Witamy w CERN. dr inż. Łukasz Graczykowski Politechnika Warszawska. accelerating Science and Innovation

Transkrypt

1 Witamy w CERN dr inż. Łukasz Graczykowski Politechnika Warszawska accelerating Science and Innovation

2 Plan wycieczki Poniedziałek ( ) Site de Meyrin 1. 8:00-9:15 Czas wolny 2. 9:30-11:30 Wykłady wstępne (Council Chamber) 3. 11:30-11:45 Podział na trzy grupy 4. 11:45-13:45 Wyjście do: Low Energy Ion Ring Łukasz Graczykowski Antiproton Decelerator Despina Hatzifotiadou, Anna Zaborowska Date Centre Jeremi Niedziela, Satyajit Jena Następnie rotacja (3 tury) 5. 13:45-14:00 Powrót do Restauracji :00-15:00 Lunch w Restauracji :00-do odjazdu Wystawa Microcosm (Ł. Graczykowski, A. Zaborowska) Budynek 40 (J. Niedziela, S. Jena) 8. 17:00-18:00 czas wolny / odjazd Wtorek ( ) LHC Point 2, Saint Genis-Pouilly 1. 10:00-13:00 Wizyta w eksperymencie ALICE

3 Czym jest CERN? CERN European Organization for Nuclear Research (fr.) Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire oryginalnie (fr.) Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire Słowo nuclear (jądrowy) obecnie ma wymiar historyczny: gdy zakładano CERN wyzwaniem było zrozumienie wnętrza atomu jądra atomowego dzisiaj zaglądamy głębiej cząstki elementarne, znacznie wyższe energie CERN powstał w 1954 r. (12 państw założycieli) Polska przystąpiła do CERN w 1991 r. (dec. L. Wałęsy)

4 Misja CERN Przekraczanie granic nauki np. tajemnice Wielkiego Wybuchu jaki był nasz Wszechświat w pierwszych chwilach swojego istnienia? Rozwój technologii akceleratorowych i detektorowych technologie informcyjne World Wide Web, GRID medycyna diagnostyka i leczenie (np. PET) Szkolenie nowych pokoleń naukowców i inżynierów Jednoczenie ludzi z różnych krajów i kultur VIP Template/ March 2010

5 CERN w liczbach ~2300 pracowników naukowych ~1400 pozostałych pracowników ~12500 użytkowników Budżet (2015): ~1000 MCHF Kraje członkowskie (21): Austria, Belgia, Bułgaria, Czechy, Dania, Finlandia, Francja, Grecja, Hiszpania, Holandia, Izrael, Niemcy, Norwegia, Polska, Portugalia, Słowacja, Szwajcaria, Szwecja, Węgry, Włochy, Wielka Brytania Kraje stowarzyszone: Pakistan, Turcja Kraje w trakcie procedury akcesji: Rumunia, Serbia Kraje aplikujące: Azerbejdżan, Brazylia, Chorwacja, Cypr, Indie, Rosja, Słowenia, Ukraina Obserwatorzy: Indie, Japonia, Rosja, USA Unia Europejska, UNESCO, Zjednoczony Instytut Badań Jądrowych

6 CERN globalna nauka

7 Polska w CERN 6 ośrodków, 10 instytucji ~300 fizyków doświadczalnych i inżynierów ~100 fizyków teoretyków Warszawa: Narodowe Centrum Badań Jądrowych Uniwersytet Warszawski Politechnika Warszawska Kraków: Akademia Górniczo-Hutnicza Politechnika Krakowska Uniwersytet Jagielloński Instytut Fizyki Jądrowej PAN Łódź: Uniwersytet Łódzki Warszawa Łódź Wrocław Kielce Katowice: Uniwersytet Śląski Wrocław: Uniwersytet Wrocławski Kielce: Uniwersytet Jana Kochanowskiego Katowice Kraków

8 CERN i Nagrody Nobla 1984 Carlo Rubbia i Simon van der Meer za prace, które doprowadziły do odkrycia bozonów W i Z 1992 George Charpak za pomysł i opracowanie detektorów cząstek, w szczególności MWPC (wielodrutowej komory proporcjonalnej) Inni Nobliści związani z CERN: 1952 Felix Bloch za precyzyjne pomiary magnetyzmu jąder atomowych pierwszy Dyrektor Generalny CERN 1976 Samuel C. Ting za odkrycie cząstki J/ψ kiedyś szef eksperymentu L3 na LEP, obecnie szef eksperymentu AMS na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej

