Velike naprave za majhne delce(slide 1)
Samo KorparUniverza v Mariboru in institut Jožef Stefan
21. december 2011seminar Out-of-the-Box
Velike naprave za majhne delce
osnovni delci in standardni model kako jih opazujemo potrditev standardnega modela a smo že na cilju? - novi načrti kaj lahko uporabimo?
Samo Korpar
Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo, Univerza v Mariboruin Institut Jožef Stefan, Ljubljana
21. december 2011seminar Out-of-the-Box
Velike naprave za majhne delce(slide 2)
Samo KorparUniverza v Mariboru in institut Jožef Stefan
21. december 2011seminar Out-of-the-Box
Model naraveKaj pričakujemo od opisa osnovnih gradnikov narave? Da je preprost (majhno število osnovnih gradnikov) in pravilen.
Starodavni opis narave.Narava je sestavljena iz štirih elementov: zrak ogenj voda zemlja
→ Preprost, a žal napačen ...
ZRAK
OGENJ VODA
ZEMLJA
Velike naprave za majhne delce(slide 3)
Samo KorparUniverza v Mariboru in institut Jožef Stefan
21. december 2011seminar Out-of-the-Box
Periodni sistem elementov
Opis narave po D. I. Mendeljejevu:
~ 100 elementov
→ Pravilen, a zapleten ...
Velike naprave za majhne delce(slide 4)
Samo KorparUniverza v Mariboru in institut Jožef Stefan
21. december 2011seminar Out-of-the-Box
Gradniki po nadstropjihsnov atom elektron
jedro
proton
nevtron
kvarki
Zgodba se nadaljuje: atomi so sestavljeni iz majhnega pozitivno nabitega jedra in 'oblaka' elektronov, ki ga na jedro veže električna sila jedro sestavljajo protoni in nevtroni povezani z jedrsko silo pri radioaktivnem razpadu beta nastane nov delec – nevtrino, ki le šibko interagira s snovjo in ga zelo težko zaznamo odkriti so novi delci mion, pion, kaon … protoni in nevtroni so sestavljeni iz kvarkov ... → standardni model osnovnih delcev in interakcij
Velike naprave za majhne delce(slide 5)
Samo KorparUniverza v Mariboru in institut Jožef Stefan
21. december 2011seminar Out-of-the-Box
Standardni model Kvarki: u, d, c, s, t, b Leptoni: e-, νe, µ-, νµ, τ-, ντ Higgsov delec H (?) Sile: elektrošibka (γ, Z, W) in močna (g)
Matrika Cabibbo-Kobayashi-Maskava (CKM) - zveza med stanji, ki nastopajo pri šibki in pri močni interakciji.
d sb = V ud V us V ubV cd V cs V cbV td V ts V tb dsb
Kvarki ne obstajajo prosti, ampak so vezani v mezonih (qq) in barionih (qqq).
masa →naboj →
spin →
ime →
Lept
oni
Kva
rki
Um
eritv
eni b
ozon
i
Leptoni
Foton
Kvarki
Gluon
Higgsov bozon
Velike naprave za majhne delce(slide 6)
Samo KorparUniverza v Mariboru in institut Jožef Stefan
21. december 2011seminar Out-of-the-Box
Matrika CKM in unitarni trikotnik
Relativne velikosti elementov.
