Co dalej z fizyką cząstek czy LHC udzieli na to pytanie odpowiedzi?

Transkrypt

1 Co dalej z fizyką cząstek czy LHC udzieli na to pytanie odpowiedzi? 9 stycznia, 2008 Marek Zrałek Instytut Fizyki Uniwersytetu Śląskiego 1

2 Co dalej z fizyką cząstek czy LHC udzieli na to pytanie odpowiedzi? W połowie przyszłego roku zostanie uruchomiony największy akcelerator jaki kiedykolwiek został zbudowany na ziemi LHC w CERN-ie. Będzie on zderzać protony - każdy z energią 7 TeV oraz jąder ołowiu o łącznej energii 1150 TeV, stwarzając warunki, jakie panowały we Wszechświecie w momencie krótszym niż jedna bilonowa część sekundy po Wielkim Wybuchu. Ta wielka energia i duża liczba zderzających się cząstek (świetlność) dadzą, jak sądzimy, odpowiedź na kilka stawianych obecnie pytań. Dlaczego cząstki elementarne mają masę, czy tzw. mechanizm Higgsa jest odpowiedzialny za masy cząstek, czy istnieje cząstka Higgsa i jaką ma masę, czy supersymetria jest następnym krokiem na drodze do zrozumienia budowy materii, czy neutralne cząstki supersymetryczne (neutralina) stanowią ciemną materię we Wszechświecie, dlaczego obserwujemy asymetrię pomiędzy materią i antymaterią, czy Model Standardowy dobrze tłumaczy łamanie symetrii CP? Odpowiedzi na te pytania pozwolą wytyczyć drogę poszukiwania następcy Modelu Standardowego. Historia nauki pokazuje jednak, że największe odkrycia były przypadkowe, przez nikogo nieoczekiwane. Czy LHC też przyniesie takie niespodzianki? Już w niedługim czasie poznamy odpowiedź na to pytanie. 2

3 Podstawowe cząstki materii Od elektronu (1897) do neutrina typu tau (2000) 3

4 Andrzej Wróblewski Historia Fizyki NN 1906 Odkrycie elektronów 4

5 NN 1908 NN 1927 NN 1936 NN 1922 NN 1927 NN 1936 NN 1935 E. Rutherford (1911) obserwacja rozpraszania cząstek a na jądrach złota (a + Au). C. Wilson (1912) skonstuowanie komory Wilsona. V. Hess (1912) ---- odkrycie promieniowania kosmicznego. Niels Bohr (1913) hipoteza orbitalnego modelu atomu. E. Rutherford (1919) obserwacja reakcji jądrowych, wykrycie protonów (protony to jądra atomów wodoru). A. Compton (1922) ---- wykrycie fotonów w rozpraszaniu Comptona. C. Anderson (1932) odkrycie pozytonu. J. Chadwick (1932) ciężkie fotony to nowe cząstki nazwane neutronami, elektrycznie obojętne o masie zbliżonej do masy protonu. 5

6 NN 1939 NN 1950 NN 1960 NN 1961 NN 1959 E. Lawrence (1932) ---- odkrycie cyklotronu. C. Anderson i S. Neddermeyer (1934) odkrycie mezonów m z promieniowania kosmicznego i początkowe mylne potraktowanie ich jako cząstki Yukawy. C.F. Powell (1947) odkrycie pionów Yukawy (mezonów pi). A.Glaser (1952) zbudowanie pierwszej komory pęcherzykowej służącej do detekcji promieniowanie kosmicznego. R. Hofstadter (1954) rozpraszanie elektronów na jądrach, zbadanie rozmiarów jąder. E. Segrè, O. Chamberlain(1955) ---- odkrycie antyprotonu. Odkrycie wielu nowych cząstek ( K, L, S, D, X, r...). 6

7 NN(FR) 1995 NN 1988 NN(GM) 1969 NN 1992 NN 1990 NN 1976 F. Reines, C.L. Cowen (1956) ---- wykrycie neutrina elektronowego. L. Ledermann, M. Schwartz, J. Steinberger (1962) ---- wykrycie drugiego rodzaju neutrin - neutrin mionowych. M. Gell-Mann, G. Zweig (1964) ---- hipoteza, że odkrywane cząstki składają się z kwarków (asów). G. Charpak (1968) ---- odkrycie wielodrutowych komór proporcjonalnych I.J. Friedman, H. Kandall, R.E. Taylor ( ) ---- eksperymentalne wykrycie kwarków i gluonów. B. Richter, S. Ting (1974) ---- wykrycie czwartego kwarku powabnego c. u = up, d = down, s = strange, c = charm 7