9

10 Podróż do początków Wszechświata czyli czym zajmujemy się w laboratorium CERN dr inż. Łukasz Graczykowski CERN,

11 Małgorzata Janik 12-14/10/2012, Jesienne Warsztaty CSZ

12 Teleskop Kosmiczny Hubble'a Mgławica Orzeł Filary stworzenia 10/09/2012, WPCF '12 Małgorzata Janik Warsaw University of Technology

13 Jak sięgnąć do początków? Teleskop Kosmiczny Hubble'a Obraz Głębokiego Kosmosu 10/09/2012, WPCF '12 Małgorzata Janik Warsaw University of Technology

14 Małgorzata Janik WMAP / Planck 380 tys. lat po Wielkim Wybuchu 12-14/10/2012, Jesienne Warsztaty CSZ Granica poznania: promieniowanie tła Planck ( )? T = K Ale co było wcześniej? Jak to sprawdzić?

15 Model Wielkiego Wybuchu ROZMIAR, KOMPLIKACJA TEMPERATURA, GĘSTOŚĆ

16 Jak zbadać coś czego nie możemy zobaczyć? Zacznijmy od podstaw...

17 Układ okresowy

18 Model Standardowy Kwarki

19 Model Standardowy Leptony

20 Oddziaływania Model Standardowy zawiera 3 z 4 oddziaływań (bez grawitacji) Grawitacja jest najsłabszą siłą w mikroświecie (jest pomijalnie mała) Oddziaływania silne zachowują się inaczej (rosną z odległością)

21 Kwarki i gluony ~10-1 m ~10-10 m ~10-15 m Kwarki są ściśle związane poprzez gluony tworząc składniki jądra atomowego: protony i neutrony Nie udało się zaobserwować swobodnego kwarku proton neutron cząstki elementarne kwarki Cała otaczająca nas materia i my sami jesteśmy zbudowani tylko z tego... leptony masa nośniki oddziaływań

22 Kwarki i gluony ~10-1 m ~10-10 m ~10-15 m Kwarki są ściśle związane poprzez gluony tworząc składniki jądra atomowego: protony i neutrony Nie udało się zaobserwować swobodnego kwarku

23 Kwarki i gluony ~10-1 m ~10-10 m ~10-15 m Kwarki są ściśle związane poprzez gluony tworząc składniki jądra atomowego: protony i neutrony Nie udało się zaobserwować swobodnego kwarku

24 Czy można uwolnić kwarki? Para kwark-antykwark (mezon) Próbujemy je rozdzielić (dodajemy energię) E=mc 2! Dostajemy dwa mezony

25 Ale... czy historia Wszechświata i zaglądanie coraz głębiej w strukturę materii nie wydają się w zasadzie podobne? Zróbmy zatem porównanie...

26 Wszechświat Kwarki i gluony Nukleony Jądra Atomy Dzisiaj Wielki Wybuch 13*10 9 lat 10 6 s 10 4 s 3 min Budowa materii Problem: wspomnieliśmy, że nie zaobserwowano obecnie wolnego kwarku i nie można go otrzymać... Pytanie: Czy potrzebujemy izolować pojedynczy kwark? Może lepiej uwolnić wszystkie na raz! Czy to możliwe?

27 Pytanie: Czy potrzebujemy izolować pojedynczy kwark? Może lepiej uwolnić wszystkie na raz! Czy to możliwe? Czy nie lepiej wytworzyć takie warunki, w których kwarki będą swobodne, jak ryby w wodzie? Przecież, aby badać zwyczaje ryb, nie należy ich wyciągać z wody!!!

28 Jak badać zwyczaje ryb? Czy tak? Nie!

29 Jak badać zwyczaje ryb? Lepiej samemu zanurkować!!! Co widzimy? Ruch kolektywny

30 Jak uwolnić kwarki? Materia hadronowa: kwarki uwięzione w protonach i neutronach? Materia kwarkowa: kwarki są swobodne i mogą się przemieszczać ścisnąć ton/cm 3 podgrzać: o C

31 Alpy/Masyw Mont Blanc Genewa Jezioro Genewskie LHC CERN/Meyrin

32 Large Hadron Collider (LHC) - Wielki Zderzacz Hadronów

33 LHC - Large Hardon Collider (Wielki Zderzacz Hadronów) LHC to prawdziwa księga rekordów Guinnessa Długość tunelu akceleratora L=27km Głębokość tunelu akc. H=100m W tych rurach krążą protony; ich prędkość: v= c Energia: E=7 TeV c prędkość światła Próżnia P=10-10 Tr Temperatura T=1.9 K= o C