V †V= I V udV ub∗ V cdV cb
∗V tdV tb∗= 0
=arg − V tdV tb∗
V udV ub∗ , =arg −V cdV cb
∗
V tdV tb∗ , =arg −V udV ub
∗
V cd V cb∗
V udV ub∗
V cdV cb∗
V tdV tb∗
V cdV cb∗
,
0,0 1,0
Pogoj unitarnosti - test standardnega modela:
Velike naprave za majhne delce(slide 7)
Samo KorparUniverza v Mariboru in institut Jožef Stefan
21. december 2011seminar Out-of-the-Box
Meritev stranic in kotov trikotnika -test standardnega modela
2001
Vub: B -> Xu ℓ ν Vtd: mešanje mezonov B α, β, γ: časovno odvisna kršitev CP
Velike naprave za majhne delce(slide 8)
Samo KorparUniverza v Mariboru in institut Jožef Stefan
21. december 2011seminar Out-of-the-Box
Meritev časovno odvisne kršitve simetrije CP
mezona B nastaneta v hitro gibajočem se sistemu; zaradi velike hitrosti in podaljšanja življenjskega časa prepotujeta zaznavno pot v laboratorijskem sistemu razliko časa razpada ∆t lahko določimo z merjenjem lege razpadnih verteksov mezona B sta povezana: okus B2 lahko ob času t1 določimo iz razpada B1
elektron8GeV
pozitron3.5GeV
resonancaΥ(4S)
∆t
t1 t2
B0
B0
π−
μ+
označevalnimezon B
l−
K−
J / Ψ
K S
μ−
π+
Velike naprave za majhne delce(slide 9)
Samo KorparUniverza v Mariboru in institut Jožef Stefan
21. december 2011seminar Out-of-the-Box
Opazovanje delcev za opazovanje delcev moramo le te najprej ustvariti (trkalnik) in nato opazujemo njihove razpade (spektrometer) le redki delci živijo dovolj dolgo, da pustijo sledi v detektorjih: nabiti in nevtralni kratkožive delce zaznamo posredno, tako da jih rekonstruiramo preko njihovih razpadnih produktov:
poiščemo delce, ki prihajajo izskupnega verteksa
iz izmerjenih energij in gibalnih količin lahkodoločimo maso delca, ki je razpadel, saj se skupna gibalna količina in energija ohranjata
π−K S π+
Mc2=√(∑i Ei)2−(∑ipi)2c2
Ei2=mi2c4+pi
2c2
e ,μ ,π , K , p γ , KL , n
Velike naprave za majhne delce(slide 10)
Samo KorparUniverza v Mariboru in institut Jožef Stefan
21. december 2011seminar Out-of-the-Box
elektron
... podobno deskanju na valovih
Pospeševanje delcev Pospeševanje z elektromagnetnim valovanjem (tipična frekvenc
~500 MHz – mobilni telefoni delujejo pri 900 MHz, 1800 MHz …)
val poskrbi tudi, da ostane gruča v vzdolžni smeri kompaktna žarek vodimo z dipolnimi magneti za vzdrževanje kompaktnosti v prečni smeri skrbijo multipolni magneti
jako
st e
lekt
rične
ga p
olja
Velike naprave za majhne delce(slide 11)
Samo KorparUniverza v Mariboru in institut Jožef Stefan
21. december 2011seminar Out-of-the-Box
Trkalnik KEKB
izvor e+
Belle detektor
izvor e-
pospeševanje elektronov in pozitronov
Velike naprave za majhne delce(slide 12)
Samo KorparUniverza v Mariboru in institut Jožef Stefan
21. december 2011seminar Out-of-the-Box
Kompleks pospeševalnikov v Tsukubi, Japonska
Velike naprave za majhne delce(slide 13)
Samo KorparUniverza v Mariboru in institut Jožef Stefan
21. december 2011seminar Out-of-the-Box
Spektrometer Belle
pragovni števec Čerenkova(aerogel, n=1.015-1.030)
elektromagnetnikalorimeter(kristali CsI, 16X0)
števec časa preleta (ToF)supraprevodna tuljava
(B=1.5T)
silicijev detektor verteksov(4 plasti mikropasovnih
detektorjev)
detektor µ in K L(14/15 plasti RPC+Fe)
centralna drift komora(majhne celice, He/C2H6)
8 GeV e-
3.5 GeV e+
Velike naprave za majhne delce(slide 14)
Samo KorparUniverza v Mariboru in institut Jožef Stefan
21. december 2011seminar Out-of-the-Box
Velike naprave za majhne delce(slide 15)
Samo KorparUniverza v Mariboru in institut Jožef Stefan
21. december 2011seminar Out-of-the-Box
Eden bistvenih elementov detektorja je detektor verteksa, točke, kjer je mezon B razpadel.
