Transcript PDF, 11,5MB ke stažení

Cesta do mikrosvěta
aneb
jak člověk poznával a poznává strukturu hmoty
“Tento velký detektivní příběh dosud není vyřešen. Nemůžeme si být jisti, zda vůbec má konečné
řešení. Četba nám již poskytla mnoho: naučila nás základům řeči přírody; umožnila nám
porozumět mnohým z klíčů a byla často zdrojem radosti a povzbuzení v namáhavém a
strastiplném pokroku vědy”
A. Einstein, L. Infeld: “Fyzika jako dobrodružství poznání”
Vladimír Wagner
Ústav jaderné fyziky AVČR, 250 68 Řež, E_mail: [email protected], WWW: hp.ujf.cas.cz/~wagner/
1. Úvod
2. Co je mikrosvět a jak do něj
nahlédnout?
3. Urychlovače a experimenty na nich
3.1 Když to začalo
3.2 Jak urychlovače vypadají a fungují
3.3 Co nám řeknou?
3.4 Jak chytat a měřit částice
2.1 O platnosti teorie rozhoduje
experiment
2.2 Hierarchická struktura hmoty 4. Urychlovač LHC
2.3 Srážky – hlavní metody studia
4.1 Standardní model
mikrosvěta
4.2 Urychlovač LHC a jeho první
výsledky
5. Závěr
Fyzika mikrosvěta – jaké má metody?
„Jediné, co mě zajímá, je najít soubor pravidel, která by souhlasila s chováním přírody, a nezkoušet jít
příliš daleko za to. Zjistil jsem, že většina filozofických diskusí je psychologicky užitečná, ale nakonec,
když se podíváte zpátky do historie, zjistíte, že to, co bylo kdysi řečeno s takovou pádností, je téměř
vždy -- do jisté míry -- nesmyslné! “
R. Feynman v rozhovoru v knize P. Daviese a J. Browna „Superstrings: A Theory of Everything?“
Věda hledá popis reálného světa
Nalezené zákonitosti umožňují dělat testovatelné předpovědi
Každá vědecká teorie i hypotéza musí být falzifikovatelná - testovatelná
Pravdivost různých interpretací lze řešit jen experimentálním
pozorováním
Úplné pochopení teorie ↔ úplné osvojení fyzikálního i matematického aparátu → spočtení předpovídaných fyzikálních veličin
Richard Feynman
Mikrosvět – neobvyklé vlastnosti popisované kvantovou fyzikou
Přiblížení pomocí analogie – tato zjednodušení je třeba je brát
velmi opatrně
Použití pojmů z makrosvěta na vlastnosti mikrosvěta ↔
pozor opatrně při interpretaci
Karl Popper v Praze
v r. 1994
Složení hmoty
Hmota je složena z částic - mezi nimi působí interakce
Atomová fyzika, fyzikální chemie
Jaderná fyzika
Fyzika elementárních částic
Superstrunové teorie? (rozměr 10-35 m)?
Hustota vody 103 kg/m3
RATOM/RJÁDRO ~ 105 → VATOM/VJÁDRO ~ 1015
Hustota jádra ~1018 kg/m3
Důležité nástroje pro popis mikrosvěta:
1) Speciální teorie relativity - rychlosti blízké rychlosti světla, kinetická
energie srovnatelná s klidovou
2) Kvantová fyzika - velmi malé hodnoty veličin  kvantový a pravděpodobnostní
charakter, Heisenbergův princip neurčitosti
Počátek studia stavby atomu
Diskuze okolo modelu atomu J.J. Thomsona – atom je kladně nabitá koule (3∙10-10m) uvnitř níž
jsou elektrony.
Studium chování záření α při průchodu kovovými foliemi – H. Geiger a E. Marsden pod vedením
E. Rutherforda (1910). Pozorují:
1) Většina částic α letí přímočaře nebo se rozptýlí jen trochu
2) U několika málo pozorují velký odklon a výjimečně i odraz (velmi překvapivé).
Vysvětlení:
atom se skládá ze dvou
rozdílných částí:
atomového jádra (10-14 m)
a elektronového obalu →
jaderný či planetární model atomu.
Rutheford a Marsden u zařízení
Přítomnost protonů (jader vodíku) v atomovém jádře
prokázal E. Rutherford (1919).
W. Bothe a H. Becker (1930) nový pronikavý typ záření
(ostřelování Be, B nebo Li částicemi α).
