CERN: fizyka wysokich energii i edukacja szkolna. Krzysztof Fiałkowski Uniwersytet Jagielloński

Transkrypt

1 CERN: fizyka wysokich energii i edukacja szkolna Krzysztof Fiałkowski Uniwersytet Jagielloński

2 Czym jest CERN? CERN to skrót francuskiej nazwy Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, czyli Europejska Rada Badań Jądrowych. Ta Rada istniała w latach i doprowadziła do powstania Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych, której laboratorium zbudowane pod Genewą nazywa się obecnie Europejskim Laboratorium Fizyki Cząstek. Jednak skrót CERN jest nadal używany dla określenia i organizacji, i laboratorium.

3 Kto należy do CERN-u? Państwami - członkami CERN-u są: Austria, Belgia, Bułgaria, Czechy, Dania, Finlandia, Francja, Grecja, Hiszpania, Holandia, Niemcy, Norwegia, Polska, Portugalia, Słowacja, Szwecja, Szwajcaria, Węgry, Wielka Brytania i Włochy. Indie, Izrael, Japonia, Rosja, Stany Zjednoczone, Turcja, Unia Europejska i UNESCO mają status obserwatorów.

4 Cele CERN-u Wg. konwencji założycielskiej: CERN ma zapewnić współpracę państw europejskich w dziedzinie badań jądrowych o czysto naukowym i fundamentalnym charakterze. CERN nie zajmuje się pracami na cele wojskowe, a wszystkie wyniki badań teoretycznych i doświadczalnych mają być publikowane lub upublicznione w inny sposób. Dziś tematyką badań nie jest fizyka jądrowa, ale badanie cząstek subjądrowych. Jednak powyższe zasady zachowują ważność.

5 Cele CERN-u - II Organizacja współpracy oznacza promocję kontaktów między uczonymi i wymiany z innymi laboratoriami i instytutami. Obejmuje to przekaz informacji, zapewnienie zaawansowanego szkolenia badaczy, organizację programów transferu technologii, edukacji i szkolenia na wielu poziomach. Badania: Poszukiwanie odpowiedzi na podstawowe pytania o mikro- i makrokosmos Technologia: Rozwój nowych technologii Współpraca: Zbliżanie narodów przez wspólne badania Edukacja: Szkolenie przyszłych uczonych

6 Główne badania doświadczalne Zderzenia cząstek: układ akceleratorów od liniowych (niskie energie) przez synchrotrony PS i SPS aż do LHC, największego akceleratora świata, który w jesieni ma zrealizować zderzenia wiązek protonów o energiach 7 TeV, kilka tysięcy razy większych od energii spoczynkowych (potem także ciężkie jony). Inne wiązki: powolne antyprotony (do produkcji antymaterii), jony niskich energii, neutrina wysyłane do Gran Sasso (pod Alpami), neutrony. W tunelu LHC (o długości prawie 30 km) działał do 2000 roku LEP największy akcelerator elektronów i pozytonów o energii ponad 100 GeV na wiązkę. Prowadzi się prace nad planowaniem CLIC (1 TeV?).

7

8

9 Uboczne skutki CERN-u Światowa sieć komputerowa www : zaproponował Tim Berners-Lee 1990, pierwsza strona świata info.cern.ch, po 1995 prace przekazane do konsorcjum Akceleratory: używane w produkcji nowych materiałów, sterylizacji pożywienia, narzędzi itd., obróbki radiacyjnej, testów nieniszczących, terapii raka, źródło promieniowania γ i neutronów do badań biologicznych i strukturalnych, w przyszłości także spalanie odpadów jądrowych, generacja energii w bezpiecznych siłowniach jądrowych etc.

10 Uboczne skutki CERN-u II Detektory: scyntylacyjne do obrazowania medycznego, czujników, testów i badań; wielodrutowe komory proporcjonalne do badań i prześwietleń zbiorników, półprzewodnikowe potencjalnie do niezliczonych zastosowań, Informatyka (oprócz www): programy symulacyjne, diagnoza wad, systemy kontrolne, obliczenia równoległe, Nadprzewodnictwo (zwłaszcza magnesy), Przewody i światłowody wielowłóknowe, Obrazowanie rezonansem jądrowym, Kriogenika, technika próżni, elektroinżynieria, geodezja..

11 Edukacja szkolna Popularyzacja fizyki dla zapewnienia dopływu przyszłych uczonych, strona internetowa: Programy dla nauczycieli (Polska 2007 kwiecień, maj, listopad, , ) Materiały dla nauczycieli: strona /Intro.html (w języku angielskim) Wizyty na stronach internetowych CERN, ewentualnie wizyty klas w CERNie (sponsorzy?)

