Transcript LHC* co widzimy po dwóch latach zbierania danych?

LHC–
pierwsze 3 lata
Agnieszka Obłąkowska-Mucha
AGH, Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej,
Katedra Oddziaływań i Detekcji Cząstek
Noc Naukowców 27.09.2013
1
Dlaczego lubimy fizykę?
FIZYKA
nauka wyjaśniająca, z czego zbudowana otaczająca nas materia, wyrażająca
za pomocą matematycznych zależności sposób funkcjonowania Wszechświata
p + p → ²H + e+ + 𝜈e 1,44 MeV
²H + p → ³He + 𝛾 5,494 MeV
³He + ³He → 4He + 2p + 𝛾 12,860 MeV
Fizyka Wysokich Energii = Fizyka Cząstek Elementarnych
gałąź fizyki opisująca najmniejsze składniki materii i zależności pomiędzy nimi,
wyjaśniająca najwcześniejsze chwile istnienia Wszechświata
Laboratorium FWE
akcelerator naładowanych cząstek (protonów, elektronów)
detektory
Noc Naukowców 27.09.2013
2
Przyrządy optyczne
Materia
składa się atomów, atom budują elektrony i jądro, w jądrze są protony i
neutrony, które składają się z KWARKÓW.
tylko…
…. jak to można zobaczyć?
1cm=10-2 m
10-8 m
10-10 m
10-15 m
?
Mikroskop
reakcje jądrowe
tunelowy- fala o
mniejszej
Przedmioty widzimy ponieważ
długości
rejestrujemy światło, które się od
nich odbija.
oko i mikroskop
Ale jest to możliwe tylko wtedy,
-6
-8
– światło widzialne o długości 10 - 10 m.
gdy rozmiar przedmiotu jest
podobny do długości fali światła
Noc Naukowców 27.09.2013
3
Fale materii
Skąd zatem wziąć światło o długości 10-15 m (pm)?
Pomysł powstał w latach 30. XX wieku (lata A.Einstaina,
M.Planca, M.Skłodowskiej).
L.de Broiglie pokazał, że z poruszającą się cząstką
materii możemy związać falę.
ℎ
Jej długość wynosi: 𝜆 = (h-stała Planca, p=mv (pęd).
𝑝
Dla człowieka o masie 50 kg biegnącego z prędkością 10
km/h, długość fali materii wynosi 4.77·10-36 m.
Ale dla elektronu o prędkości prawie równej prędkości
światła, jest liczba rzędu 10-15m!
Fala materii stowarzyszona
z rozpędzonym elektronem
może „oświetlić” wnętrze
protonu – widoczne są co
najmniej trzy kwarki!
proton
Noc Naukowców 27.09.2013
4
Rozbić to w drzazgi!
Drugi sposób sprawdzenia, z czego zbudowany jest przedmiot, polega na…
… rozbiciu go na drobne kawałki!
Tylko czasem trudno odtworzyć
pierwotny kształt i znaleźć zasady
działania!
W obydwu metodatch mieliśmy do
czynienia z rozpędzaniem materii
do jak największych prędkości.
???
W FWE mówimy raczej o
najwyższych energiach, bo w
naszej skali wszystkie cząstki
poruszają się z 0.99999999 c.
Noc Naukowców 27.09.2013
5
Wysokie energie- powód III
Obecnie przyjmuje się, że Wszechświat powstał w spektakularnym akcie Wielkiego
Wybuchu.
Cała nasza historia zaczęła się, gdy bardzo wielka i bardzo gęsta energia zaczęła
zamieniać się w materię.
Wszechświat powstał prawie 14 mld temu z osobliwie gęstego i
gorącego (1032 K) 10-wymiarowego obiektu, w którym istniała pełna
symetria i jedno oddziaływanie,
Inflacja – gwałtowny wzrost objętości Wszechświata (1078 krotne) i
stygnięcie.
Faza gorącego Wszechświata – stan równowagi pomiędzy
cząstkami, antycząstkami i fotonami (tyle samo cząstek znika, co
jest produkowanych).
