– Urychlovače– Detektory– Status LHC
• Jak jsme stavěli hadronový kalorimetr ATLAS
» Mnoho obrázků je z prezentací kolegů a připravované účebnice kolegy J. Dolejšího
Rozměry a jednotkyHmotnostní škála
Délková škála
1 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15 10-18 m
naše tělo atom elektron
atomové jádro
vlnová délka světla
103 1 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15 10-18 10-21 10-24 10-27 10-30
elektron
kg
atomnaše tělo
Rozměry a jednotky“atomová hmotnostní jednotka” u, 1/12 hmotnosti atomu uhlíku (12C).
1 u = 1.660 538 7 × 10-27 kg
Einsteinův vztah E = mc2 -> m = E/c2 Fyzika částic 1 eV, kinetická energie, kterou získá nabitá částice s nábojem 1e, která projde potenciálním rozdílem 1 V
1 eV = 1.602 176 46 × 10-19 J, 1 eV/c2 = 1.782 661 73 × 10-36 kg
1 u = 931.494 01 MeV/c2
Důležité hodnotymproton ≈ u ≈ 1 GeV/c2, melektron ≈ 0,5 MeV/c2
1 eV ≈ 1,6 × 10-19 J, c ≈ 3 × 108 m/s
•Obvykle využití jednotek, kde c=1•Např. gravitační zákon F=konst. m1*m2/r2, jednotky známé•Změřit konstantu, je-li konst.=1, pak F v jednotkách kg2/m2. •V dříve používaných jednotkách cgs byla např. jednotka kapacity cm-1
kg
Dalsí běžné jednotky1 Å = 10-10 m fermi 1 F = 1 fm = 10-15 m
T G M k m n p f tera giga mega kilo mili micro nano pico femto
1012 109 106 103 1 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15
103 1 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15 10-18 10-21 10-24 10-27 10-30
elektronnaše tělo atom
TeV GeV MeV /c2
Rozměry a jednotky
Rozměry a jednotky
Klidová energieatomu
Klidová energie elektronu
Tepelnáenergieatomu
Energieelektronuv televizní obrazovce
1joule
Největší energie protonu ze současného urychlovače (Tevatron ve FNAL)
Energie proto-nu z “příkladu o volném pádu”
1030 1027 1024 1021 1018 1015 1012 109 106 103 1 10-3 eV (TeV) (GeV) (MeV) (keV) (eV) (meV)
Energie obsaženáv jedné sklenici piva(0.5 litr)
Lidská denní spotřeba energie
Největší energiejednotlivé částicepozorované v kosmickém záření
Klidová energiekomára
Vazbová energie nukleonů v jádru
Vazbové energieelektronů v atomech
Energiefotonů ve viditelném světle
Moje kinetická energie při chůzi
Kinetickáenergie letícíhokomára
LHC
Konstituenty hmotyFermiony + Bosony
Fermiony – nositelé hmotnosti (poloviční spin)
• Bosony, zprostředkují síly (celočíselný spin)
Konstituenty hmotyFermiony + Bosony
(Ne)elementární částice
• Síly mezi částicemi popisovány jako tzv. výměnné síly zprostředkované výměnnou určité částice
• Slabá + elektromagnetická = elektroslabá (Maxwell v 19. století sjednotil elektřinu a magnetismus)
Základní sílysíla působí na mezi částicemi zprostředkující
částicerelativní síla
gravitační hmotu-enrgii všechny částiceGraviton (nepozorován)
10-40
slabá flavor quarky, leptony W+ W- Z0 app. 10-4
elektromagnetickáElektrický náboj
všechny nabité foton 1
silnáBarevný náboj
quarky, gluony gluony 20-60
Volné kvarky nejsou
Volné kvarky nebyly pozorovány – pouze vazané barevně neutrální objekty
Při násilném vzdalování dvou kvarků, barevné pole zesiluje až vytvoří páry quarků a antiquarků, které opět vytvoří barevně neutrální objekty
Tento jev se nazývá „quark confinement“
Poznámky k základním silám• Velké sjednocení (Grand
unification) se pokouší o společný popis elektroslabá + silná
– Rozpad protonu (poločas > 1032 let)
• Supersymetrie – Teorie v souvislosti s velkým
sjednocením– Každá existující částice má
hmotného superpartnera partnera• Tak by i neutrino mělo hmotného
superpartnera stabilní neutralino – možné vysvětlení temné hmoty ve vesmíru
• Pokud by se podařilo společně popsat gravitační+elektroslabá+silná tzv. teorie všeho
• Extra dimenze– gravitace je ve skutečnosti silnější
než se nám jeví v našem 3D prostoru, šíří se ve více dimenzích, které nejsou ploché -> v našich dimenzích je síla neúměrně menší
– Předpověděné efekty dosud nepozorovány
Standardní model
• Standardní model = současná teorie fundamentálních částic a jejích interakcí– Silné interakce kvarků a gluonů pomocí barevných