Zelo občutljiv kos aparature iz 300µm debelih silicijevih plošč z gosto nanesenimi elektrodami: natančnost meritve mesta preleta nabitega delca: 10µm !
Detektor verteksov
substrat n
elektrode p+
elektrode n+nabiti delec
vrzeli
elektroni
Velike naprave za majhne delce(slide 16)
Samo KorparUniverza v Mariboru in institut Jožef Stefan
21. december 2011seminar Out-of-the-Box
meritev točke preleta nabitega delca – sledenje delcu v magnetnem polju, kjer iz ukrivljenosti določimo gibalno količino
meritev specifične ionizacije (= velikost signala) – identifikacija nabitih delcev
Potovalna komora katodaplin
anoda
Velike naprave za majhne delce(slide 17)
Samo KorparUniverza v Mariboru in institut Jožef Stefan
21. december 2011seminar Out-of-the-Box
pioni, kaoni in protoni: - števec časa preleta- meritev specifične ionizacije- pragovni števec Čerenkova
elektroni:- elektromagnetni kalorimeter
mioni:- mionske komore (KLM)
KL:- mionske komore (KLM)
visokoenergijski žarki γ:- elektromagnetni kalorimeter
Identifikacija delcev
delec identificiramo tako, da mu določimo maso →ob gibalni količini potrebujemo še energijo ali hitrost
mc2=√E2−p2c2 mc2=pc√ 1β2−1
udarni val
razvoj pljuska
Velike naprave za majhne delce(slide 18)
Samo KorparUniverza v Mariboru in institut Jožef Stefan
21. december 2011seminar Out-of-the-Box
Rekonstrukcija dogodka sledi nabitih delcev v
magnetnem polju (polmer kroga je merilo gibalne količine)
koordinate točke izvora sledi
dodatni podatki o identiteti delca
B0 → KS J/ψKS → π− π+
J/ψ → µ− µ+
Velike naprave za majhne delce(slide 19)
Samo KorparUniverza v Mariboru in institut Jožef Stefan
21. december 2011seminar Out-of-the-Box
Rekonstrukcija J/Ψ in KS Mc2=√(∑i Ei)2−(∑ipi)2c2
Velike naprave za majhne delce(slide 20)
Samo KorparUniverza v Mariboru in institut Jožef Stefan
21. december 2011seminar Out-of-the-Box
Identifikacija razpada B0
MBC=1c2 √Ebeam
2 −( pJ /Ψ+ pKS)2c2
B0→ J /Ψ K S
Velike naprave za majhne delce(slide 21)
Samo KorparUniverza v Mariboru in institut Jožef Stefan
21. december 2011seminar Out-of-the-Box
B0 tag_B0_B
0
Izmerjena asimetrijaB0→ J /Ψ K S
a f=S sin(Δmt )+Acos(Δmt )
S=sin 2β=0,668±0,023(stat.)±0,013(sist.)A=0,007±0,016(stat.)±0,013(sist.)
2001: odkritje →2011: precizijska meritev!