J. Chadwick (1932) - jsou to neutrální částice s hmotností
blízkou hmotnosti protonu – neutrony
Planetární model atomu:
Větší detaily, energie a teploty, produkce těžších částic
Experimentální pozorování je rozhodujícím kritériem pro uznání platnosti hypotézy a její
přeměnu v teorii
Stěžejní nástroj – srážka urychlených částic
1) Nárůst energie → větší detaily
E = mc2
Zatím největší urychlovače E ~ 100 GeV → 10-18m
2) Produkce částic s vyšší klidovou energií (hmotností)
Klidová hmotnost protonu: ~ 1 GeV
LHC – srážka protonů s energiemi 7000 GeV
Jádra olova (208 nukleonů) na každý 2700 GeV  1 123 200 GeV = 1,8∙10-4 J
3) Dosažení co nejvyšších hustot a teplot
1 eV = 1,602∙10-19J
Celkové energie už přímo makroskopické – pád 0,02 g z výšky 1 m  srážka dvou
menších much nebo větších komárů
Stejná energie
Rozdíl rozměrů 1014
V současné době už se sráželi
Hmotnost 1 g se stejnou rychlostí  51017 J (10 000 hirošimských bomb)
!!! Potřebujeme urychlovač !!!
Potřeba urychlovat částice na vyšší energie –
produkce a hledání nových částic
Existence kosmického záření – jeho doplnění
umělým zdrojem
První urychlovač – E.O. Lawrence v roce 1930
typ – cyklotron
Nobelova cena za fyziku 1939
nyní více než 10 000 urychlovačů různých typů
Princip urychlovače typu cyklotron
zdroj částic
magnetické pole – kruhová dráha částice
elektrické VF pole pro urychlení
Historické stránky Americké fyzikální společnosti (AIP)
http://www.aip.org/history/lawrence/larger-image-page/epa-20.htm
Původní patentový nákres a model
prvního urychlovače
(průměr okolo 11 cm, V = 1800 V)
Současné urychlovače – obrovské množství různých
typů. Od malých produkčních pro medicínu (japonský
R = 1 m) až po giganty v CERNu (R = 4 km)
Z čeho se urychlovač skládá:
Iontový zdroj – produkce nabitých částic
Elektrostatické nebo proměnné elektrické pole – urychlení
částice – urychlovací systém
Magnetické pole – určuje dráhu částice, provádí fokusaci
svazku – magnetické čočky vedou svazek a snaží se co nejvíce
jej zúžit
Zdroj plazmy – elektrický výboj
Vakuový systém – částice se při urychlování musí pohybovat
ve vysokém vakuu – nutný systém vývěv
Chlazení – supravodivé magnety potřebují heliové teploty
Radiační ochrana – zajištění bezpečnosti pomoci stínění
Řídící systém – ovládání, řízení a kontrola práce urychlovače
Kryogenní systém pro LHC
Řídící centrum urychlovače LHC
Urychlovací prvky LHC
Dipólové magnety LHC
V současnosti už tři roky funguje největší urychlovač na světě
Obvod 27 km – slušná linka metra
- čtyři experimenty  čtyři zastávky
 čtyři křížení dvojice rour
Spouštění magnetu do podzemního tunelu
1700 supravodivých magnetů
z nich 1232 největších dipolových
200 teplých magnetů
Tedy 1700 kryogenních propojení.
Tedy 50000 kryogenních svarů
200 000 m2 vícevrstevné izolace
120 tun supravodivého a supratekutého helia
Spojovací část mezi jednotlivými sekcemi
ALICE
CMS
ATLAS
LHCb
Nejen připravit hmotu z počátku vesmíru, ale i si ji prohlédnout
Máme na to detektory – a tu jsou jejich úkoly:
1)
2)
3)
4)
5)
Zachytit co nejvíce částic a určit jejich vlastnosti
Zachytit a určit energii i těch nejenergetičtějších částic
Zachytit dráhu krátce žijících částic nebo dráhy jejich produktů rozpadu
Určit hybnosti částic
Hadronové kalorimetry
Určit náboje částic
Vnitřní dráhové detektory
Elektromagnetické kalorimetry
Velké dráhové komory
(umístěné v magnetickém
poli)
!!! Velký experiment – potřeba hodně lidí !!!