8 M. Perl (1975) odkrył istnienie trzeciego leptonu naładowanego t. L. Lederman (1978) odkrył piąty kwark piękny b. NN-1995 Łącznie 20 nagród Nobla W ośrodku Fermilab koło Chicago został wykryty szósty kwark t (1995). W tym samym ośrodku zostało zaobserwowane trzecie neutrino (2000). W CERN-ie cztery eksperymenty pracujące ν τ przy akceleratorze LEP pokazały, że istnieją tylko trzy generacje kwarków i leptonów. 8

9 Podstawowe oddziaływania Elektrodynamika( 1948), Model Glashowa-Weinberga- Salama(1967), Chromodynamika kwantowa (1973). 9

10 H. Yukawa (1935) ---- przewidział istnienia mezonów na podstawie teorii sił jądrowych NN 1949 Kwantowa wersja oddziaływa ywań elektromagnetycznych powstała a pod koniec lat 20 poprzedniego stulecia, stworzona przez Heisenberga, Diraca, Borna i Jordana.. Pole elektromagnetyczne opisane w teorii Maxwella dwoma wektorowymi polami E i B stało o się zbiorem cząstek, kwantów w pola zwanych FOTONAMI. Oddziaływanie pomiędzy dwoma ładunkami polega na wymianie pomiędzy nimi ogromnej liczby fotonów. elektron elektron Podstawowa teoria tłumacząca istnienie ATOMÓW R. Feynman, J.Schwinger, S. Tomonaga, NN 1965 wymieniany foton elektron elektron 10

11 D. Gross, H. Politzer, F. Wilczek, NN 2004 Oddziaływanie pomiędzy kwarkami jest przenoszone przez osiem kolorowych GLUONOWOW 11

12 Odkrycie łamania symetrii odbicia zwierciadlanego P oraz symetrii zamiany cząstek na antycząstki, C. Oddziaływania słabe nie są też symetryczne ze względu na obydwie te symetrie łącznie dokonane, CP. T.D.Lee, C.N.Yang (1956) [NN 1957] Wu (1957) J.W. Cronin V.L. Fitch (1964) [NN dla Fitcha 1980] Pełną teorię oddziaływań oddziaływań słabych podali w 1967 roku Glashow, Weinberg i Salam. G. t Hooft, M.Veltman pokazali w latach , że teoria elektrosłaba jest renormalizowalna. C.Rubia, S. van der Meer odkrycie cząstek W oraz Z. R. Davis, M. Koshiba, wykryli iż neutrina posiadają masę różną od zera. NN 1979 NN 1999 NN 1984 NN Łącznie 9 nagród Nobla

13 SLAC Od 1962 Kwark c, J/psi Rozpraszanie głęboko nieelastyczne - kwarki Lepton tau Wiązka elektronów 20 GeV 13

14 FERMILAB (od 1967 roku) Pomiar masy W,Z Kwark b Kwark t Neutrino tau Poszukiwanie czastek egzotycznych Poszukiwanie cząstki Higgsa 6.3 km 14

15 Wykrycie cząstek W i Z LEP SPS 15

16 SuperKamiokande ton H 2 O, fotopowielaczy (każdy 50 cm średnicy) 41.4 m (wysoki) na 39.3 m (średnica), próg 5 MeV. 16

17 DESY w HAMBURGU 6.3 km Protony 920 GeV Elektrony, Pozytrony 27.5 GeV 2.3 km m pod ziemią 17

18 Standardowy model oddziaływań cząstek elementarnych QED + GWS + QCD 18

19 Obecna wiedza o cząstkach i ich oddziaływaniach 19

20 Problemy Standardowego Modelu Cząstek 20

21 Pomimo, że mamy w tej chwili zadawalająca teorię opisującą najdrobniejsze składniki materii nie uważamy ja za satysfakcjonującą. Wiele pytań pozostaje bez odpowiedzi. Dlaczego są trzy rodziny? Dlaczego kwarki posiadają trzy kolory? Jak wyjaśnić masy kwarków i leptonów? Dlaczego stałe fizyczne mają takie wartości jakie mają? Dlaczego łamana jest symetria CP? Dlaczego mamy mieszanie pomiędzy kwarkami i leptonami? Problem kwantowej grawitacji, W jaki sposób teoria cząstek wyjaśni powstanie Wszechświata. 21

