Proč jet do CERNu?

Jana Nováková

MFF UKProč jet do CERNu?

Plán přednášky

• 4 krát „částice kolem nás”

• intermediální bosony≠mediální hvězdy

• hon na Higgsův boson - hit současné fyziky

• urychlovač není projímadlo

• detektor není jen na hledání pokladů a kalorimetr není jen hliníkový hrneček s teploměrem

• proč jet do CERNU?

Pár otázek na úvod

• Co je to CERN?

– evropské centrum pro jaderný výzkum, založeno v 50. letech

– dnes spíše subjaderná fyzika

• Co znamená LHC, ATLAS?

– LHC = urychlovač, který se momentálně staví v CERNu,v roce 2008 začne urychlovat protony na nĕkolikanásobnĕ vyšší energie než bylo doposud dosaženo

– ATLAS = obrovské zařízení, které bude sloužit k detekci částic vzniklých při srážkách protonů na LHC

• Proč se taková zařízení staví?

– testování teoretických modelů mikrosvěta

– hledání odpovědí na zásadní otázky v částicové fyzice, astrofyzice, kosmologii = řešení „fyzikálních záhad”

• hmoty protonu a neutronu jsou velmi podobné, elektron je ~ 2000 lehčí

• proton a elektron jsou stabilní, neutron se rozpadá (T½ = 15 min)

– T½ je poločas rozpadu – doba, za jakou se rozpadne polovina z celkového množství neutronů

Stačí tyto částice k popisu procesů, které pozorujeme?

částice hmotnost

proton 938 MeV/c2

neutron 940 MeV/c2

elektron 0.5 MeV/c2

Částice kolem nás I.aneb z čeho jsme složeni

Beta rozpad jader

• rozpad tritia: 31H - -> 32He

– neutron se přemění na proton, při rozpadu vzniká elektron

– v koncovém stavu He + e - všechny vylétávající elektrony by

měly mít stejnou rychlost (ZZE + ZZH)

- naměřilo se ale spojité spektrum rychlostí elektronu!

Takže neplatí ZZE + ZZH ??

• jde o tříčásticový rozpad → při rozpadu vzniká ještě další částice - neutrino (Pauli 1931)

Částice kolem nás II.

neutrino- elektricky neutrální částice s velmi malou hmotou

- vzniká při beta rozpadech jader, rozpadu neutronu,v procesech probíhajících ve Slunci

- velmi malá pravděpodobnost interakce -> tĕžko se detekuje

- experimentální potvrzení existence Reines + Cowan

(1956)

částice hmotnost

proton 938 MeV/c2

neutron 940 MeV/c2

elektron 0.5 MeV/c2

el. neutrino <2 eV/c2

• elektron a proton na sebe působí prostřednictvím elektromagnetické síly (interakce)

• svazek urychlených elektronů necháme procházet vodíkovým terčem - po průchodu registrujeme elektrony vylétávající pod určitýmiúhly

• pokud je proton bodová částice, umíme teoreticky spočítat pravděpodobnost výletu elektronu pod daným úhlem

– naměřené spektrum neodpovídá rozptylu na bodovém protonu→ proton má konečný rozměr

• další měření vlastností interakce elektron – proton– naměřené výsledky se dají vysvětlit

zavedením vnitřní struktury protonu → kvarky

Jak je to s protonem?

Částice kolem nás III.

kvarky- jejich náboj je neceločíselným násobkem elementárního náboje

(Qu = 2/3, Qd = -1/3)

- nevyskytují se samostatně, ale pouze ve vázaných stavech

– pár kvark – antikvark → mezony (např. piony)

– 3 kvarky → baryony (např. neutron, proton)

• proton a neutron jsou složeny z kvarků

• elektron a neutrino jsou elementární (bez vnitřní struktury)

částice hmotnost vnitřní struktura

proton 938 MeV/c2 kvarky (uud)

neutron 940 MeV/c2 kvarky (udd)

elektron 0.5 MeV/c2 -

el. neutrino <2 eV/c2 -

(Elementární) částice kolem nás IV.V kosmickém záření a na urychlovačích objeveny nové částice:

– miony ( ), tauony ( ) podobné vlastnosti jako elektron, ale těžší a nestabilní

– mionová a tauonová neutrina

– velké množství složených částic (hadrony)

abychom je dokázali popsat, musíme zavést další kvarky (c, s, t, b)

– antičástice – stejná hmotnost jako částice, ale opačný náboj (elektron – pozitron, kvark – antikvark)

Je tohle už opravdu vše?