Jeden z posledních snímků ALICE před uzavřením jeskyně před čtyřmi lety
(nejmladší „fyzik“ na obrázku pochází z české ALICE komunity)
Čekání na ALICI – čekali a čekají i čeští fyzikové
Účast našich studentů na instalaci křemíkových driftových
detektorů a jejich elektroniky
První případy srážek dvou jader olova z experimentu ALICE
(místo 10 až 100 částic se ve srážce produkuje až 10 000 částic)
Standardní model
Hmota je tvořena částicemi (fermiony s=1/2), mezi kterými působí interakce,
které jsou zprostředkovány výměnou částic (bosony s=celé číslo)
Tři druhy interakcí:
baryony – tři kvarky
1) Silná - kvantová chromodynamika (působí pouze na
kvarky a z nich složené hadrony – baryony a mezony)
2) Elektromagnetická - kvantová elektrodynamika
3) Slabá - elektroslabá teorie
mezony – kvark a antikvark
barevný
náboj
elektrický
náboj
výměnný charakter
interakcí
Tady je Higgs
+ antičástice
Je spojený s
generací části
tvoří běžnou hmota za normálních podmínek
hmotnosti
Gravitace stojí mimo standardní model – je velmi slabá a v mikrosvětě se neprojevuje
Jak získat nejhustší a nejteplejší hmotu v laboratoři
Proč: Studium hmoty existující ve vesmíru
Pochopení vlastností sil, které v přírodě působí
Jak: Urychlovač – produkce husté a horké hmoty
(možnost prokázal urychlovač BEVALAC)
Experimentální zařízení – studium této hmoty
Dosažená teplota: ~ 2,1×1012 K
Dosažená hustota: ~ 4 ρ0 = 1018 kg/m3
80. léta – začátek studia horké a husté jaderné hmoty
Začátek 21. století – studium extrémně horké hmoty
Budovaný urychlovač LHC
Soustava s neutronovou hvězdou v představách malíře
RHIC a LHC jsou kuchyně pro vaření velmi horké polévky
Jak identifikovat částici detekcí produktů rozpadu?
2
2

    2
  E i     pi  c  m c2
 i 1   i 1 
n
n
 
2
Určit hybnosti a energie produktů rozpadu a z nich spočítat klidovou hmotnost původní částice
Existence nové částice ?higgse? potvrzena !
1) Potvrzen přebytek pro γγ a ZZ rozpady v
oblasti hmotnosti 125 GeV
2) Pravděpodobnosti produkce a rozpadu
odpovídají standardnímu higgsi
3) Jedná se o boson se spinem 0
4) Větší statistika a studium dalších reakcí
potvrdí, zda jde opravdu o standardního higgse
LHCb – studium rozdílu mezi hmotou a antihmotou
Rozpad Bd0 částic a antičástic
Není černá díra jako černá díra
Klasická černá díra
Je ve vesmíru pozorována
Rozměr i hmotnost hvězdná
Mikroskopická černá díra
Zatím jen hypotetický
objekt v exotických
teoriích
Hmotnost atomového
jádra
Rozměr 1000 x menší
než proton
Hned se vypaří
Do atmosféry Země dopadá kosmické
záření ještě s většími energiemi než
mají protony a jádra na LHC
!!! Mikroskopická černá díra
(pokud existuje) je neškodná !!!
Závěr
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Fyzikové vypracovávají teorie, které nám umožňují předpovídat budoucí
děje. Správnost těchto teorií se dá ověřovat jedině experimentem a
srovnáním předpovědí s pozorováním.
Nejběžnějším typem experimentu v jaderné a částicové fyzice jsou srážky
Pro srážky s vysokou energií potřebujeme urychlovače – stále větší a větší
urychlovače
Měří se stejné nebo podobné fyzikální veličiny, které znáte. Jen je k tomu
třeba mít složitější přístroje.
Vidíme stále větší detaily a produkujeme stále těžší částice.
Také horkou a hustou hmotu, jaká byla na počátku vesmíru můžeme dostat
i v laboratoři pomocí srážek těžkých jader urychlených na rychlosti blízké
rychlosti světla.
Nový urychlovač znamená i objev nových částic a potvrzení teorií.
Koncem roku 2009 začal pracovat největší urychlovač na světě LHC, už
třetí rok poskytuje první informace
Účast českých fyziků - příležitost i pro studenty VŠ a tedy i pro Vás