Po 10-34 s zaczynają różnicować się oddziaływania. Większość par
już tylko anihiluje (mała energia).
Po 10-7 s pozostała niewielka nadwyżka protonów i neutronów.
Bariogeneza – proces, w którym powstały nukleony.
Problem – jaki proces spowodował, że z początkowo idealnie symetrycznego stanu
Wszechświata powstał układ złożony tylko z cząstek? Brak antymaterii!!!
Noc Naukowców 27.09.2013
6
Noc Naukowców 27.09.2013
7
Akceleratory
Przekonaliśmy się już, że do wyjaśnienia zarówno z czego składa się materia
oraz jak powstał Wszechświat nieodzowne jest przyspieszanie cząstek.
Do przyspieszania nadają się obiekty naładowane
elektrycznie, czyli elektrony, protony, jony lub miony (na
fotony i neutrony również są metody, ale tu o nich nie
będzie).
Metoda jest prosta: np. elektron przechodząc od
ujemnego bieguna baterii, do dodatniego, ulega
przyspieszeniu o wartość energii = eU.
Jak ustawimy takich baterii kilka (lub kilkaset), dodamy
mu energii o znacznej wartości.
●
→
●
●
Noc Naukowców 27.09.2013
●→
Przechodząc
przez akceleratory
elektron zwiększa
prędkość, ale
również… masę
8
Akceleratory kołowe
Znacznie oszczędniej będzie, jeśli
zamiast budowania kolejnych stacji
„baterii” zmusimy cząstkę, aby zawróciła i
przeszła ponownie przez te same
elementy przyspieszające (D).
Do zakrzywienia toru naładowanej
elektrycznie cząstki służą magnesy (B).
Zbudowaliśmy w ten sposób akceleratory
kołowe.
A jeszcze lepiej, gdy wykorzystamy
te same elementy do
przyspieszania jednocześnie
cząstek i antycząstek (elektronów i
pozytonów, protonów i
antyprotonów).
Noc Naukowców 27.09.2013
9
Zderzamy!
Po rozpędzeniu cząstek do wymaganych energii – zderzamy je!
W „centrum” mamy podwojoną energię
wiązek.
Baaaardzo ogromne gęstości energii!
elektrony są cząstkami
punktowymi, zderzają
się jak piłki
rys:L.Gorlich.
Naszym następnym zadaniem jest
złapanie wszystkich powstałych
fragmentów i odtworzenie, co stało się
podczas zderzenia
p
p
protony składają się z
kwarków, zderzają się jak
„worki z piaskiem”
Wystarczy teraz pokazać, że wśród
zarejestrowanych cząstek są te
najbardziej poszukiwane.
Noc Naukowców 27.09.2013
10
Produkcja nowych cząstek
Zasada zachowania masy:
W stanie końcowym są dokładnie takie same cząsteczki, co na początku
(chociaż inaczej związane)
Nowe reguły:
Zamiana energii w materię: przy zderzeniu protonów o bardzo dużej energii
powstają cząsteczki o masie większej niż masa początkowych protonów
p
p
p
+
𝛄
p
μ+
μ-
E=mc2
p
Noc Naukowców 27.09.2013
p
W+
b
W-
H0
u
d
p
c
p
11
LHC- Wielki Zderzacz Hadronów
Zespół akceleratorów
protonów, zbudowany pod
Genewą, w ośrodku CERN
Największy pierścień ma
27 km obwodu, urządzenia
zbudowane są w tunelu, na
głębokości do 100 metrów.
Noc Naukowców 27.09.2013
12
LHC- krótka historia
1980 – pomysł budowy akceleratora protonów. W tym czasie budowany był tunel
pod akcelerator elektron-pozyton (LEP)
1994- Rada CERNu zatwierdziła projekt,
1998 – prace budowlane (5 lat)
1998 – prototyp nadprzewodzącego magnesu dipolowego (8 T)
2006-08 ukończona budowa 4 detektorów i LHC
18 września 2008 pierwsze wiązki
protonów w LHC
Noc Naukowców 27.09.2013
13
LHC działa!