Velike naprave za majhne delce(slide 22)
Samo KorparUniverza v Mariboru in institut Jožef Stefan
21. december 2011seminar Out-of-the-Box
Unitarni trikotnik 2011
Velike naprave za majhne delce(slide 23)
Samo KorparUniverza v Mariboru in institut Jožef Stefan
21. december 2011seminar Out-of-the-Box
ATLAS Experiment © 2011 CERN
Masa osnovnih delcev – Higgsov bozon Higgsov mehanizem 'priskrbi' delcem maso v okviru standardnega modela predvideva obstoj Higgsovega bozona, ki še vedno čaka na eksperimentalno potrditev iščeta ga eksperimenta ATLAS in CMS ob trkalniku LHC v CERNu
H→γ γH→ZZ→l+l−l+l−H→W W→l+ νl−ν
eksperimentalno najbolj zanimivi procesi
Velike naprave za majhne delce(slide 24)
Samo KorparUniverza v Mariboru in institut Jožef Stefan
21. december 2011seminar Out-of-the-Box
možak..tukaj…
Spektrometer ATLAS ob LHC
Velike naprave za majhne delce(slide 25)
Samo KorparUniverza v Mariboru in institut Jožef Stefan
21. december 2011seminar Out-of-the-Box
ATLAS Experiment © 2011 CERN
Higgsov bozon? rezultat iskanja pri eksperimentu ATLAS s podatki leta 2011 kažejo presežek dogodkov okoli mase 125 GeV/c2. presežek na istem mestu so opazili tudi pri eksperimentu CMS dokončno potrditev lahko pričakujemo naslednje leto
sliki dveh dogodkov z kandidatom razpada bozona Higgs:
H→ZZ→e+e−μ+μ−
H→ZZ→μ+μ−μ+μ−
ATLAS Experiment © 2011 CERN ATLAS Experiment © 2011 CERN
Velike naprave za majhne delce(slide 26)
Samo KorparUniverza v Mariboru in institut Jožef Stefan
21. december 2011seminar Out-of-the-Box
A smo že na cilju?
Standardni model dobro opiše pojave v fiziki osnovnih delcev pri dosegljivih energijah, a še ni dokončna slika: ne vključuje gravitacije! ne opiše zadostno prevlade materije nad antimaterijo!
obstoj kršitve simetrije CP je le eden izmed treh pogojev Saharova, ki so potrebni za prevlado materije
trenutno izmerjena kršitev je za ~10 redov velikosti prešibka za opis količine materije, ki je ostala po velikem poku
kaj je temna snov?
snov
~ nič anti-snovi?
temna energija?? temna snov?
Vesolje
Velike naprave za majhne delce(slide 27)
Samo KorparUniverza v Mariboru in institut Jožef Stefan
21. december 2011seminar Out-of-the-Box
Iskanje 'nove' fizikePrimerjava direktnega in posrednega opazovanja:
direktno opazovanje (LHC)
posredno opazovanje (Super KEKB)
Velike naprave za majhne delce(slide 28)
Samo KorparUniverza v Mariboru in institut Jožef Stefan
21. december 2011seminar Out-of-the-Box
razpadi lahko potekajo preko dveh procesov, ki sta približno enako močna in med seboj interferirata, kar omogoča znatno kršitev CP:
direktna kršitev simetrije CP pomeni razliko razpadnih verjetnosti za delec in antidelec:
merilo razlike je asimetrija:
N B0K− ≠ N B0K−
Direktna kršitev simetrije CP pri razpadih B→K π
AK±∓ ≡N B0K−−N B0K−N B0K−N B0K−
drevesni diagram (barvno dovoljen) pingvinski diagram (močni)
BK
Velike naprave za majhne delce(slide 29)
Samo KorparUniverza v Mariboru in institut Jožef Stefan
21. december 2011seminar Out-of-the-Box
Izmerjena asimetrija pri BK mezone B prepoznamo po njihovi invariantni masi
izmerjeni asimetriji sta:
M BC=√Ebeam2 −(∑
ipi)
2
N B0K− N B0K−
N(B−→K−π0) > N(B+→K+π0)
AK±∓ = −0.094±0.018stat±0.008 sist AK±0 = 0.07±0.03stat±0.01sist
Velike naprave za majhne delce(slide 30)
Samo KorparUniverza v Mariboru in institut Jožef Stefan
21. december 2011seminar Out-of-the-Box
Ali izmerjena razlika kaže na odstopanja od SM?
razlika med razpadom nevtralnega in nabitega mezona B je le v zamenjavi kvarka u s kvarkom d (kvark ne sodelujeta direktno v procesu). Zato bi pričakovali enako asimetrijo pri obeh
A = AK±0−AK±∓ = 0
drevesni diagram (barvno dovoljen) pingvinski diagram (močni)
Velike naprave za majhne delce(slide 31)
Samo KorparUniverza v Mariboru in institut Jožef Stefan
21. december 2011seminar Out-of-the-Box
Ali izmerjena razlika kaže na odstopanja od SM? Izmerjena razlika je
Znatna razlika kaže na dodatni proces pri razpadu: prispevek barvno zatrtega drevesnega diagrama?
prispevek elektrošibkega pingvina?