Základní interakce I.

elektromagnetická gravitační

silná slabá

Základní interakce II.

• elektromagnetická– působí na částice s

elektrickým nábojem

– dobře teoreticky popsaná

• gravitační– působí mezi částicemi

s nenulovou hmotou

– v mikrosvĕtĕ je v porovnání s ostatními interakcemi mnohem slabší

– zatím není zahrnuta v jednotném modelu popisujícím elementární částice a interakce mezi nimi

Základní interakce III.

• silná

– drží kvarky uvnitř protonu, neutronu

– působí pouze mezi kvarky, leptonů se netýká

– působí mezi protony a neutrony v atomovém jádře (tzv. zbytková interakce)

• slabá

– způsobuje rozpad neutronu, beta rozpad jader

– jediná interakce, které se můžou účastnit neutrina

Jak probíhají interakce?• představa intermediální částice

– rozptyl elektronů

- výměna fotonu

interakce intermediální částice hmotnost

elektromagnetická foton 0 GeV/c2

silná gluony 0 GeV/c2

slabá W , Z 80, 91 GeV/c2

gravitační graviton 0 GeV/c2

Standardní model (SM)• teoretický model popisující elementární částice a

interakce mezi nimi

• nezahrnuje gravitační interakci

kvarky, leptony, intermediální bosony + Higgsův boson

e

e

foton

gluony

W

Z

Higgsův boson

u c t

d s b

• proč mají elementární částice tak rozdílné hmoty?– foton „nehmotný”, zatímco W boson je 80krát těžší než proton

• Higgsovo pole – analogie elmag. pole

– interakcí s tímto polem získávají částice svoji hmotu!- čím silněji částice interaguje, tím má větší hmotnost

• zavedením Higgsova pole získáme další částici: Higgsův boson– částice s velmi krátkou dobou života

– tato částice nebyla zatím pozorována

Higgsův boson ve SM

Higgsův mechanismus

Hon na Higgsův boson

• proč jsme ještě nenašli Higgsův boson?

– velmi těžká částice

- 115 GeV/c2 < mH < 1000 GeV/c2

potřebujeme velmi vysoké energie, abychom si takovou částici mohli vyrobit

– Higgsův boson neexistuje

• v současnosti hledání na urychlovači TevatronmH < ~120 GeV/c2

• experimenty na urychlovači LHC navrženy tak, aby bylo možné detekovat „Higgse” v celém rozsahu hmot 115 GeV/c2 < mH < 1000 GeV/c2

Další záhady současné fyziky

• Proč máme právĕ tři rodiny kvarků a leptonů?

• Jsou kvarky a leptony opravdu elementární?

• Proč je ve vesmíru asymetrie mezi hmotou a antihmotou?

• Co tvoří černou hmotu ve vesmíru?

• Jak můžeme zahrnout gravitaci do SM?

• Potřebujeme:

– výkonnější urychlovače

– lepšídetektory

Jak najít odpovědi?

Co to je urychlovač?

• urychluje elektricky nabité stabilní částice (protony, elektrony, příp. jejich antičástice) na velmi vysoké energie

• urychlené částice necháme narazit do terče nebo je necháme letĕt proti sobĕ a pak je srazíme (LHC)

• při srážkách vzniká velké množství nových částic

• pokud máme k dispozici dost velkou energii, mohou vzniknout i velmi těžké částice (např. Higgsův boson)

Trocha teorie:nabitá částice v elmag. poli

• Lorentzova síla

– elektrická složka síly urychluje(to potřebujeme)

– magnetická síla je kolmá k nepřispívá k urychlenízakřivuje dráhu (to se může hodit)

).( BvEQF

v

Typy urychlovačů

• lineární– využití i v medicíně (radioterapie)

- menší rozměry, nižší energie

– k urychlení částic na vysoké energie potřebujeme velmi dlouhé urychlovače

- SLAC 3 km

- ILC 16 km (plánovaný projekt)