12 Przykład wizyty ( ): Wprowadzenie do CERNu A. Siemko (CERN), Polska w CERNie J. Nassalski (IPJ), Detektory czastek czyli jak zobaczyc niewidzialne i Wstęp do ATLASa Z. Hajduk (IFJ PAN), Tunel LHC Eksperyment ATLAS J. Godlewski, A. Siemko, P. Golonka (CERN), Wprowadzenie do fizyki cząstek K. Fiałkowski (UJ), Wstęp do fizyki akceleratorów - Jak to działa S. Wronka (IPJ), Wprowadzenie do kosmologii S. Bajtlik (CAMK PAN), Eksperyment COMPASS J. Nassalski (IPJ), M. Stolarski (UW), Komputery w CERNie i GRID S. Gadomski (Un. Berno), Synchrotron protonowy (PS) i (lub) Decelerator Antyprotonów (AD) oraz Fabryka Antymaterii A. Siemko (CERN), ponadto zwiedzanie, sesje dyskusyjne i budowa komory pęcherzykowej.

13 Elementy fizyki CERNu w szkole Podstawa programowa dla liceów m.in.: 7. Budowa i ewolucja Wszechświata. Czas - przestrzeń - materia - energia. Cząstki elementarne a historia Wszechświata. Obserwacyjne podstawy kosmologii. Modele kosmologiczne. Galaktyki i ich układy. Ewolucja gwiazd. Badania z CERNu dotyczą głównie cząstek, ale mają ścisły związek z kosmologią. Przykłady:

14 Nowe cząstki? LHC będzie największym akceleratorem świata, więc pozwoli na produkcję cząstek o masie większej od wszystkich znanych (część energii kinetycznej zderzających się cząstek można zamienić na energię spoczynkową nowych cząstek). Niektóre oczekiwane cząstki: bozon Higgsa hipotetyczna cząstka, której pole jest niezerowe w próżni, a jego oddziaływanie nadaje masę wszystkim innym cząstkom oprócz fotonów; supersymetryczni partnerzy znanych cząstek

15 Bozon Higgsa Istnienie tej cząstki przewiduje teoria elektrosłabych oddziaływań Glashowa, Salama i Weinberga (Nobel 1979), wedle której oddziaływania słabe (np. rozpad β) mają maleńki zasięg, bo pośredniczące w nich cząstki nie mają masy zero jak fotony, tylko bardzo duże masy, prawie 100 GeV/c 2 (ok. 100 mas protonu). Tak się dzieje, bo tylko fotony nie oddziałują z polem Higgsa obecnym nawet w próżni, którego oddziaływanie nadaje bezwładność i zwalnia cząstki do v<c. Niestety teoria nie przewiduje wartości masy cząstki Higgsa. Nie odkryto ich w LEP II w CERNie, gdzie powinny powstawać parami w zderzeniach e + e - przy energii ponad 200 GeV/c 2, więc m H >115 GeV/c 2. Teoria: m H <200 GeV/c 2. Jeśli nie będzie ich też w LHC, kłopot!

16 Cząstki supersymetryczne Obecna teoria ( model standardowy ) ma wiele wad, nikt nie wierzy, że jest ostateczna. Jeśli istnieją nieznane dotąd ciężkie cząstki, trudno zrozumieć zgodność teorii z doświadczeniem, chyba, że efekt takich cząstek reguluje nowa symetria: każdej znanej dotąd cząstce odpowiada nowy partner o innym wewnętrznym momencie pędu (połówkowe i całkowite wielokrotności stałej Plancka). Takich cząstek dotąd nie odkryto. Może w LHC?

17 Po co jeszcze nowe cząstki? To, że spodziewamy się nowych cząstek, wynika też z astronomii: analiza ruchów w galaktykach sugeruje, że siły grawitacyjne pochodzą tam nie tylko z widocznych gwiazd, ale i z ciemnej materii. Takich niewidocznych dużych zwartych obiektów jest niewiele (widzielibyśmy je przez tzw. soczewkowanie grawitacyjne). Może więc ciemna materia to cząstki niezwiązane w materię (np. neutralne elektrycznie)? Mogą to być najlżejsze cząstki supersymetryczne.

18 Po co CERN nauczycielom? Uczestnictwo w programach: osobisty kontakt z ludźmi i urządzeniami CERNu, odpowiedzi na pytania i wątpliwości Korzystanie z materiałów: najaktualniejsze informacje o stanie fizyki cząstek, gotowe wykłady na różnych poziomach (niestety po angielsku, ale po wizytach także polskie prezentacje) Możliwość polecenia zainteresowanym uczniom wiarygodnych tekstów i prezentacji

19 Dwa obowiązkowe tematy wstępne fizyki cząstek w szkole E sp =mc 2 w prawie zachowania energii! Równoważność energii spoczynkowej i innych form energii (nie masy i energii ): możliwe procesy rozpadów, gdy suma mas produktów mniejsza od masy obiektu; możliwa produkcja nowych cząstek, gdy energia kinetyczna w zderzeniu większa od sumy ich energii spoczynkowych Relacja nieoznaczoności: badanie małych struktur przestrzennych x<λ wymaga przekazów pędu p>ħ/λ. Zatem fizyka cząstek subjądrowych i fizyka wysokich energii to synonimy, λ<<1fm oznacza p>>1 GeV/c!