nábojů– Kombinovaná elektroslabá teorie s W a Z bozony jako
výměnnými nositeli slabých sil a fotony jako prostředníky elektromagnetických sil
– Nezahrnuje gravitační síly (velmi slabé)– Triumf fyziky částic 70. let, zahrnuje vše, co bylo
známé a úspěšně předpověděl výsledek mnoha experimentů
Standardní model
• ALE• Neodpovídá na to otázku, co je důvodem, že
fundamentální částice mají hmotu (kvarky ve Standardním modelu mají nulovou hmotu)
• Higgsův mechanismus – nejjednodušší doplnění teorie, které „zhmotní“ konstituenty. Mechanismus obsahuje další částici – Higgsův bozon a další sílu jím zprostředkovanou– Higgsův bozon nebyl dosud nalezen, hmotnost
110 – 190 GeV LHC
Fyzikální program experimentů LHC
• Přesná měření top kvarku– Objeven v 1995 ve FNAL
• Měření CP narušení– Porušení symetrie mezi hmotou a
antihmotou v některých srážkách – hledáním vysvětlení, proč je v přírodě nadbytek hmoty nad antihmotou
• Objevy– Higgsův bozon– Supersymetrie– Extra – dimenze– aj.
Zkoumání struktury částic
• Pomocí srážek částic– Pružné srážky
• Částice před a po srážce stejné
– Nepružné srážky• Většinou produkce nových
částic
• Hluboké nepružné srážky– Pohled do nitra částic
• Zákony zachování– Energie– Hybnosti
Urychlovače
FermilabTEVATRON
CERNLHC
DESYHERA
KEKKEKBJ-PARC
BNLRHIC
SLACLinac+PEP-II Dubna
Urychlovače
• Lineární – Stovky metrů až kilometry
• Všude jako počáteční urychlovací stupně
– Nová generace, ILC bude 30+30 km• Cíl 70 MV/m
• Kruhové– TEVATRON obvod 6 km– LHC (od 2007) obvod 27 km
SLAC
LINAC
PEP-II
Pevný terč
Pevný terč
Vstřícné svazky
Vstřícné svazky
CERN - Meyrin
Urychlovací komplex v CERN
Urychlovač LHC
• Urychluje pp, 7+7 TeV– 7* více než TEVATRON– Umožňuje hledat nové hmotné částice do hmoty až 5 TeV
• Luminosita Ldesign =2*1034 cm-2s-1
– 100 krát více než Tevatron• Hledání vzácných procesů – malý účinný průřez σ (N = L σ )
• Srážky balíků protonů (1011 protonů/balík) každých 25 ns• Dojde současně asi ke 20 srážkám, každá srážka má v
průměru 75 nabitých částic, tj. celkem přes 100 částic (včetně neutrálních)
• Hledání vzácných případů srážek si vynucuje tuto nepříjemnost
CERN – experiment ATLAS
LHC
Přehled konstrukce současných detektorů slibující zachycení téměř všech částic:
elektron
mion
hadrony
Vnitřní dráhový detektor: Minimum materiálu, jemná seg-mentace aby bylo možné měřit přesně body na drahách částic.
Electromagnetický kalorimetr: nabízí materiál pro rozvojelektromagnetických spršeka měří absorbovanou energii.
Hadronový kalorimetr: nabízí svůj materiál pro rozvojhadronových spršek a měří energii,kterou v něm částice zanechají.
Mionový detektor: nepokouší se miony zachytit, ale zazname-nává jejich dráhy.
Neutrina utíkají nezpozorována.
Magnetické pole zahýbá dráhy částic apomáhá měřit jejich hybnosti.
Weight:
7000 t44 m
22 m
Leve
l-1 la
tenc
y• Interactions every 25 ns …
– In 25 ns particles travel 7.5 m• Cable length ~100 meters …
– In 25 ns signals travel 5 m
Total Level-1 latency = (TOF+cables+processing+distribution) = 2.5 sec
For 2.5 sec, all signals must be stored in electronics pipelines
Higgs -> 4
The challengeHow to extract this… … from this …
+30 MinBias
H
L
T
DATAFLOW
ROS
LVL1
DE
T RO
LVL2
Trigger DAQ
2.5
s
~ 10 ms
Calo MuTrChOther detectors
FE Pipelines
Read-Out Drivers
Read-Out Sub-systems
ROIB
L2P
L2SV
L2N
RoI Builder
L2 SupervisorL2 N/work
L2 Proc Unit
RoI
RoI data = 1-2%
RoI requests
Lvl2 acc = ~2 kHz
Sub-Farm OutputSFO
Lvl1 acc = 75 kHz
40 MHz
40 MHz
75 kHz
~2 kHz
~ 200 Hz
120 GB/s
~ 300 MB/s
~2+4 GB/s
Event FilterEFP
EFPEFP
EFP
~ sec
Event FilterProcessors
120 GB/s
~4
GB
/s
EFacc = ~0.2 kHz
Read-Out Buffers
Read-Out Links
TDR Ch.2-5-app.A
ROD ROD ROD
ROB ROB ROB
ARCHITECTURE(Functional elements and their connections)
EB
SFI
EBN
Sub-Farm Input
Event Building N/work
Event Builder
Event Filter N/workEFN
Dataflow ManagerDFM
Barrel Toroid:8 separate coils
Barrel coil toroid transport and installation
CABLING!