19 września 2008 – przy podnoszeniu energii
do 5 TeV – awaria jednego z połączeń
elektrycznych – wybuch i wyciek helu z systemu
chłodzenia, zniszczone ok. 40 magnesów,
20 października 2009 – LHC przyspiesza
protony do 3.5 TeV,
28 września 2012 – LHC działa, energia wiązek
– 4 TeV, najwyższe energie osiagane w
ziemskich laboratoriach.
2013-15 wymiana części elementów
LHC (upgrade) konieczna do dalszego
podnoszenia energii
2015-21 energia protonów - 14 TeV
2023-30 – zwiększenie gęstości
cząstek (świetlności),
>2035 energia > 30 TeV
Noc Naukowców 27.09.2013
14
14 luty 2013
LHC zostało zamkniete. Pierwszy okres zbierania danych (Run I) zakończył się,
Przystapiono do modernizacji akceleratora.
Planowanie uruchomienie – wiosna 2015
Noc Naukowców 27.09.2013
15
Magnesy LHC
Do zakrzywienia toru protonów konieczne jest pole magnetyczne. Im większy
pęd, tym pola musi być większe.
Pole magnetyczne wytwarzane jest przez prąd – żeby utrzymać 4 TeV-owe
protony na orbicie indukcja pola musi być ponad 8 Tesli, a natężenie prądu ponad
10 000 Amperów!
NADPRZEWODZĄCE cewki magnesu
Noc Naukowców 27.09.2013
16
LHC same naj…
♦ Największy akcelerator kiedykolwiek
zbudowany.
♦ Największe laboratorium na świecie.
♦ Największe i najbardziej skomplikowane
detektory.
♦ Komputery o największych mocach
obliczenowych.
♦ Najzimniejsze miejsce w przestrzeni
kosmicznej (cewki nadprzewodzące
chłodzone są nadciekłym helem o temp 271.3°C (1.9K) – 270 000 km włókiem)
♦ Najcieplejszy punkt Wszechświata – przy
zderzeniu temp 100 000 razy niż Słońca
LHC nominalnie ma zderzać wiązki
protonów o energii 7 TeV, poruszjące
♦ Najniższa próżnia w Układzie Słonecznym się w dwóch kierunkach i zderzane w 4
miejscach otoczonych systemami
10-13 atm,
detektorów.
♦ Najwięcej zderzeń - 600 000 na sekundę
Koszt LHC: 3 mld Euro
Noc Naukowców 27.09.2013
17
Detektory
Następnym zadaniem jest rejestracja powstałych w zderzeniu cząstek.
W wyniku zderzeń wysokoenergetycznych protonów powstaje
kilka tysięcy cząstek wtórnych – naładowanych (pionów,
kaonów, protonów, elektronów, mionów) oraz neutralnych
(fotonów, neutronów, neutrin).
Ich detekcja jest możliwa dzięki rejestracji depozytów energii
straconej przy przejściu cząstek przez materiał czynny
detektora.
Energia ta jest następnie zamieniana na sygnały elektryczne
przetwarzane dalej przez oprogramowanie.
Najciekawsze przypadki są zapisywane do dalszej obróbki.
Fizycy zajmują się opracowaniem
kryterów wyboru przypadków, które
zostały przewidziane przez nową teorię
lub które podważają obecnie istniejące
poglądy.
Noc Naukowców 27.09.2013
18
Detektory
Noc Naukowców 27.09.2013
19
Detektory
p
p
Noc Naukowców 27.09.2013
20
Noc Naukowców 27.09.2013
21
Noc Naukowców 27.09.2013
22
Noc Naukowców 27.09.2013
23
Noc Naukowców 27.09.2013
24
Noc Naukowców 27.09.2013
25
Noc Naukowców 27.09.2013
26
Odkrycia na LHC
Przypomnijmy jakie mieliśmy zadania:
1. Zbadać najmniejsze składniki materii (Model Standardowy).
2. Odkryć brakujące cząstki (z MS).
3. Poszukać śladów Nowej Fizyki (zaprzeczającej MS).
4. Wyjaśnić pochodzenie Wszechświata (w ramach lub poza MS).
Sukces jest połowiczny - obecnie doświadczenia potwierdzają
postulaty MS:
znamy najmniejsze składniki i potrafimy wyjaśnić dlaczego tworzą
one materię.