20 Jak opowiadać o cząstkach? Kilka uwag subiektywnych W szkole brak czasu na systematyczny wykład o klasyfikacji cząstek. Jak zachęcić uczniów, aby sami coś przeczytali? Wiadomo, że zwykła materia składa się z atomów, te z jąder i elektronów, jądra z protonów i neutronów. Po co nam więcej, zwłaszcza niestabilnych? Główna przyczyna: proton i neutron nie są elementarne, a teoria oddziaływań ich składników ( kwarków ) wymaga zbadania także innych ich układów. Są też kwarki inne, niż te z n i p, oraz kuzyni e: inne leptony.

21 Uwagi II: Czy stabilność ważna? Przesąd: nietrwałe, to mniej ważne, a przy tym mniej elementarne. Nieprawda! Neutron wybity z jądra też jest niestabilny! Przyczyna: masa neutronu jest większa od sumy mas protonu, elektronu i neutrina, więc zachodzi rozpad β, nadwyżkę energii spoczynkowej można zamienić na energię kinetyczną p, e i ν. Zatem: dlaczego neutrony w jądrach są stabilne? To proste: oddziaływania n i p w jądrach są takie, że zamiana n na p w typowym jądrze z reguły zmniejsza energię wiązania, więc zwiększa spoczynkową! To niedozwolone!

22 Uwagi III: Jak rejestrujemy cząstki? Jeśli mają ładunek, prosto: jonizują materię (odrywają elektrony z atomów), albo wzbudzają atomy. Efekty można wzmacniać i rejestrować sygnały elektryczne, albo zamieniać na inne (chemiczne, błyski świetlne itd.). Można też odbierać sygnały elektryczne w wyniku tworzenia ładunków w półprzewodnikach, promieniowanie Czerenkowa (świetlne w ośrodkach dla b. szybkich cząstek o v>c/n). Dla neutralnych: muszą wybić (albo wyprodukować) naładowane cząstki z materii.

23 Uwagi IV: Cząstki są wszędzie! Aby uczeń przestał uważać fizykę cząstek za egzotyczną, warto przypomnieć, że od zawsze przelatują przez nas cząstki promieniowania kosmicznego! Przykłady: na atmosferę ziemską pada na sekundę*metr kwadratowy ok protonów o energii porównywalnej z ich energią spoczynkową, jeden na sekundę o energii stukrotnie większej, a jeden na rok o energii milion razy większej. Z oddziaływań tych protonów z materią atmosfery rodzą się inne cząstki, które dolatują do nas: naładowane, (np. miony, rzędu 1/s) i mnóstwo neutralnych, np. neutrina (biliony na sekundę ze Słońca, tysiące z rozpadów!). Na szczęście neutrina praktycznie nie oddziałują z materią naszych ciał!

24 Uwagi V: Ważniejsze, niż myślimy? Hipoteza hormezy radiacyjnej: najkorzystniejszy nie jest brak promieniowania jonizującego, ale poziom, do którego przystosowały nas miliony lat ewolucji! Hipoteza mutacji: człowiek jaskiniowy nie był paradoksalnie bardziej osłonięty przed promieniowaniem kosmicznym niż człowiek z sawanny. Przeciwnie, kilka metrów skały służyło do wzmocnienia efektów promieniowania przez tworzenie kaskady. Uwaga: ludzie zamieszkali w jaskiniach, gdy obniżyła się temperatura. Może więc nagły rozwój cywilizacji po epoce lodowcowej był owocem wzrostu liczby mutacji, z których niektóre polegały na rozroście mózgu (a ten przydawał się w zmiennych warunkach klimatycznych)?

25 Podsumowanie Wizyta w CERNie lub korzystanie z jego materiałów powinny ułatwić przekazanie uczniom kilku prostych prawd: Fizyka cząstek (wysokich energii) jest bardzo ciekawa i ważna dla innych nauk Technologia rozwinięta w CERNie zmieniła nasz świat (internet!) i nadal go zmienia Badanie świata cząstek nie jest fanaberią, ale naturalną koniecznością, jeśli chcemy zrozumieć i mikro- i makrokosmos! A to nie zawsze takie trudne