34 = Lord of the Rings 34

35 = Lord of the Rings 35

36 Jak to działa w praktyce? Możemy przyspieszać tylko cząstki naładowane (elektrony, protony, jądra atomowe) Pole elektryczne przyspiesza cząstki Pole magnetyczne zakrzywia tor wiązki skupia wiązkę

37 Ale gdzie te zderzenia? Zakrzywiamy i zwężamy wiązkę również używając magnesów

38 CERN eksperyment ATLAS CERN eksperyment CMS CERN eksperyment LHCb CERN eksperyment ALICE

39

40

41 Temperatura krytyczna, poniżej której następuje przejście fazowe. Diagram fazowy wody Poniżej pewnej temperatury kwarki łączą się w protony, neutrony i inne cząstki. Diagram fazowy plazmy

42

43 Tu jest obszar naszych zainteresowań

44 Czego nie wiemy? 1. Jak formował się wczesny Wszechświat? 2. Jakie są własności kwarków w stanie swobodnym? (Czym jest plazma kwarkowo-gluonowa?) 3. Skąd się biorą masy cząstek i czemu są takie jakie są? 4. Czy istnieje bozon Higgsa? 5. Gdzie się podziała antymateria? 6. Gdzie i czym jest niewidoczna część Wszechświata? ( ciemna materia i ciemna energia ) 7. Czy istnieją skryte wymiary przestrzeni? 8. Czy istnieją cząstki supersymetryczne? 9. Wiele innych...

47 W Sci-Fi antymateria zasila napędy międzygwiezdne. Star Trek (Enterprise)

48

49 Czy antymaterię możemy zaobserwować, złapać i uwięzić? Czym właściwie jest antymateria?

50 Antymateria = bliźniak materii o przeciwnym ładunku

51 Istnienie antymaterii przewidziano prawie 100 lat temu! 1928 Równanie Diraca x 2 = 4 x = -2 x = 2

52 I chwilę później faktycznie cząstki antymaterii znalezione! Znaleziono w 1932 (w cząstkach pochodzących z promieniowania kosmicznego)

53 Znaleziono też antyprotony! 1955

54 Każde inne cząstki czy atomy z antymaterii też mogłbyby istnieć. Na przykład anty-złoto.

55 Istnieje ważna rzecz, którą należy wiedzieć o antymaterii.

56 Jest tak idealną kopią/przeciwieństwem materii, że po zetknięciu z nią zamienia się w czystą energię = anihiluje! Zostaje czysta energia...

57 Zgodnie ze sławnym równaniem: energia to masa, a masa to energia. Masa materii i antymaterii zamieniają się na czystą energię.

58 Tu jest 13 zer. Bardzo dużo czystej energii!

59 1 gram antymaterii: okrążenie samochodem 1000 razy kuli ziemskiej Albo wyprowadzenie promu kosmicznego na orbitę

60 Wiemy już, że mając antymaterię możemy wytwarzać energię. A można na odwrót? Z czystej energii wyprodukować antymaterię? TAK

61 W dodatku materia i antymateria powinny się produkować w tej samej ilości!

62 CERN eksperyment ATLAS CERN eksperyment CMS CERN eksperyment LHCb CERN eksperyment ALICE

63 I dokładnie to widzimy w LHC: materię i antymaterię produkowaną w tych samych ilościach.

64 Antymaterię można spotkać nie tylko w akceleratorach. Mamy z nią do czynienia na co dzień. Rozpad promieniotwórczy pierwiastków

65 Używamy antymaterii w medycynie: PET radioaktywny izotop F-18

66 Jeszcze jedno pytanie: skoro materia i antymateria są tak symetryczne, to dlaczego wszystko dookoła jest tylko z materii? Wiemy, że w trakcie Wielkiego Wybuchu powstały obie!

67 Jeszcze jedno pytanie: skoro materia i antymateria są tak symetryczne, to dlaczego wszystko dookoła jest tylko z materii? Wiemy, że w trakcie Wielkiego Wybuchu powstały obie!

