Nauka i technologia dwa spojrzenia na CERN

Transkrypt

1 Nauka i technologia dwa spojrzenia na CERN Politechnika Krakowska, wykład inauguracyjny, Agnieszka Zalewska, IFJ PAN Przewodnicząca Rady CERN-u

2 CERN utworzony został w 1954: przez 12 państw europejskich pod hasłem Nauka dla Pokoju ~ 2300 stałego personelu ~ 1600 na czasowych kontraktach/stypendiach ~ użytkowników Budżet (2014) ~1000 MCHF Kraje członkowskie: Austria, Belgia, Bułgaria, Czechy, Dania, Finlandia, Francja, Grecja, Hiszpania, Holandia, Israel, Niemcy, Norwegia, Polska, Portugalia, Słowacja, Szwajcaria Szwecja, Węgry, Wielka Brytania i Włochy Kandydat na członkostwo: Rumunia Kraj stowarzyszony kandydat na członkostwo: Serbia Kraje aplikujące o status kraju stowarzyszonego: Brazylia, Cypr, Pakistan, Rosja, Słowenia, Turcja, Ukraina Obserwatorzy przy Radzie CERN-u: Indie, Japonia, Rosja, Turcja, USA; Komisja Europejska i UNESCO 2

3 Misja CERN-u Badania naukowe Budowa i ewolucja Wszechświata Innowacyjność Rozwój nowych technologii Edukacja Kształcenie naukowców i inżynierów Promocja nauki w społeczeństwie Współpraca ludzi z różnych krajów i różnych kultur

4 Współpraca ludzi z różnych krajów i różnych kultur

5 CERN działalność edukacyjna Ta misja CERN-u jest traktowana bardzo poważnie i stale pojawiają się nowe inicjatywy CERN ma program adresowany do małych dzieci, zaakceptowany przez władze oświatowe Szwajcarii i Francji Fizycy cząstek z wielu krajów prowadzą tzw. masterclasses dla uczniów szkół średnich, wykorzystujące dane z CERN-u i stanowiące ważne uzupełnienie szkolnych wycieczek do CERN-u CERN prowadzi programy dla nauczycieli fizyki Letnie kursy w CERN-ie adresowane są do studentów wyższych uczelni Program Technical Student oraz szkoły dot. fizyki cząstek, komputingu i akceleratorów adresowane są do młodych fizyków i inżynierów Academic Training Programme służy naukowcom przebywającym w CERN-ie Rozmaite inicjatywy pod kątem pomocy w kształceniu inżynierów z krajów członkowskich

6 Program kształcenia nauczycieli fizyki

7 Badania naukowe

8 CERN najważniejsze na świecie laboratorium badań z fizyki cząstek

9 Zakres energii badań prowadzonych w CERN-ie LHC Bardzo ciekawe badania antyatomów wodoru z użyciem spowalniacza AD

10 Big Bang Proton Atom Promień ziemi Earth to Sun Radius of Galaxies LHC Universe Super-Microscope Hubble ALMA AMS VLT

11 Big Bang Proton Atom Radius of Earth Earth to Sun Promień galaktyki LHC Wszechświat Super mikroskop Badanie praw fizyki w pierwszych chwilach po Wielkim Wybuchu powiązanie fizyki cząstek z astrofizyką i kosmologią AMS Hubble VLT ALMA

12 Model Standardowy Model Standardowy testowany od 40 lat z dużą dokładnością Duży wkład CERN-u do zrozumienia słabych oddziaływań Weak 12

13 CERN kamienie milowe z przeszłości 1973 odkrycie prądów neutralnych w eksperymencie Gargamelle 1982 odkrycie bozonów pośredniczących W i Z 1990 eksperymentalny dowód na istnienie trzech rodzin kwarków i leptonów

14 Model Standardowy Model standardowy testowany przez 40 lat z dużą dokładnością ALE jedno podstawowe pytanie pozostawało otwarte Skąd się bierze masa cząstek elementarnych? Weak 14

15 LHC: Nowa era w dziedzinie badań fundamentalnych CMS LHCb Badania w niedostępnym wcześniej obszarze energii dla zderzeń p-p i Pb-Pb ALICE LHC ring: 27 km circumference TOTEM LHCf MOEDAL Korea and CERN / July ATLAS

