Transcript MC-Oslo2014-IntroPar..

Program
13.04.2015
Eirik Gramstad (UiO)
2
PARTIKKELFYSIKK
Læren om universets minste
byggesteiner
3
Vi skal lære

om partikkelfysikk og
hvordan vi kan forstå
universet basert på helt
fundamentale
byggesteiner
med ny kunnskap om hvordan universet er bygget opp skal
dere gjøre det vi gjør, nemlig analysere data fra kollisjoner
ved LHC og…
 … måle en grunnleggende egenskap blant annet ved
en partikkel vi kaller Z bosonet
 … lære metoder for å lete etter nye og ukjente
partikler

13.04.2015
Eirik Gramstad (UiO)
4
Elementærpartikler

elementærpartikler er
 det enkleste av det enkle, fundamentale
 kan ikke deles opp i mindre deler

hvorfor forske på elementærpartikler?
 vil forstå hvordan universet er bygget opp
 partikkelfysikk er nøkkelen til å finne ut av…
 ... hva universet består av
 ... hvordan alt startet
 ... hvordan alt vil utvikle seg
13.04.2015
Eirik Gramstad (UiO)
5
Å lage et univers

ut ifra universets ulike byggesteiner
prøver vi å forstå hvordan alt henger
sammen
 vi må sette sammen universets biter
på den riktige måten
det vi har til rådighet er
1. materie
 leptoner og kvarker
2. krefter
 elektromagnetisme, svake og sterke
kjernekrefter
 gravitasjon
Kvantefysikken beskriver partiklenes verden
 ble først kjent på begynnelsen av 1900-tallet
 revolusjonerende teori – partikkelverden er ikke som vår vanlige
makroverden!
 partiklene fulgte statistiske lover, hvor utfallet i en eller annen
gitt prosess ikke kunne forutsies eksakt, men kun gjennom
sannsynligheter!
13.04.2015
Eirik Gramstad (UiO)

6
Standardmodellen tar form
partikkelfysikkens periodetabell
Kraftformidlende partikler
13.04.2015
Leptoner
på 1970-tallet begynner en
modell å ta form
 standardmodellen for
partikkelfysikk
 man kunne matematisk
beskrive de forskjellige
elementærpartiklene og
kreftene som virker mellom
dem
Kvarker

Materiepartikler
Eirik Gramstad (UiO)
7
Standardmodellen tar form
partikkelfysikkens periodetabell
Kraftformidlende partikler
13.04.2015
Leptoner

på 1970-tallet begynner en
modell å ta form
 standardmodellen for
partikkelfysikk
 man kunne matematisk
beskrive de forskjellige
elementærpartiklene og
kreftene som virker mellom
dem
materiepartikler
 leptoner – kan kjenne
elektromagnetiske og/eller
svake kjernekrefter`(lepto
gresk for tynn, liten)
 kvarker – kjenner
elektromagnetiske, svake
og sterke kjernekrefter
Kvarker

Materiepartikler
Eirik Gramstad (UiO)
8
Standardmodellen tar form
partikkelfysikkens periodetabell
Kraftformidlende partikler
13.04.2015
Leptoner

på 1970-tallet begynner en
modell å ta form
 standardmodellen for
partikkelfysikk
 man kunne matematisk
beskrive de forskjellige
elementærpartiklene og
kreftene som virker mellom
dem
materiepartikler
 leptoner – kan kjenne
elektromagnetiske og/eller
svake kjernekrefter`(lepto
gresk for tynn, liten)
 kvarker – kjenner
elektromagnetiske, svake
og sterke kjernekrefter
Kvarker

Materiepartikler

krefter og kraftpartikler (bosoner)
 elektromagnetiske: fotonet
 svake kjernekrefter: Z, W+ og W sterke kjernekrefter: gluonet
Eirik Gramstad (UiO)
9
Standardmodellen tar form
partikkelfysikkens periodetabell
Kraftformidlende partikler
13.04.2015
Leptoner

på 1970-tallet begynner en
modell å ta form
 standardmodellen for
partikkelfysikk
 man kunne matematisk
beskrive de forskjellige
elementærpartiklene og
kreftene som virker mellom
dem
materiepartikler
 leptoner – kan kjenne
elektromagnetiske og/eller
svake kjernekrefter`(lepto
gresk for tynn, liten)
 kvarker – kjenner
elektromagnetiske, svake
og sterke kjernekrefter
Kvarker