68 Skąd ta nadwyżka? Dlaczego została tylko materia...?

70 Nagroda Nobla z Fizyki 2013 Sztokholm,

71 Problemem istnienia masy i właściwości bozonu Higgsa zajmują się eksperymenty ATLAS oraz CMS. Dlaczego niektóre cząstki są bardzo ciężkie a inne nie mają masy w ogóle? Odpowiedź na tak zadane pytanie daje tak zwany mechanizm Higgsa. Według tej teorii cała przestrzeń wypełniona jest tzw. polem Higgsa, przez oddziaływanie z którym cząstki uzyskują masę. Cząstki, które oddziałują silnie z polem Higgsa są ciężkie, natomiast te które oddziałują słabo są lekkie. Pole Higgsa ma przynajmniej jedną nową cząstkę z tym związaną bozon Higgsa. Cząstka Higgsa Święty Graal współczesnej nauki

74

75 Jak wygląda Higgs? Tak wygląda bozon Higgsa

76 Poszukiwanie Higgsa

77 Poszukiwanie Higgsa

78 14 marca 2013 Higgs-like staje się Higgsem Nagroda Nobla z Fizyki 2013 Sztokholm, François Englert (Université Libre de Bruxelles, Bruksela, Belgia) Peter W. Higgs (University of Edinburgh, Edynburg, Wielka Brytania) Za teoretyczne odkrycie mechanizmu, który przyczynia się do zrozumienia pochodzenia mas cząstek elementarnych, i który został niedawno potwierdzony poprzez odkrycie przewidywanej cząstki elementarnej dokonane przez grupy ATLAS i CMS w LHC (CERN).

79 Science Fiction Badamy Higgsa dzięki temu nauczyli ekranować pole Higgsa (elektromagnetyczne już potrafimy - tzw. niewidzialność optyczna) moglibyśmy stworzyć samochody potrafiące przyspieszać do ogromnych prędkości w ułamkach sekund! Odkrywamy Higgsa rozumiemy skąd się bierze masa potrafimy kontrolować bezwładność wypadki samochodowe lub lotnicze przestają być groźne bo wyeliminujemy obrażenia związane z gigantycznymi przeciążeniami.

81 Najważniejsze jest, że wiemy, że wiele jeszcze nie wiemy. Czyż to nie wspaniałe, że tyle jest jeszcze do odkrycia!!!

82

83

84 DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ Zawsze chętnie odpowiem na pytania:

85 CERN plan Site de Meyrin

86 Financial Times,

87 (April 1983)

88 26 lat temu... Tim Berners-Lee pisze słynny dokument, który stał się początkiem WWW (HTML) W jego pierwszych akapitach pisze: Many of the discussions of the future at CERN and the LHC era end with the question - ªYes, but how will we ever keep track of such a large project?º This proposal provides an answer to such questions. Firstly, it discusses the problem of information access at CERN. Then, it introduces the idea of linked information systems, and compares them with less flexible ways of finding information.

89 A czy mogą istnieć pułapki na antymaterię?

90 Układ akceleracyjny w CERN = Lord of the Rings

91 TAK! ALPHA A czy mogą istnieć pułapki na antymaterię? ATRAP

92 Problem ciemnej materii oraz ciemnej energii badają z kolei również eksperymenty ATLAS i CMS. Czym jest ciemna energia i ciemna materia? 92

93 Problem ciemnej materii oraz ciemnej energii Astronomowie od dawna obserwują ruchy gwiazd i galaktyk na niebie, a od kilkudziesięciu lat coraz lepiej widzą, że obserwacje te są sprzeczne ze znanymi nam prawami fizyki (m. in. obracają się za szybko, a grawitacja od widzalnych obiektów jest niewystarczająca, by je utrzymać w całości: wszystko powinno sę rozpaść). Prawa fizyki można uratować jeśli założymy, że we Wszechświecie znajduje się ogromna ilość materii innej niż ta, którą znamy materii niezbudowanej z atomów, nieoddziałującej ze światłem, a więc ciemnej!

94 Ciemna energia z kolei tłumaczy obserwowaną coraz większą prędkość rozszerzania się Wszechświata. Podobnie jak ciemnej materii, nie udało się jeszcze potwierdzić jej istnienia.

95 Dzięki poszukiwaniom w LHC nowych, ciężkich cząstek, słabo oddziałujących ze zwykłą materią, być może będziemy w stanie przybliżyć się do rozwiązania tej zagadki.

96 A czy zwykłemu człowiekowi to się na coś przyda? nowe materiały, nowe technologie, nowe urządzenia pomiarowe, zastosowania w medycynie, zastosowania w komunikacji, zastosowania w energetyce, zastosowania w ochronie środowiska...

97 26 lat temu... Tim Berners-Lee pisze słynny dokument, który stał się początkiem WWW (HTML) W jego pierwszych akapitach pisze: Many of the discussions of the future at CERN and the LHC era end with the question - ªYes, but how will we ever keep track of such a large project?º This proposal provides an answer to such questions. Firstly, it discusses the problem of information access at CERN. Then, it introduces the idea of linked information systems, and compares them with less flexible ways of finding information.