22 Pytania o początki pytania teoretyczne: Co spowodowało naruszenie symetrii materia- antymateria? Czy była inflacja, a jeśli tak to jaki był jej mechanizm? Co stanowi ciemną materię? Jaka jest natura ciemnej energii? Dlaczego energia próżni jest tak olbrzymia? Jaka teoria zastąpi Model Standardowy? Jaka jest masa neutrin? Czy są dodatkowe wymiary czasoprzestrzenne? Czy proton jest niestabilny? Czy Ogólna Teoria Względności jest teorią ostateczną? Jak wygląda Mechanika Kwantowa dla energii w skali Plancka? 22

23 23

24 20 krajów europejskich należy do CERN Kraje członkowskie (data przystąpienia) 24

25 25

26 lhc_atlas.swf 26

27 Large Hadron Collider (LHC) Od 2008: Największy zbudowany przez człowieka zderzacz cząstek CERN, Geneva

28 Najszybszy tor na planecie dla protonów Protony osiągną % prędkości światła, w ciągu sekundy tunel o długości 27 km obiegną razy. LEP (107 GeV) był szybszy dla elektronów: v/c => %

29 Największa próżnia w układzie słonecznym Na księżycu ciśnienie atmosferyczne jest 10 razy większe (wewnątrz rur akceleracyjnych ciśnienie wynosi atm, objętość 6500 m 3 ).

30 Najzimniejsze miejsce we Wszechświecie LHC pracuje w temperaturze C (1.9 K). Zimniej niż w przestrzeni międzygwiezdnej (2.7 K). 36,800 ton musi być schłodzone do tej temperatury (10080 ton ciekłego azotu + 96 ton ciekłego helu) Największa lodówka kiedykolwiek zbudowana

31 Silne pole magnetyczne w dużej Nadprzewodzące magnesy produkują pole magnetyczne 8.4 Tesli prąd nadprzewodzący Ampera objętości. Długość każdego = 14.3 m, waga 35 ton Cena mln CHF x 1232 sztuki

32 Najgorętsze miejsce w galaktyce Dwie wiązki protonów są przyspieszane do energii 14 TeV, co odpowiada temperaturze ponad 10 miliardów razy większej niż panuje wewnątrz słońca K => 0.86 MeV stąd 14 TeV = 1.63 ƒ C. Temperatura wnętrza słońca 1.4 ƒ10 70 C. Taka temperatura panuje w małej objętości.

33 Powstał największy jak do tej pory W każdej wiązce protonów jest 2808 pęków. W każdym pęku jest protonów. detektor na świecie Pęki obiegają cały pierścień razy na sekundę Spodziewamy się około 600 milionów zderzeń na sekundę Przekrój wiązki 1/3 włosa ludzkiego

34 Rozległy system komputerowy Każdy z 600 milionów wygląda tak: Dane eksperymentalne produkowane w ciągu roku przez każdy eksperyment zajmą DVD. Aby przeanalizować dane ~10 tysięcy komputerów w wielu krajach świata będzie wykorzystanych. System GRID

35 35

36 Wykorzystując zderzacz LHC planowane są cztery duże i dwa mniejsze eksperymenty przeznaczone do badanie różnych aspektów Modelu Standardowego Duże eksperymenty ATLAS CMS ALICE Dwa mniejsze eksperymenty TOTEM LHCf LHCb 36

37 ATLAS = A large Toroidal LHC ApparatuS W zderzeniu p + p poszukiwanie: cząstek Higgsa, cząstek supersymetrycznych, cząstek ciemnej materii, dodatkowych wymiarów. Identyfikacja cząstek, pomiar ich trajektorii (pęd) i energii. Długość - 46 m, szerokość = wysokość 25 m, waga ton, detektor o największej objętości do tej pory zbudowany na świecie. Protony z wodoru po usunięciu elektronów do Linac2, przyspieszane do 50 MeV do PSB, przyspieszane do 1.4 GeV do PS, przyspieszane do 25 GeV przechodzą do SPS, przyspieszane do 450 GeV (wszystko trwa to 4 min 20 sek), przechodzą do LHC gdzie po 20 min uzyskują energię 7 TeV. Ponad 1700 uczestników z 159 instytucji z 37 krajów. 37

38 ATLAS = A large Toroidal LHC ApparatuS 38

39 39

40 40

41 CMS = The Compact Muon Solenoid an Experiment for the Large Hadron Collider at CERN Przeznaczenie ==== takie samo jak ATLAS, przy innym systemie detekcji. Wymiary ==== (długość 21 m) ƒ (szerokość 15 m) ƒ (wysokość 15 m), waga ==== ton. Uczestnicy eksperymentu ==== 2000 osób z 182 instytucji z 38 krajów. 41