A = AK±0−AK±∓ = 0.164±0.037 @4.4
Velikost obeh prispevkov se v okviru Standardnega modela zdi premajhna za opis nastale razlike.
Pri pingvinskem diagramu lahko dodatno razliko prinesejo morebitni novi delci,ki nastopajo v zanki.
→ Nature 452(2008)332
Velike naprave za majhne delce(slide 32)
Samo KorparUniverza v Mariboru in institut Jožef Stefan
21. december 2011seminar Out-of-the-Box
Potreba po večjem vzorcu -> Super KEKB in Belle II Čeprav nekatere dosedanje meritve nakazujejo možna odstopanja od Standardnega modela, so potrebne natančnejše meritve, da bi opažena odstopanja tudi potrdili. Rezultati so trenutno omejeni z velikostjo vzorca, saj gre za opazovanje redkih razpadov Večji vzorec bo omogočal tudi preverjanje napovedi novih modelov o kršitvah leptonskega števila, kjer so naše meritve trenutno še premalo občutljive.
Izboljšati je potrebna tako pospeševalnik, za povečanje luminoznosti (→ za povečanje števila izmerjenih razpadov), kot tudi spektrometer, za povečanje učinkovitosti rekonstrukcije in prilagoditev detektorjev večjim pogostostim dogodkov.
Sredi novembra smo imeli v Tsukubi svečano otvoritev nove mednarodne raziskovalne skupine, ki bo izboljšala pospeševalnik KEKB (→ Super-KEKB) in spektrometer Belle (→ Belle II).
Velike naprave za majhne delce(slide 33)
Samo KorparUniverza v Mariboru in institut Jožef Stefan
21. december 2011seminar Out-of-the-Box
Trkalnik Super KEKB
e- 2.6 A
e+ 3.6 A
Izvor pozitronov
Belle II
Nov IR
Sprememba RF sistema za višje tokove žarkov
Nov izvor pozitronov
Cilj je 40x večja pogostost interakcij
zamenjava in prerazporeditev nekaterih dipolov
nova žarkovna cev
nova žarkovna cev
nano žarektrk gruč
izvor elektronov z nizko emitanco
izvor pozitronov z nizko emitanco
obroč za dušenje
Velike naprave za majhne delce(slide 34)
Samo KorparUniverza v Mariboru in institut Jožef Stefan
21. december 2011seminar Out-of-the-Box
Spektrometer Belle II
elektroni (7GeV)
pozitroni (4GeV)
EM kalorimeter:CsI(Tl)+čisti CsIvzorčenje signala
Detektor KL in mionov:števec iz uporovnih ploščscintilator+WLSF+MPPC
Identifikacija delcev:detektor časa propagacijedetektor obročev Čerenkova
Berilijeva žarkovna cevpremer 2 cm
Detektor verteksov2 sloja DEPFET + 4 sloji DSSD
Centralna potovalna komoraHe(50%):C2H6(50%), male celice,dolga ročica, hitra elektronika
Določanje točke interakcije z visoko natančnostjo
Las – debelina 100 mikronov
Berilijeva žarkovna cevpremer 2 cm
Detektor verteksov2 sloja DEPFET + 4 sloji DSSD
Sledenje nabitih delcev v magnetnem polju – merjenje gibalne količine
Centralna potovalna komoraHe(50%):C2H6(50%), male celice,dolga ročica, hitra elektronika
Uporaba sevanja Čerenkova: svetloba, ki jo izseva delec pri gibanju hitreje od hitrosti svetlobe v snovi – podobno udarnemu valu, ki nastane pri nadzvočnem letalu!