16 Zderzacz LHC (2008, ) Największy zderzacz pp i Pb Pb, docelowa energia: 14 TeV (dotąd maks. 8 TeV) w zderzeniach pp, 2.76 TeV/nukleon dla Pb Pb Ponad 1700 magnesów nadprzewodzących o polach magnetycznych rzędu 9 T największa kriogeniczna instalacja świata w temp. 1.9 K Zderzenia co 50 ns (docelowo co 25 ns), świetlność akceleratora sięga 8x10 33 cm -2 s -1 i 5x10 9 oddziaływań pp na sekundę, w tym kilkadziesiąt przypadków ciekawych fizycznie wielkie wyzwanie dla detektorów, systemów wyzwalania oraz akwizycji, przechowywania i analizy danych 16

17 17

18

19 LHC fantastyczne działanie w latach p-p: ok przyspieszanych pęczków, odl. 50 nsek, 100 mld protonów w pęczku, do 5 mln oddziaływań/sek No i szukaj w tym Higgsa! Czy naprawdę trzeba 19się tak męczyć?

20 Niestety tak, bo Ponad 10 rzędów wielkości różnicy między liczbą przypadków odpowiadających jakiemukolwiek oddz. pp i liczbą przypadków z produkcją Higgsa Wybór 1 przypadku z Higgsem z 10 miliardów zwykłych oddziaływań pp

21 Higgs rozpada się na wiele sposobów Stosunkowo czysty kanał rozpadu to Hɣɣ 4 July 2012: seminarium w CERN-ie CERN-owskie eksperymenty zaobserwowały cząstkę zgodną z długo poszukiwanym bozonem Higgsa

22 Nagroda Nobla z fizyki w 2013 roku François Englert i Peter W. Higgs otrzymali Nagrodę Nobla z fizyki w 2013 roku "for the theoretical discovery of a mechanism that contributes to our understanding of the origin of mass of subatomic particles, and which recently was confirmed through the discovery of the predicted fundamental particle, by the ATLAS and CMS experiments at CERN's Large Hadron Collider.

23 Bozon Higgsa jest unikalną cząstką Cząstki materii to fermiony o spinie 1/2 Cząstki pośredniczące w oddziaływaniach to bozony o spinie 1 Bozon Higgsa nie jest żadną z nich. To skalarna cząstka o spinie 0 To pierwsza zaobserwowana fundamentalna cząstka skalarna Pole Higgsa wypełnia cały Wszechświat czy ten fakt ma jakieś głębsze konsekwencje?

24 Odtwarzanie warunków tuż po Wielkim Wybuchu w poszukiwaniu odpowiedzi na pytania: Jaka jest fundamentalna struktura materii i jakie jest pochodzenie jej masy? Czy istnieje symetria unifikująca wszystkie oddziaływania fundamentalnych cząstek materii? Skąd wzięła się obecnie obserwowana przewaga materii nad antymaterią? Stan materii przed powstaniem protonów i neutronów Czym jest Ciemna Materia? Czym jest Ciemna Energia?

25 Innowacyjność

26 Technologie rozwój i transfer do innych działów nauki, przemysłu i społeczeństwa Akceleratory Detektory Technologie informatyczne

27 Acceleratory z przeszłości Synchrotrony i cyklotrony niskich energii są obecnie powszechnie stosowane w przemyśle, np. przy produkcji żywności (około 20000) iw szpitalach (około 10000). Ich komercyjna wartość oceniana jest na 500 miliardów Euro. Program PIMMS (Proton Ion Medical Machine Study) w CERN-ie doprowadził do powstania akceleratora zoptymalizowanego na terapię hadronową, zastosowaną w MedAustron (Austria) and CNAO (Włochy). Stanowisko testowe w CERN-ie dla projektu MedAustron Synchrotron w CNAO (Pawia, Włochy)

28 Od akceleratora do paneli słonecznych Na potrzeby utrzymywania wysokiej próżni wewnątrz rury zderzacza LEP (poprzednik LHC) wynaleziono rodzaj molekularnego lepu do wyłożenia wnętrza rury. Ta technologia, przeniesiona do paneli słonecznych, pozwala na bardzo dobrą izolację termiczną, prowadząc do 10 razy wyższej wydajności nowych paneli w porównaniu z standardowymi panelami dachowymi. Wewnątrz rury akceleratora LEP Ta sama technologia w zastosowaniu specjalna metalowa taśma działała do paneli słonecznych na dachu jak molekularny lep lotniska w Genewie.

29 Przyszłe akceleratory W 2011 roku, podczas konferencji w Lund, CERN i inne duże laboratoria europejskie zobowiązały się do prowadzenia prac w kierunku jak najlepszej gospodarki energią w akceleratorach poprzez jej odzyskiwanie i składowanie, oszczędzanie wody itp. Przykładowo, bardzo ważne badania w tym kierunku dotyczą nadprzewodzących kabli z dwuborku magnezu, które przy 25 K mogą mieć parametry podobne do kabli używanych z LHC przy 3 K. Doprowadziło by to do znaczącej redukcji poboru mocy w akceleratorach.