Materiepartikler

krefter og kraftpartikler (bosoner)
 elektromagnetiske: fotonet
 svake kjernekrefter: Z, W+ og W sterke kjernekrefter: gluonet
Eirik Gramstad (UiO)
10
Materiepartiklene

all vanlig materie består av
 opp (up) og ned (down)
kvarker i tillegg til elektroner
 atomer – og dermed dere er bygget opp av nettopp
dette
 nøytrinoet sørger for at en
type materie kan forvandles
til en annen
13.04.2015
Eirik Gramstad (UiO)
11
Materiepartiklene

all vanlig materie består av
 opp (up) og ned (down)
kvarker i tillegg til elektroner
 atomer – og dermed dere er bygget opp av nettopp
dette
 nøytrinoet sørger for at en
type materie kan forvandles
til en annen
13.04.2015

I tillegg eksisterer tyngre varianter
av kvarkene og leptonene

disse er ustabile (bortsett fra
nøytrinoene) - de går raskt over til en
annen lettere partikkeltype – de
”henfaller”

fantes like etter Big Bang – i dag sees
de bare i kosmisk stråling og i
partikkelkollisjoner
Eirik Gramstad (UiO)
12

kraftpartiklene kan også henfalle
 Z og W± (massive) er ustabile,
fotonet og gluonet (masseløse)
er stabile
 de ustabile kraftpartiklene
henfaller til lettere partikler materiepartikler
masseløse
masseløse
masse ~
100*proton
masse ≈
100*proton
13.04.2015
Eirik Gramstad (UiO)
13
Standardmodellen

standardmodellen gir oss en veldig god forståelse for
hvordan naturen er bygget opp

vi kan stort sett forklare hvordan universet henger
sammen ved hjelp av en håndfull partikler og krefter

men standardmodellen kan ikke være den endelige
teorien
 det er fortsatt en del uløste mysterier
13.04.2015
Eirik Gramstad (UiO)
14
Uløste mysterier





hvorfor kan vi ikke inkludere
gravitasjonskraften i standardmodellen?
hvorfor er gravitasjonen så mye svakere enn
alle de andre kreftene?
hvorfor finnes det mer enn en kraft, og
hvorfor har de forskjellig styrke?
standardmodellen beskriver bare 4 % av
universets bestanddeler
 resten er mørk materie og mørk energi
 hva er dette, og hvorfor har vi ikke
observert det?
hvorfor eksisterer vi i det hele tatt?
 vi vet at partikler og antipartikler annihilerer
 vi antar at det var like mye av begge deler ved Big Bang
 hvorfor er vi blitt til overs?


hvorfor er det slik at noen partikler har masse, og andre ikke?
+ enda flere spørsmål …
13.04.2015
Eirik Gramstad (UiO)
15
Vi må se utover standardmodellen

standardmodellen er ikke feil,
men den er heller ikke komplett

smarte fysikere har kommet med
en rekke ideer til hvordan man
kan utvide standardmodellen

men for å kunne bekrefte nye
teorier må vi utføre
eksperimenter
 dersom teorien forutsier en ny
partikkel må vi bygge
eksperimenter for å observere
de
 nettopp dette er grunnen til
at vi har bygget ATLAS ved LHC
13.04.2015
Eirik Gramstad (UiO)
16
Eksempel på nye teorier
Z’-partikkelen

Z-merket (på engelsk Z prime) er
en hypotetisk partikkel

den dukker opp i en håndfull
(ubekreftede) teorier som
supplerer standardmodellen

oppdages en Z’ kan det være bevis
på at det finnes noe mer enn
standardmodellen der ute i
naturen

