Transcript Odsek za fiziku PMF-a u Nišu Podružnica Društva fizičara Srbije - Niš Astronomsko društvo “Alfa” iz Niša Ministarstvo nauke Republike Srbije Potera za božijom.

Odsek za fiziku PMF-a u Nišu
Podružnica Društva fizičara Srbije - Niš
Astronomsko društvo “Alfa” iz Niša
Ministarstvo nauke Republike Srbije
Potera za božijom česticom
Dragan S. Popović
Institut za fiziku
Zemun
Niš, 15 maj 2008.
Misterija mase
Materija je sastavljena od molekula;
molekuli od atoma; atomi od elektrona i jezgra;
jezgro od protona i neutrona.
Znamo zašto je jezgro tako malo,
ali ne znamo kojim mehanizmom čestice
stiču svoju masu i zašto imaju baš takvu masu.
Potera za božijom česticom
2
Misterija mase
• Većina ljudi misli da zna šta je masa!
Ali, oni znaju samo deo priče.
• Masa je osnovni koncept u fizici i grubo je povezana sa idejom
koliko je materije sadržana u objektu.
U relativističkoj kinematici postoji više definicija mase
(masa u STR, masa u OTR)
• Isak Njutn je dao najraniju naučnu definiciju mase 1687. godine:
“ The quantity of matter is the measure of the same,
arising from its density and bulk conjointly “ (Principia).
• Ova bazična definicija mase je bila prihvaćena u naučnim krugovima više od 200 godina.
Ali, moderno razumevanje mase je mnogo složenije od Njutnove definicije i objašnjeno je
u Standardnom modelu, teoriji koja sumarizuje naša dosadašnja znanja o svim
elementarnim česticama i njihovim interkacijama.
Potera za božijom česticom
3
Masa u Standardnom modelu
Osnovne čestice materije u Standardnom modelu
čine tri generacije kvarkova i leptona uređene po rastućim
masama. Za razliku od leptona koji postoje kao slobodne
čestice, kvarkovi su uvek vezani u hadrone
(protone i neutrone, na primer).
Sva vidljiva materija koja nas okružuje sastavljena je od
čestica prve generacije: elektrona, koji su elementarne čestice,
protona i neutrona, koji su vezana stanja u i d kvarkova.
Pored čestica materije, Standardni model predviđa postojanje
čestica – prenosiilaca interakcije: fotona (elektromagnetna
interakcija), gluona (jaka interakcija), i teških W i Z bozona
(slaba interakcija).
Za razliku od protona i neutrona stvarno elementarne čestice,
kvarkovi i elektroni, nemaju unutrašnju strukturu i način na
koji one stiču masu je osnovno pitanje na koje Standardni
model treba da odgovori.
Potera za božijom česticom
4
Masa u Standardnom modelu
Mase osnovnih čestica u Standardnom modelu
u kvark
0.003 GeV
c kvark
1.3 GeV
t kvark
175 GeV
foton, γ
0
d kvark
0.006 GeV
s kvark
0.1 GeV
b kvark
4.3 GeV
gluon, g
0
neutrino νe
<1 x 10-8 GeV
neutrino νμ
<0.0002 GeV
neutrino ντ
<0.02 GeV
Z
91.187 GeV
elektron, e
0.000511 GeV
mion, µ
0.106 GeV
tau, τ
1.7771 GeV
W±
80.4 GeV
Pitanja na koja treba da odgovori Standardni model:
Zašto su mase kvarkova tako različite (0.003-175 GeV)?
Zašto su mase leptona tako različite (0.000511-1.7771 GeV)?
Zašto su mase neutrina tako male?
Zašto među česticima koje prenose silu W i Z bozon imaju vrlo veliku masu, a foton i gluon nemaju?
Zašto su čestice materije, kvarkovi i leptoni, uređeni u tri generacije prema rastućim masama?
Potera za božijom česticom
5
Potera za božijom česticom
6
Kratko podsećanje
VII Solvejevski kongres Fizike (1933)
(7th Solvay Physics Congress in Brussels (1933))
Max Born: ”Physics as we know it will be over in 6 months” !!!