BRAK jest jakichkolwiek dowodów potwierdzających istnienie Fizyki
Poza Modelem Standardowym (BSM).
Noc Naukowców 27.09.2013
27
Model Standardowy
Zawiera naszą wiedzę budowaną od lat 30-tych o „cegiełkach” materii i
łączących ich spoiwach.
Przez dwa sezony zbierania danych, fizycy z LHC potwierdzili postulaty MS,
wyznaczyli jego parametry z wyższą precyzją i nałożyli nowe ograniczenia.
Najlżejsze leptony
(elektron, neutrino) i kwarki u, d
tworzą ziemską materię
Trochę cięższe leptony
(miony) i kwarki s
przylatują z kosmosu
Najcięższe leptony
(tau) i kwarki c,b, t,
powstały podczas Wielkiego
Wybuchu (i się rozpadły)
Noc Naukowców 27.09.2013
28
Hadrony
Leptony są najmniejszymi składnikami i można bezpośrednio
obserwować.
Kwarki są zawsze związane w PARACH lub TRÓJKACH.
HADRONY
to stany związane pary kwark-antykwark lub trzech kwarków
Noc Naukowców 27.09.2013
29
Oddziaływania
Cztery typy odddziaływań (potocznie opisywane przez siły):
- grawitacyjne,
- elektromagnetyczne,
- silne (jądrowe)
- słabe (np. produkcja energii na Słońcu)
Przenoszenie oddziaływań przez bozony można porównać do wymiany piłkiobiekt A rzuca – B łapie (lub odwrotnie). Za każdym razem doznają one
odrzutu – zmienia się ich pęd.
Wyobraźmy sobie, że nie widzimy rzucanej piłki,
ale obserwujemy oddziaływanie pomiędzy A i B – i
już jasne jest co oznacza „oddziaływanie między
elektronem i protonem zachodzi poprzez wymianę
fotonu (wirtualnego)”
Noc Naukowców 27.09.2013
30
Spoiwa
Wszyskie oddziaływania przenoszone są przez BOZONY pośredniczące
Wszyskie odkryte z wyjątkiem bozonu
Higssa
H0
Noc Naukowców 27.09.2013
31
Bozon Higgsa
Jego istnienie zostało przewidziane przez teorię oddziaływań elektrosłabych.
Poszukiwania trwały od lat 80-tych, a program fizyczny LHC został dostosowany na
potrzeby tego odkrycia.
Dlaczego istnienie bozonu Higgsa jest takie ważne?
Dobra teoria powinna spełniać dwa podstawowe warunki:
- opisywać rzeczywistość,
- przewidywać nowe zjawiska (które zostają potem
odkryte).
Teoria elektrosłaba wyjaśnia istnienie trzech pokoleń
leptonów i kwarków oraz oddziaływanie poprzez wymianę
bozonów, ale nie potrafi wyznaczyć masy cząstek.
Peter Higgs
Pomysł Petera Higgsa (1964) – próżnia
wypełniona jest bozonami jak wpadnie w nią np. elektron, to próbując
przeciskać się przez gęsty tłum, nabierze masy.
Pole wokół niego się zagęściło i coraz trudniej
jest się mu poruszać.
Zamieńmy teraz elektron, na Bardzo Znaną
Celebrytkę….
Noc Naukowców 27.09.2013
32
Mechanizm Higgsa
… nawet wtedy, gdy jedynie dowiemy się, że będzie ona przechodzić, powstanie
plotka, wokół której również będą gromadzić się tłumy.
W ten sposób pole pokazało nam swoją gęstość – zobaczyliśmy cząstkę Higgsa.
Poszukajmy zatem bozonu Higgsa wśród produktów zderzeń na LHC.
Noc Naukowców 27.09.2013
33
Rozpady bozonu Higgsa
Bozon Higgsa może rozpaść się na kilkanaście sposobów, w zależności od swojej
masy (której nie znamy).