Z’ har fått dette navnet fordi
partikkelen ligner på
standardmodellens kjente Z boson,
men er mye tyngre
13.04.2015
Eirik Gramstad (UiO)
17
Hvorfor trenger vi Z´ ?

dersom en partikkel à la
Z’ eksisterer er den et
bevis på et helt ny type
vekselvirkning mellom
partikler, og dermed også
en helt ny type kraft!

men da er verden ganske annerledes enn det vi til nå har trodd
 vi må leve i en 10-dimensjonal verden hvor all materie er bygget opp
av såkalte superstrenger

alle de 4 kreftene vi kjenner : gravitasjon, elektromagnetisme og de
svake og sterke kjernekreftene er forent i én eneste superkraft

…, men ingen Z’ har så langt blitt funnet ved noen partikkeleksperiment
13.04.2015
Eirik Gramstad (UiO)
18
Den siste biten i standardmodellen
Higgs-partikkelen (H)





standardmodellens mekanisme for å gi
masse til elementærpartikler
innebærer at det er ett felt til i
naturen: Higgs-feltet
for å kunne oppdage feltet trenger vi
en partikkel: Higgs-partikkelen (Higgsbosonet)
inntil nylig var ikke denne partikkelen
oppdaget enda
men 4. juli 2012 annonserte de to
store eksperimentene på CERN (CMS
og ATLAS) at de hadde funnet en
partikkel som lignet veldig!
masse : 126 GeV
nå er det endelig bevist at det er Higgs-partikkelen som er oppdaget og
dermed også at Higgs-feltet eksisterer

13.04.2015
Eirik Gramstad (UiO)
19
Dersom vi leter etter nye partikler –
hvordan vet vi at de er nye?

ganske enkelt prinsipp:
 vi må kjenne egenskapene til partiklene vi allerede vet eksisterer
 dersom vi observere en partikkel som ikke passer inn har vi oppdaget
noe nytt!

hvilke egenskaper har partiklene?
 eksempler er:
 masse
 elektrisk ladning

i dag skal dere lære hvordan dere finner både kjente og ukjente partikler
 J/Psi og Upsilon - partikler som henfaller på samme måte som Z
 Z’ - nesten helt identisk som Z (IKKE OPPDAGET ENDA!!)
 Higgs - henfaller på en annen måte, men kan finnes ved samme
teknikk
13.04.2015
Eirik Gramstad (UiO)
20
Observasjon av elementærpartikler


av alle elementærpartiklene er det
bare 3 som kan observeres direkte
 elektronet
 muonet
 fotonet
resten er enten
1. så tunge at de henfaller med en gang og vi rekker ikke å
observere de
2. kan ikke eksistere i naturen alene
 kvarkene – eksisterer i naturen i form av hadroner, (f.eks.
protoner, nøytroner)
 kan observeres
3.
13.04.2015
eller er usynlige for oss
 nøytrinoer
Eirik Gramstad (UiO)
21
Hvordan finne partikler som henfaller?

proton-kollisjonene i LHC kan produsere veldig tunge partikler som f.eks. Z
bosonet, et Higgs boson, eller helt nye, hittil ukjente partikler
 LHC kalles ofte for et ”tidsmikroskop” fordi den bringer oss tilbake til
tilstander som eksisterte rett etter Big Bang.

tunge partikler er en utfordring:
 de henfaller gjerne umiddelbart (de er ustabile)

men ved å kjenne til reglene for henfall – altså hvilke partikler de henfaller til
– kan vi regne oss frem til hva som opprinnelige var der!
 regelboka: standardmodellen (eller andre nye teorier)

detektoren registrerer henfallsproduktene – da har vi det vi trenger!
det er akkurat dette detektivarbeidet dere skal gjøre i dag
 mer etter pausen!

13.04.2015
Eirik Gramstad (UiO)
22
Dere skal i dag bruke ekte data fra LHC og
ATLAS og finne standardmodell-partikler –
og kanskje noe mer?
13.04.2015
Eirik Gramstad (UiO)
23