• elektron, foton, proton, neutron, pozitron
• teorija relativnosti, kvantna mehanika, radioaktivnost...
Potera za božijom česticom
7
Posle toga:
















1937 otkriven mion
1947 otkriveni naelektrisani pioni
1950 otkriven neutralni pion
1953 otkriveni Λ i K mezoni
1956 dokazano postojanje elektronskog neutrina
1950-1960 otkriven veliki broj bariona i mezona
1961 otkriven mionski neutrino
1963 formulisana teorija kvarkova; postulirano postojanje tri kvarka: u, d i s
1961-1968 Glashow, Wienberg i Salam (GWS) su razvili teoriju po kojoj su slabe i
elektromagnetne sile ujedinjene u jednu, elektroslabu silu.
1970 u DIS eksperimentima potvrđena partonska struktura protona
1974 c kvark otkriven u raspadu J/ψ rezonance
1975 otkriven tau lepton i postulirano postojanje tau neutrina
1979 u raspadu Υ mezona detektovan b kvark, predviđeno postojanje t kvarka
1983 direktno izmerena masa W i Z bozona - potvrda SM!
1989 merenjem širine Z bozona potvrdjeno da je broj neutrina 3
1995 direktno izmerena masa t kvarka (Tevatron kolajder)
Potera za božijom česticom
8
Elektroslaba sila
Electromagnetne sile – dugodometne, odgovorne za vezivanje atoma i molekula; prenosilac:
foton (masa = 0)
Slabe sile – kratkodometne, odgovorne za spore radioaktivne raspade jezgara, β raspad, prenosioci:
W+,W-, Z0 (masa ~ 80-90 GeV)
Za dva protona u jezgru elektromagnetna sila je 107 puta jača od slabe sile, ali,
na mnogo manjim rastojanjima (~10-18 m) jačine slabe i elektromagnetne sile postaju uporedive.
1961-1968
Glashow, Wienberg i Salam (GWS)
su razvili teoriju po kojoj su slabe i
elektromagnetne sile ujedinjene u
jednu, elektroslabu silu.
GWS teorija pretpostavlja da postoje 4 bezmasena prenosioca elektroslabe sile: Wμ1,2,3 and Bμ.
.
W’s
Wμ1,2,3, Bμ
W+, W-, Z0, γ
W+
W-
Z0
koji se preko mehanizma spontanog narušenja simetrije transformišu u masene čestice W+, W-, Z0
-, Z0 stiču masu zove se Higsov mehanizam.
i bezmaseni γ. Mehanizam pomoću koga Potera
W+, W
za božijom česticom
9
Spontano narušenje simetrije
• Spontano narušenje simetrije u fizici se dešava kada sistem koji je
simetričan u odnosu na neku grupu simetrije prelazi u stanje vakuuma
(stanje sa najnižom mogućom energijom) koji nije simetričan.
To je fenomen koji se u prirodi dešava vrlo često.
• Primer za spontano narušenje simetrije je lopta na vrhu brda:
ta lopta je u potpuno simetričnom stanju ali nije stabilna jer vrlo lako može da se skotrlja.
U nekom trenutku lopta će se spontano skotrljati niz brdo u jednom ili drugom pravcu.
Simetrija je narušena jer je pravac u kome se lopta skotrljala izdvojen od drugih.
• U Standardnom modelu mehanizam kojim se spontano narušava simetrija je
Higsov mehanizam koji podrazumeva postojanje Higs polja i odgovarajuće Higs čestice,
i odgovorno je za mase W i Z bozona i ostalih elementarnih čestica.
“Meksički šešir”:
Grafički prikaz potencijala skalarnog polja
sa spontanim narušenjem simetrije.
Potera za božijom česticom
10
Higsov mehanizam kroz
jednačine
μ2  0
Zahtevamo da Lagranžijan
kompleksnog skalarnog polja φ
bude U(1) invarijantan u odnosu
LOKALNE transformacije.
Da bismo generisali masu spontanim narušenjem simetrije, potrebno je naći minimum
energiije u slučaju kada je µ2 <0.