• cyklické– k zakřivení dráhy se používá magnetické pole

– částice obíhá vícekrát urychlovací dráhu

– vyzařování fotonů při pohybu po zakřivené dráze

- hraje velkou roli pro elektrony

- pro těžší částice (např. protony) zanedbatelné

– urychlovače Tevatron, LHC

Urychlovač LHC(Large Hadron Collider)

• proton – protonový urychlovač• tunel o obvodu 27 km, umístěný 100 m pod zemským povrchem

– zakřivení dráhy protonů supravodivými magnety (9 T, pracovní teplota 1.9 K)– dva svazky protonů urychlených v opačných směrech

• protony budou vstupovat do LHC s energií 450 GeV (systém předurychlovačů), v LHC urychleny na 7 000 GeV

• cena urychlovače 3 miliardy Euro• první srážka protonů plánovaná na léto 2008• 108 srážek za sekundu, z toho 10 –100 zajímavých událostí • 4 velké experimenty – ATLAS, CMS, LHCb, ALICE

Tunel pro LHC

na začátku: 2 gluonyna konci: Higgs

na začátku: 2 kvarkyna konci: Higgs + 2 kvarky

• proton – kvarky uud + gluony + kvark-antikvarkové páry

• protonové srážky– interakce kvark-kvark, gluon-gluon, gluon-kvark, kvark-antikvark,

....

• Př.: vznik Higgse na LHC

Jak poznám, co při srážce vzniklo??

• potřebujeme detektory

Co se stane, když srazíme protony?

Co to jsou detektory částic?

• zařízení, která jsou umístěna kolem místa srážky

– detekují částice, které vznikly při srážce (tzv. sekundární částice)

• určují impulsy, energie, náboj, místo vzniku a rozpadu sekundárních částic (ideálně všech)

• musí od sebe rozlišit jednotlivé druhy částic (např. elektrony od fotonů)

Princip detekce:

• ionizace prostředí elektrický signál

• excitace atomů světelný signál

Detektor ATLASelektromagnetický

kalorimetrhadronový kalorimetr

vnitřnídetektor

mionové komory

22 m

44 m

protony

protony

Vnitřní detektor• nejblíž u místa srážky

• rekonstrukce drah nabitých částic

• polovodičové detektory– jemná segmentace

velmi přesné měření polohy

• umístěn v magnetickém poli – ze zakřivení dráhy částice se měří hybnost, určuje náboj

Vnitřní detektor

Kalorimetry

• mĕří energii sekundárních částic

• dostaneme signál i od elektricky neutrálních částic

• dopadající částice interaguje s materiálem za vzniku dalších částic

vzniká sprška částic, která je pohlcena v detektoru

elmag. kalorimetr hadronový kalorimetr

Kalorimetry - instalace

Mionové komory• miony ztrácí v prostředí poměrně málo energie, doletí tedy

až za kalorimetry

• mĕření impulsu, rekonstrukce drah a identifikace mionů

• mionové komory v detektoru ATLAS umístěny v magnet. poli

Stav detektoru dnes

Různé částice v detektoru

Co neutrina?– žádný signál

– informace o neutrinech – ztracená energie (ze ZZH, ZZE)

Poznáte, co je v detektoru?

elektron mion

Proč nás zajímá zrovna ATLAS?

• na tomto projektu spolupracuje Česká republika

• na experimentu pracuje 1700 fyziků z 32 zemí, velké množství techniků a programátorů

• česká skupina na ATLASu– vnitřní detektor– hadronový kalorimetr– fyzikální program

• fyzikální program:– hledání Higgsova bosonu– supersymetrické částice (černá

hmota)– vnitřní struktura kvarků nebo

leptonů– hledání dalších elementárních

částic– přesné měření hmotností

intermediálních bosonů W , top kvarku

– ...

Proč jet do CERNu?

• jedinečná možnost vidět

CERN naživo

– jedno z největších center na světě, kde se „dělá věda”, dokonce FYZIKA, a to přímo ZÁKLADNÍ VÝZKUM

– unikátní příležitost dozvědět se něco víc než se učí ve škole

• poslední možnost podívat se

na některé z experimentálních zařízení

– do konce roku dokončení instalačních prací

– na jaře spuštění LHC uzavření tunelu