Poszukiwaliśmy go zatem w rozpadach, które można łatwo zidentyfikować:
𝐻 → 𝛾𝛾
𝐻 → 4 𝑙𝑒𝑝𝑡𝑜𝑛𝑦
(𝑒𝑙𝑒𝑘𝑡𝑟𝑜𝑛𝑦, 𝑚𝑖𝑜𝑛𝑦)
Noc Naukowców 27.09.2013
34
Rozpady bozonu Higgsa
Bozon Higgsa może rozpaść się na kilkanaście sposobów, w zależności od swojej
masy (której nie znamy).
Poszukiwaliśmy go zatem w rozpadach, które można łatwo zidentyfikować:
𝐻 → 𝛾𝛾
𝐻 → 4 𝑙𝑒𝑝𝑡𝑜𝑛𝑦
(𝑒𝑙𝑒𝑘𝑡𝑟𝑜𝑛𝑦, 𝑚𝑖𝑜𝑛𝑦)
Noc Naukowców 27.09.2013
35
Rozpady bozonu Higgsa
Bozon Higgsa może rozpaść się na kilkanaście sposobów, w zależności od swojej
masy (której nie znamy).
Poszukiwaliśmy go zatem w rozpadach, które można łatwo zidentyfikować:
𝐻 → 𝛾𝛾
𝐻 → 4 𝑙𝑒𝑝𝑡𝑜𝑛𝑦
(𝑒𝑙𝑒𝑘𝑡𝑟𝑜𝑛𝑦, 𝑚𝑖𝑜𝑛𝑦)
Noc Naukowców 27.09.2013
36
Odkrycie?
Fizycy są bardzo ostożni. Przeprowadzono bardzo
drobiazgową analizę, setki naukowców sprawdza
analizę. Opublikowano wynik.
Jego interpretacja – odkryliśmy stan, pasujący na przewidziany
przez Model Standardowy bozon Higgsa (nazywamy go „Higgslike particle”) .
Następne dane i analizy pozwolą na zbadanie jego własności.
Analiza danych zebranych na LHC obejmuje dziesiątki innych tematów –
np. próba wyjaśnienia braku antymaterii (LHCb), fizyka kwarka t, czy
zderzenia ciężkich jąder.
Noc Naukowców 27.09.2013
37
Dominacja materii czy antymaterii?
𝐵0 → 𝐾 − 𝜋 +
𝐵0 → 𝐾 + 𝜋 −
Noc Naukowców 27.09.2013
38
Społeczność CERNu
CERN jest również ośrodkiem edukacyjnym – organizuje szkoły, kursy,
szkolenia. Gromadzi społecznośc międzynarodową, umożliwia transfer wiedzy i
technologii.
Budowa i praca przy akceleratorach,
zbieraniu danych przyczyniła się do
znaczącego postępu w wilelu
dziedzinach, głównie związanych z
elektroniką i informatyką.
Noc Naukowców 27.09.2013
39
Polacy w CERNie
W CERNie pracuje ok. 260 Polaków, z czego 90 osób zatrudnionych jest na
etatach.
Na stażach dyplomowych przebywa 47 osób, a każdego roku latem, 3-4
studentów (fizyki, informatyki, elektroniki) uczestniczy w programach
Summer Students.
Ponad 30 osób z WFiIS pracowało przy budowie LHC.
Zajmowali się oni systemami chłodzenia magnesów, połączeniami
elektrycznymi, zasilaczami, wnieśli mnóstwo nowatorskich idei.
Obecnie 30 fizyków i elektroników z Katedry Oddziaływań i Detekcji Cząstek
pracuje przy projekcie, budowie i modernizacji oraz analizie danych
doświadczalnych zebranych przez dwa detektory: ATLAS i LHCb.
Wynikiem tej pracy są liczne publikacje, doktoraty, prace magisterskie i
inżynierskie.
Noc Naukowców 27.09.2013
40
Dziękuję za uwagę!
Zapraszam do dyskusji…
Noc Naukowców 27.09.2013
41