Radiator Photon detector
Cherenkov photon
Identifikacija delcev:detektor časa propagacijedetektor obročev Čerenkova
Aerogel
Hamamatsu HAPDQ.E. ~30% (recent good ones)
Test Beam setup
Belle II DetectorDetektor elektronov in visoko energijskih žarkov gama, ki sprožijo pljusk v težkem kristalu
EM kalorimeter:CsI(Tl)+čisti CsIvzorčenje signala
Belle II Detector
Ω
hv
Ubias
DepletionRegion2 µm Substrate
Zazna mione - delce, ki lahko prebijejo 1m železa - in dolgožive kaone
Detektor KL in mionov:števec iz uporovnih ploščscintilator+WLSF+MPPC
Velike naprave za majhne delce(slide 40)
Samo KorparUniverza v Mariboru in institut Jožef Stefan
21. december 2011seminar Out-of-the-Box
Uporabnost rezultatov raziskavDilema o uporabnosti temeljnih raziskav je stara: Michael Faraday (angleški fizik, 1791-1867): odkril indukcijo –
prava temeljna raziskava v njegovem času (danes pa si brez nje ne moremo predstavljati življenja: električni generatorji, radio, televizija, mobilni telefoni ...).
Ko ga je finančni minister vprašal, zakaj so njegove raziskave koristne, je odgovoril:
“Ne vem, zakaj so koristne, prepričan pa sem, da bo vaš naslednik od tega pobiral davke.”
Pri eksperimentalni fiziki osnovnih delcev je veliko posrednih koristi, saj se orodja in aparature, ki jih razvijemo za raziskave lahko uporabijo na različnih področjih:
informacijske tehnologije – WWW, GRID zdravljenje z obsevanjem – hadronska terapija preiskovanje materialov z radioaktivnimi izvori slikanja na področju medicinske diagnostike ...
Velike naprave za majhne delce(slide 41)
Samo KorparUniverza v Mariboru in institut Jožef Stefan
21. december 2011seminar Out-of-the-Box
Anihilacija
Zajemanje koincidenčnih dogodkov
Pozitronska tomografija prva aparatura za PET je bila razvita v CERNu meritev spominja na poskus v fiziki osnovnih delcev in aparatura je majhen detektor
anihilacij in nastanek žarkov gama detekcija dogodkov – koincidenc rekonstrukcija slike
http://www.wikidoc.org/index.php/File:PET-MIPS-anim.gif
Velike naprave za majhne delce(slide 42)
Samo KorparUniverza v Mariboru in institut Jožef Stefan
21. december 2011seminar Out-of-the-Box
Možne izboljšave PET lastnosti novih svetlobnih senzorjev razvitih za nove detektorje delcev lahko izboljšajo slikanje s PET
delovanje v magnetnem polju → kombinacija NMR+PET časovna ločljivost → TOF PET
PET
MRI
PET
TOF PET s svetlobo Čerenkova – takojšnje izsevanje fotonov izboljša časovno ločljivost
Velike naprave za majhne delce(slide 43)
Samo KorparUniverza v Mariboru in institut Jožef Stefan
21. december 2011seminar Out-of-the-Box
Povzetek rezultati meritev na pospeševalnikih se zelo dobro ujemanje z napovedmi standardnega modela – teorije, ki opiše osnovne delce in njihove interakcije
model še ni dokončen odgovor, saj ne vključuje gravitacije in ne pojasni nekaterih opazovanj iz kozmologije (prevlada materije nad anti materijo, kaj je temna snov)
odgovore iščemo v odstopanju nekaterih meritev od napovedi, ki bi lahko bile povezane s fiziko izven standardnega modela natančnost meritev je trenutno omejena s številom izmerjenih dogodkov → izboljšanje trkalnika in spektrometra → večji vzorec
v okviru razvoja novih detektorjev za identifikacijo se razvijajo novi svetlobni senzorji, ki opirajo nove možnosti za aplikacije v medicinski fiziki in slikanju z radioaktivnimi izvori