Potera za božijom česticom
11
Higsov mehanizam kroz
jednačine
Izaberemo tačku v i oko nje izvršimo
razvoj po η i ρ. Kao rezultat dobijamo
invarijantan Lagranžijan. Iz ovog
Lagranžijana sledi da postoje skalarna
masena čestica mη, bezmasena čestica
ρ i maseno vektorsko polje A.
Bezmaseno vektorsko polje ρ (Goldstonov bozon) ne može postojati u prirodi.
Kako u dobijenom lagranžijanu postoji 1 stepen slobode više potrebno je izvršiti dodatne
transformacije.
Potera za božijom česticom
12
Higsov mehanizam kroz
jednačine
Gradijentni bozon Aµ sada ima masu mA=gv. Postoji skalarno Higsovo polje mase mh,
dok je bezmaseno polje nestalo. Teorija je lokalno invarijantna!
Potera za božijom česticom
13
Higsovo polje i Higsov
mehanizam
Higsov mehanizam koji daje masu vektorskim bozonima predložio je 1964.
godine Peter Higgs.
Steven Weinberg i Abdus Salam su prvi primenili Higsov mehanizam na
elektroslabo narušenje simetrije i objasnili kako W+, W-, Z0 bozoni dobijaju masu.
Higsov bozon je hipotetička masivna skalarna čestica čije postojanje predviđa
Standardni model. To je JEDINA čestica u Standardnom modelu koja još uvek
nije otkrivena ali objašnjava poreklo masa i razlike u masama drugih čestica.
.
W’s
W+
Potera za božijom česticom
W-
Z0
14
Testiranje teorije:
Traženje Higs bozona
Standardni model ne predviđa kolika je masa Higs bozona.
 Teorijska ograničenja mΦ>1 TeV
narušava perturbativni režim stabilnost vakuuma
 Eksperimentalna ograničenja
Precizna merenja na LEP2: mH< 202 GeV sa 95% CL
Direktna merenja na LEP2: mH ≥114.4 GeV
Šta ćemo znati kada/ako otkrijemo Higs bozon?
mH
• Detekcija Higs bozona će protvrditi eletroslabu teoriju i upotpuniti Standardni model.
• Merenje konstanti sprezanja sa Higs bozonom će potvrditi mehanizam generisanja masa.
• Higs bozon lakši od od 130 GeV potvrdio bi teoriju izvan Standardnog modela,
poznatu kao Supersimetrija.
• Ako ne bi bio pronađen Higs bozon sa masom manjom od 1 TeV, to bi značilo da se
elektroslaba simetrija narušava nekim drugim mehanizmom.
Potera za božijom česticom
15
Sada: Veliki Hadronski sudarač
u CERN-u
LHC, Veliki hadronski proton-proton kolajder:
• 27 km u obimu
• 6700 magneta; 1630 superprovodnih
ohlađenih do temperature -271.3°C (1.9 K);
pritisak 10-13 atm.
• brzina protona 0.999999991 c
• ukrštanje snopova svakih 25 ns (40 MHz)
• 25 p-p interakcija po ukrštanju (najviše 10100 interesantnih)
• Energija centra mase : √s= 14 TeV
• Projektovana luminoznost: 1034 cm-2s-1
Potera za božijom česticom
16
Potera za božijom česticom
17
ATLAS kolaboracija
Oko 1900 istraživača i inženjera
iz 165 laboratorija i 35 zemalja.
• Projekat je osmišljen 1992. godine kada je formirana ATLAS kolaboracija
(grupa fizičara koja radi na ATLAS eksperimentu).
• Sadašnja konstrukcija ATLAS detektora je predložena 1994. godine.
• Finansiranje izgradnje ATLAS detektora započele su zemlje članice
CERN-a 1995. godine.
• Pridruživanje novih članova kolaboracije nastavlja se sve do danas.
• Komponente detektora izrađene su u laboratorijama učesnika kolaboracije,
a zatim transportovane u CERN gde je 2003.godine otpočela instalacija
ATLAS-a.
• Iskopavanje podzemne hale 100m ispod zemlje, gde je smešten ATLAS
detektor počelo je 2000. godine, i predstavljalo je jedan od najvećih
poduhvata u građevinarstvu.