30 Co po LHC w CERN-ie? Czy FCC (Future Circular Colliders) przy energii około 100 TeV dla pp z możliwością zderzeń e+e- (TLEP) i e ± p (LHeC)??? UWAGA!!! Podobny projekt rozważany w Chinach!!! luty 2014 Spotkanie rozpoczynajace prace dla tego projektu 30

31 Co po LHC w CERN-ie? Czy CLIC projekt liniowego zderzacza e+eoptymalizowanego na energię 3 TeV??? Nowa technologia, jedyna dostępna dla zderzeń e+e- przy energii powyżej 1TeV Gradient elektr. pola przyspieszającego ~100 MV/m, dł. zderzacza ~40 km 31

32 Detektory z przeszłości Wielodrutowe komory proporcjonalne, rozwijane w latach 60-tych przez G. Charpaca w CERN-ie (Nagroda Nobla z fizyki w 1992 roku) na potrzeby eksperymentów z fizyki cząstek, są spektakularnym przykładem szerokich zastosowań, np. w diagnostyce medycznej i kontroli radiologicznej pierwsza kamera PET, w zakładzie medycyny jądrowej Kliniki Uniwersytetu Genewskiego, użyta do obrazowania tarczycy z źródłem 124 I

33 Detectory dzisiaj z LHC do medycyny Krzemowe detektory pikselowe, używane do pomiarów torów cząstek w eksperymentach przy LHC i kryształy ołowiano-wolframowe, używane do pomiaru energii w eksperymencie CMS, znalazły już liczne zastosowania, w szczególności w medycynie. Na przykład, krzemowe detektory Medipix służą do obrazowania i diagnostyki. Elektronika, rozwinięta w CMS do odczytu sygnałów z kryształów w polu magnetycznym, umożliwia budowę skanera z jednoczesnym wykorzystaniem PET i rezonansu magnetycznego.

34 Technologie informatyczne WWW w przeszłości World Wide Web rozwinięty został w CERN-ie na potrzeby dużych międzynarodowych współprac naukowych prowadzących eksperymenty przy zderzaczu LEP. W 1993 roku został przekazany do publicznego użytku. WWW stanowi wspaniały prezent CERN-u dla ludzkości. Wartość rynkowa WWW jest obecnie oceniana na 1.5 tryliona Euro, tj. ok. 2.8% światowego PKB

35 Technologie informatyczne obecnie Grid LHC Prace nad WLCG (Worldwide LHC Computing Grid) rozpoczęły się w CERN-ie w 2002 roku. Prowadzone były pod kątem przechowywania i procesowania 20 petabytów danych dostarczanych każdego roku przez eksperymenty LHC. System składa się z tysięcy procesorów i przestrzeni dyskowych w centrach komputerowych na całym świecie. W 2010, wartość Cloud i Grid wynosiła 35 miliardów Euro. W 2015 roku Ich wartość może sięgnąć 120 miliardów Euro. Przykład ruchu w sieci WLCG.

36 Współpraca Politechniki Krakowskiej z CERN-em Nawiązana w 1990 roku z PK: prof. Michał Życzkowski i B. Nizioł, z CERN-u: C. Arnaud, P. Faugeras, D. Gȕseweld, T. Kurtyka, A. Poncet, P.Rohmig Dotychczasowa współpraca objęła ok. 20 pracowników PK i ok. 30 studentów delegowanych do CERN-u w ramach różnych programów Uczestnictwo w programie LHC (akcelerator i detektory) oraz wspólnie z CERN-em udział w projektach FAIR, EUROnu i TIARA Główne tematy prac badawczych w ramach współpracy z CERN-em: wkład w projektowanie akceleratorów, systemy transportu wiązki, magnesy nadprzewodzące, układy sterowania magnesami korekcyjnymi, systemy kompensacji termo-mechanicznej, układy kriogeniczne, nadprzewodzące linie zasilające, kriostaty, systemy chłodzenia i struktury nośne detektorów Rezultaty: 3 monografie, w tym jedna habilitacyjna, 1 praca habilitacyjna, 6 prac doktorskich, 11 prac magisterskich, ok. 100 not technicznych i raportów CERN-owskich, ok. 50 publikacji naukowych Od 2007 roku Centrum Projektowania Akceleratorów Cząstek Elementarnych PK - pod kierownictwem prof. Błażeja Skoczenia.

37 Na zakończenie wątek anegdotyczny Czerwiec 1982

38 Kreacja czy produkcja materii? Udostępnione przez H.Schoppera