300+ racks of read-out electronics underground
Albany, Alberta, NIKHEF Amsterdam, Ankara, LAPP Annecy, Argonne NL, Arizona, UT Arlington, Athens, NTU Athens, Baku, IFAE Barcelona, Belgrade, Bergen, Berkeley LBL and UC, Bern, Birmingham, Bonn, Boston, Brandeis, Bratislava/SAS Kosice, Brookhaven NL, Bucharest, Cambridge, Carleton, Casablanca/Rabat, CERN, Chinese Cluster, Chicago, Clermont-Ferrand, Columbia, NBI Copenhagen, Cosenza, INP Cracow, FPNT Cracow, Dortmund, JINR
Dubna, Duke, Frascati, Freiburg, Geneva, Genoa, Glasgow, LPSC Grenoble, Technion Haifa, Hampton, Harvard, Heidelberg, Hiroshima, Hiroshima IT, Indiana, Innsbruck, Iowa SU, Irvine UC, Istanbul Bogazici, KEK, Kobe, Kyoto, Kyoto UE, Lancaster, Lecce, Lisbon LIP, Liverpool, Ljubljana,
QMW London, RHBNC London, UC London, Lund, UA Madrid, Mainz, Manchester, Mannheim, CPPM Marseille, Massachusetts, MIT, Melbourne, Michigan, Michigan SU, Milano, Minsk NAS, Minsk NCPHEP, Montreal, FIAN Moscow, ITEP Moscow,
MEPhI Moscow, MSU Moscow, Munich LMU, MPI Munich, Nagasaki IAS, Naples, Naruto UE, New Mexico, Nijmegen, BINP Novosibirsk, Ohio SU, Okayama, Oklahoma, LAL Orsay, Oslo, Oxford, Paris VI and VII, Pavia, Pennsylvania, Pisa, Pittsburgh, CAS Prague, CU Prague, TU Prague,
IHEP Protvino, Ritsumeikan, UFRJ Rio de Janeiro, Rochester, Rome I, Rome II, Rome III, Rutherford Appleton Laboratory, DAPNIA Saclay, Santa Cruz UC, Sheffield, Shinshu, Siegen, Simon Fraser Burnaby,
Southern Methodist Dallas, NPI Petersburg, Stockholm, KTH Stockholm, Stony Brook, Sydney, AS Taipei, Tbilisi, Tel Aviv, Thessaloniki, Tokyo ICEPP, Tokyo MU, Tokyo UAT, Toronto, TRIUMF, Tsukuba, Tufts, Udine, Uppsala, Urbana UI, Valencia,
UBC Vancouver, Victoria, Washington, Weizmann Rehovot, Wisconsin, Wuppertal, Yale, Yerevan
ATLAS Collaboration
34 Countries151 Institutions1770 Scientific Authors
(more are joining…)
Status 25.4.2006
ATLAS CMS
ALICE LHCb
Kosmické testy miony po instalaci• Hadronový
kalorimeter, červen 2005
• Vnitřní drahový detektor (křemíkový stripový a TRT) květen 2006
• FERMILAB (CHICAGO)
• Experiment D0– Tevatron p+antip– 2 TeV– Obvod TEVATRON
• 6 km
– Main Injector• Více funkcí• Skladování antip po
beam dump
Main Injector(new)
Tevatron
DØCDF
Chicago
p source
Booster
Závěr
• Výzkum ve fyzice částic probíhá v rozsáhlé mezinárodní spolupráci
• Moderní urychlovače a detektory jsou unikátní zařízení• Výsledky fyziky částic mají úzkou návaznost na
kosmologii a zvláště Big Bang (schopny zkoumat jevy zlomky sekund po něm)
• LHC přináší novou, dychtivě očekávnou generaci experimentů
• Na explicitní přání organizátorů jsem nezmínil zpracování 1 PB produkovaných dat ročně na mezinárodním gridu fyziky částic