• Instalacija ATLAS detektora biće završena sredinom 2008.godine.
Potera za božijom česticom
18
ATLAS detektor
Mionski spektrometar
Identifikuje mione i meri
njihove impulse.
|η|<2.7, B=0.5T
air-core toroidi i mionske
komore
Unutrašnji detektor
|η|<2.5, B=2T
Određuje putanje i
meri impulse
naelektrisanih čestica
Kalorimetri
Mere energije
čestica.
Elektromagnetni:
Pb+LAr
Hadronski:
Fe/sci (barel)
LAr (fwd)
Magnetni sistem
Savija putanje
naelektrisanih čestica i
omogućava merenje
impulsa.
Solenoid obavija ID
Toroidni magneti u MS
Potera za božijom česticom
19
Instaliranje ATLAS detektora
jun 2003.
decembar 2007.
Potera za božijom česticom
20
Spuštanje malog točka
u ATLAS-ovu podzemnu halu
Potera za božijom česticom
21
Fizika na ATLAS detektoru
Poreklo mase
Standarni model ne objašnava
poreklo mase čestica, ni zašto
neke čestice imaju masu a neke
ne. Moguć odgovor daje
Higsov mehanizam po kome je
ceo prostor ispunjen Higsovim
poljem i čestice stiču masu
interagujući sa tim poljem.
Čestice koje jače interaguju su
teže i obrnuto. Higsovo polje
podrazumeva postojanje Higs
čestice, za kojom će tragati
ATLAS eksperiment. Energija
LHC-a će biti dovoljna za
otkriće i izučavanje Higs-a ako
ima masu u pretpostavljenom
opsegu od 114.4 GeV do 1TeV.
Čestice u Standardnom modelu
ATLAS će izučavati ponašanje
osnovnih čestica u Standardnom
modelu: W i Z bozona kao i top i
botom kvarkova. Bilo koje
neslaganje sa postojećim
merenjima će ukazati na slabost
Standardnog modela.
Antimaterija
Sasvim je izvesno da je Veliki
prasak proizveo jednaku količinu
materije i antimaterije. Međutim,
današnja posmatranja ukazuju da
je naš univerzum sastavljen
gotovo samo od materije. ATLAS
bi mogao da odgovori na pitanje
kako je nastala asimetrija između
materije i antimaterije istražujući
tananu razliku koja postoji
između njih.
Nove dimenzije
Teorija struna je vodeća teorija u
fizici čestica koja
daje jedinstven opis čestica i sila
uključujući i gravitaciju. Ona
predviđa postojanje sedam novih
dimenzija i njeno testiranje
zahteva traganje za novim
Druge mogućnosti
dimenzijama i izučavanje
ATLAS će takođe tragati i za
njihovih svojstava. ATLAS će
potuno novim signalima i
pokušati da odgovori na mnoga
fenomenima. Neka od
pitanja o novim dimnzijama:
najvažnijih otkrića u fizici u
koliko ih ima, kakav im je oblik
prošlom veku su bila potpuno
i veličina, kako su skrivene i
neočekivana, i mnogi naučnici
koje su nove čestice povezane sa
se nadaju da će na energijama
njima. Takođe postoji i
Velikog hadronskog sudarača
mogućnost da bi zbog postojanja
biti otkriveno nešto sasvim
novih dimenzija na ATLAS-u
novo.
mogle da budu detektovane
Potera za božijom česticom
22
mikroskopske crne rupe.
Traženje Higs bozona na ATLAS-u
ATLAS će tragati za Higsom od
LEP2 granice do 1 TeV.
LHC će razrešiti pitanje
postojanja Higs bozona i
izmeriti njegova svojstva!!
m H  150 GeV
H  γγ
q q '  HW
H  bb
gg q q  ttH
130  m H  600 GeV
H  ZZ* /ZZ  4l 
H  WW*/WW  lννl
mH  600GeV
H  ZZ  lljj
H  WW  lννj
Potera za božijom česticom
23
Prvi Higgs na ATLAS-u
4. april 2008.
Tuesday, 8 April 2008
The Independent: “Peter Higgs convinced LHC will see Higgs boson particle”
Potera za božijom česticom
24