98 CERN i LHC Jezioro Genewskie Lotnisko w Genewie tunel LHC (długość 27 km, ok.100m pod powierzchnią ziemi) CERN/Meyrin

99 Gdzie to jest? ok. 100m Tu!!!

100 LHC w schematycznym przekroju

101 CERN/LHC - Large Hardon Collider (Wielki Zderzacz Hadronów) LHC, to prawdziwa księga rekordów Guinnessa Głębokość tunelu akc. H=100m W tych rurach krążą protony; ich prędkość: Długość tunelu akceleratora L=27km v= c Energia: E p =7 TeV c prędkość światła Próżnia P=10-10 Tr Temperatura T=1.9 K= o C Magnesy nadprzewodzące: Prąd elektryczny: I= A Pole magnetyczne: B=8.7 T

102 LHC, Large Hadron Collider - Wielki Zderzacz Hadronów

103 Technologie stworzone dla potrzeb CERN zostały wykorzystane w: 1. Medycynie - diagnostyka: tomografia emisyjna PET, pozwalająca na badanie fizjologii organizmu, tomografia komputerowa CT, - leczenie: terapia hadronowa umożliwiająca skuteczne leczenie głęboko położonych guzów. 2. Przemyśle: - opracowano technologię opartą na materiale zwanym getterem, który można zastosować do poprawy izolacji termicznej urządzeń gospodarstwa domowego (np. lodówki). 3. Środowisko: - dzięki opanowaniu technologii wytwarzania ultrawysokiej próżni oraz łączenia szkła z metalem, płaskie próżniowe kolektory słoneczne przechodzą z fazy prototypu do sprzedaży, co stanowi znaczny postęp w wytwarzaniu energii ze źródeł odnawialnych. 4. Technologie informacyjne: - oprócz WWW niedawno powstała światowa sieć komputerów GRID.

104 KONIEC CZĘŚCI I CIĄG DALSZY NASTĄPI... Zawsze chętnie odpowiemy na pytania: lgraczyk@cern.ch majanik@cern.ch

105

107 Kolejny problem, to materia i antymateria. Zrozumieć go próbuje eksperyment LHCb. Na początku Wszechświat był zbudowany w równych proporcjach z materii i antymaterii. Gdyby podczas ewolucji Wszechświata materia i antymateria były swoim lustrzanym odbiciem unicestwiłyby się całkowicie, zostawiając jedynie energię. Dlaczego jednak część materii pozostała, tworząc galaktyki, Układ Słoneczny, naszą planetę i nas? LHC będzie badać, skąd bierze się ta niewielka różnica, jaka istnieje między materią i antymaterią.

109 Problem ciemnej materii oraz ciemnej energii badają z kolei również eksperymenty ATLAS i CMS. Astronomowie od dawna obserwują ruchy gwiazd i galaktyk na niebie, a od kilkudziesięciu lat coraz lepiej widzą, że obserwacje te są sprzeczne ze znanymi nam prawami fizyki. Prawa fizyki można uratować jeśli założymy, że we Wszechświecie znajduje się ogromna ilość materii innej niż ta, którą znamy materii niezbudowanej z atomów, nieoddziałującej ze światłem, a więc ciemnej. Dzięki poszukiwaniom w LHC nowych, ciężkich cząstek, słabo oddziałujących ze zwykłą materią, być może będziemy w stanie przybliżyć się do rozwiązania tej zagadki. Ciemna energia z kolei tłumaczy obserwowaną coraz większą prędkość rozszerzania się Wszechświata. Podobnie jak ciemnej materii, nie udało się jeszcze potwierdzić jej istnienia.

110 1978 Nagroda Nobla (Penzias, Wilson) Granica poznania: promieniowanie tła Planck

111 Jaki jest przepis na przyrodę? Przyroda na najniższym poziomie opisywana jest tzw. Modelem Standardowym (SM): Cząstki elementarne cegiełki budujące materię (fermiony i bozony) Trzy oddziaływania (z czterech) opisujące dynamikę cząstek elementarnych (słabe, silne oraz elektromagnetyczne) kwarki leptony Fermiony (budulec materii) Bozony (nośniki oddziaływań) Model Standardowy nie zawiera w sobie grawitacji opisanej przez Ogólną Teorię Względności Alberta Einsteina. masa Po potwierdzeniu odkrycia bozonu Higgsa w 2013 r. (o tym później) SM nazywany jest teorią prawie wszystkiego (theory of almost everything).

112 Model Wielkiego Wybuchu WMAP / Planck Jądra atomowe Protony i neutrony Plazma kwarkowo-gluonowa Powstają cząstki elementarne Inflacja? (Kwantowa grawitacja)