W jaki sposób dokonujemy odkryć w fizyce cząstek elementarnych? Maciej Trzebiński

Transkrypt

1 W jaki sposób dokonujemy odkryć w fizyce cząstek elementarnych? Maciej Trzebiński Instytut Fizyki Jądrowej im. Henryka Niewodniczańskiego Polskiej Akademii Nauk

2 Gimli Glider Boeing lot: Air Canada 143 dzień: trasa: Montreal Edmonton zatankowane paliwo: funtów potrzebne paliwo: kg 1 funt (lb) = 0.45 kg Edmonton Gimli Montreal Wygodne podejście: unifikacja jednostek!

3 Międzynarodowy Układ jednostek Miar (SI) Zatwierdzony w 1960 przez Generalną Konferencję Miar. W Polsce układ SI obowiązuje od 1966 roku. Jednostki dzielą się na podstawowe i pochodne. Nazwa Jednostka Wielkość fizyczna metr m długość kilogram kg masa sekunda s czas amper A natężenie prądu elektrycznego kelwin K temperatura kandela cd światłość mol mol ilość materii Wygodny w codziennym użytku, zastosowaniach technicznych, itp. Nie sprawdza się w dyskusji bardzo dużych (Wszechświat) lub bardzo małych (cząstki elementarne) skali.

4 Naturalny układ jednostek Jednostki Plancka zestaw jednostek miary wykorzystywanych w fizyce zaproponowany przez Maxa Plancka. Jednostki te są zdefiniowane wyłącznie jak kombinacje stałych fizycznych. Nazwa Wielkość w jednostkach Definicja naturalnych SI czas Plancka tp = (ħ G / c5) 1T s długość Plancka lp = c tp = (ħ G / c3) 1L m masa Plancka mp = (ħ c / G) 1M kg ładunek Plancka qp = (4 π ε0 ħ c) 1Q C 1Θ K temperatura Plancka Tp = mp c2 / k = (ħ c5 / (G k2)) W układzie jednostek Plancka następujące stałe przyjmują wartość jeden: Stała Symbol Wymiar prędkość światła w próżni c L/T stała grawitacyjna G L3 / M T2 zredukowana stała Plancka ħ = h / 2π M L2 / T czynnik stały z prawa Coulomba 1/(4 π ε0) M L3 / Q2 T2 stała Boltzmana k M L2 / T2 Θ

5 Naturalny układ jednostek w fizyce wysokich energii Jednostkami naturalnymi dla fizyki wysokich energii (cząstek elementarnych) są jednostki związane ze skalami występującymi w mechanice kwantowej oraz w teorii względności: jednostka działania: ħ = 1 prędkość światła w próżni: c = 1 jednostka energii: GeV (gigaelektronowolt) Elektronowolt energia, jaką uzyskuje bądź traci elektron, który przemieścił się w polu elektrycznym o różnicy potencjałów równej 1 woltowi. 1 ev = 1 e 1 V = J

6 Jak obserwować? Zdolność rozdzielcza jak daleko od siebie muszą być dwa obiekty zanim zleją się w jeden Oko ludzkie zdolność rozdzielcza 0.03 mm (odległość najlepszego widzenia) Mikroskop (światło widzialne) powiększenie do 1500 razy Mikroskop (światło ultrafioletowe) powiększenie do 3500 razy Długość fali, którą oświetlamy obiekt musi być mniejsza od jego rozmiarów. 6

7 Jak obserwować? Dualizm korpuskularno-falowy materia ma zarówno właściwości korpuskularne jak i falowe długość fali ~ 1 / energia cząstki Im większa energia cząstki, tym mniejsza jest długość jej fali. źródło elektronów Mikroskop elektronowy powiększenie razy zdolność rozdzielcza 50 pm rozpędzanie (zwiększanie energii) w polu elektrycznym skupianie wiązki w polu magnetycznym (soczewka) oświetlanie przedmiotu odczyt danych mili m 10-3 mikro µ 10-6 nano n 10-9 piko p femto f

8 Jak obserwować? długość fali ~ 1 / energia cząstki Większa energia potrzeba rozpędzania (nadawania energii) kolejne etapy przyśpieszania w polu elektrycznym Cyklotron cząstka przyśpieszana w polu elektrycznym zakrzywiana w polu magnetycznym 8

9 Stała tarcza czy wiązki przeciwbieżne? (E, 0, 0, p) (m, 0, 0, 0) (E, 0, 0, p) s tar 2mE (E, 0, 0, -p) s cen =2 E s tar = 2mE s cen 2E 9

10 LHC (Large Hadron Collider) obwód: ok. 27 km (~100 m pod ziemią) energia: do 14 TeV zderzenia: proton-proton, proton-ołów, ołów-ołów prędkość cząstek: c TeV ev: 14x1012 ev dżule: 1.602x TeV = 22.4x10-7 dżula energia ruchu fruwającego komara ALE skupiona na miliardy razy mniejszym obszarze 10

11 11

12 Elementy akceleratora LHC Magnesy: - dipolowe (D1, D2), - kwadrupolowe (Q1 Q6), - multipolowe: sekstupolowe, oktupolowe, dedaktupolowe. Monitory pozycji wiązki (BPM Beam Position Monitor). Kolimatory (TAN, TAS). Detektory do przodu : - ALFA istniejące, zainstalowane 240 m od punktu oddziaływania ATLASa, służące głównie do pomiaru rozproszenia elastycznego oraz miękkiej dyfrakcji, - AFP planowane do zainstalowania 210 m od punktu oddziaływania ATLASa, służące głównie do pomiaru twardej dyfrakcji. 12

13 Elementy akceleratora LHC magnesy dipolowe Zadania: - zakrzywianie wiązki (akcelerator jest kołowy!), - łączenie / separacja wiązek w okolicy punktów oddziaływań, Promień zakrzywienia jest proporcjonalny do energii cząstki naładowanej. 13

14 Elementy akceleratora LHC magnesy kwadrupolowe Zadanie: - skupianie wiązki. 14

15 Elementy akceleratora LHC magnesy multipolowe Zadanie: - korekcja wiązki. 15

16 Elementy akceleratora LHC monitory położenia wiązki Zadanie: - dostarczenie informacji o położeniu wiązki. 16

17 Elementy akceleratora LHC kolimatory Zadanie: - ochrona magnesów LHC. 17

18 Świetlność akceleratora jak często zajdzie dany przypadek? Podczas wojny secesyjnej dwóch amerykańskich żołnierzy jeden walczący po stronie Unii a drugi po stronie Konfederacji wystrzeliło do siebie. Ich pociski zderzyły się w połowie drogi! Bardzo rzadki przypadek, ale ja chcę go odtworzyć w warunkach laboratoryjnych! 18

19 Świetlność akceleratora jak często zajdzie dany przypadek? L= f n N1 N2 τ 4π σx σy eksperyment z pociskami akcelerator LHC - szybsze strzelanie f częstotliwość obiegu - użycie większej liczby pistoletów n liczba paczek protonowych w wiązce - jednoczesne wystrzelenie kilku pocisków N1, N2 liczba cząstek w paczce protonowej - celowanie (minimalizacja obszaru) σx, σy gaussowska szerokość wiązki - dłuższe strzelanie τ czas zbierania danych 19

20 Z czego składa się proton? kwarki walencyjne + skomplikowana mieszanina ( morze ) kwarków i gluonów Na LHC zderzamy partony! 20

21 Zderzenie protonów Nie można bezpośrednio badać, co się stało w punktcie oddziaływania ALE badając zachowanie i właściwości stabilnych wyprodukowanych cząstek możemy o tym wnioskować. 21