42 CMS = The Compact Muon Solenoid an Experiment for the Large Hadron Collider at CERN 42

43 The Compact Muon Solenoid ATLAS CMS 43

44 ALICE = = A Large Ion Collider Experiment at CERN LHC Przeznaczenie === w zderzeniach jonów ołowiu Pb 82+ badana będzie plazma kwarkowo gluonowa, stan materii, w którym przypuszczalnie był nasz Wszechświat zaraz po Wielkim Wybuchu. Energia === (2.76 TeV/nukleon) ƒ (207 nukleonów) ƒ (2 jony) ª 1150 TeV ( odpowiada to temperaturze 1000 miliardów razy większej niż w rdzeniu słońca). Opary ołowiu o temperaturze C średnio ołów Pb 27+ te jony są przyspieszane do energii 4.2 MeV/nukleon przepuszczane przez folie węglową wychodzą jony Pb 54+ przyspieszane do energii 72 MeV/nukleon w LEIR przechodzą do PS tu są przyspieszane do 5.9 GeV/nukleon następna folia węglowa, pełna jonizacja Pb 82+ przechodzą do SPS przyspieszane do 177 GeV/nukleon przechodzą do LHC gdzie są przyspieszane do końcowej energii 2.76 TeV/nukleon. Wymiary == (długość 26 m) ƒ ( szerokość 16 m) ƒ (wysokość 16 m), Waga == ton. W zespole pracuje ponad 1000 osób z 94 instytucji z 28 krajów. 44

45 ALICE = A Large Ion Collider Experiment at CERN LHC 45

46 LNCb = Large Hadron Collider beauty experiment Przeznaczenie === badanie łamania symetrii odbicia zwierciadlanego P (Parity) i zamiany cząstek w antycząstki C (Charge) poprzez obserwacje oddziaływań cząstek B zawierających kwark b (piękny). Po wielkim wybuchu materia i antymateria anihilowała zostawiając materialny Wszechświat. To może nastąpić jedynie pod warunkiem, że symetria CP jest złamana. Układ detektorów będzie badać produkowane cząstki do przodu (w kierunku lotu protonów), tam są produkowane mezony B. Wymiary ==(długość 21 m) (szerokość 13 m) (wysokość 10 m), waga == 5600 ton We współpracy zaangażowanych jest 650 naukowców z 48 instytucji z 13 krajów. 46

47 LNCb = Large Hadron Collider beauty experiment 47

48 Dwa mniejsze eksperymenty: TOTEM = TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement Przeznaczenie == pomiar cząstek, które się nie rozproszyły (lecą dalej w padających protonów), wiedząc ile się rozproszyło a ile padało można oszacować rozmiary protonu (całkowity przekrój czynny). Detektory umieszczone 200 m od centrum zderzenia CMS. Wymiary == długość 440 m, szerokość 5 m, wysokość 5 m, waga == 20 ton. Uczestnicy == 50 osób z 10 instytucji z 8 krajów. LHCf = Large Hadron Collider forward Przeznaczenie == symulować promieniowanie kosmiczne w warunkach laboratoryjnych, rozpraszanie protonów o energii ev na cząstkach atmosfery. Dwa detektory o wadze 40 kg, rozmiarach 30 cm 20 cm 10 cm umieszczone 140 metrów od punktu centralnego detektora ATLAS. Uczestnicy == 22 osoby z 10 instytucji z 4 krajów. 48

49 Problemy Standardowego Modelu Cząstek, które LHC ma szansę rozwiązać. 49

50 1 Jak wyglądał Wszechświat chwilę po Wielkim Wybuchu? LHC pozwoli zobaczyć jak zachowywał się Wszechświat po 1 miliardowej części sekundy po Wielkim Wybuchu. Sadzimy że Wszechświat był wtedy gorącą mieszanką wszystkich kwarków i gluonów. Spodziewamy się, że podobne warunki zostaną stworzone przy zderzeniu dwóch jonów ołowiu, efekty którego będą widoczne w eksperymencie ALICE. Powstanie tzw. plazma kwarkowo gluonowa 50

51 51

52 t < sek 32 0 T > 10 K Era Plancka Pianka czasoprzestrzenna, Mini czarne dziury, Tunele czasoprzestrzenna 52

53 Na początku tej ery - INFLACJA Wszechświat rozszerza się przynajmniej razy W tym okresie uformowała się asymetria materia - antymateria (BARIOGENEZA) na miliard par jedna cząstka więcej Mamy stan plazmy kwarkowo gluonowej + leptony, z małą przewagą cząstek Pod koniec tej ery oddzielają się oddziaływania słabe od elektromagnetycznych 53

54 Era hadronowa Kwarki i gluony przestają być swobodne powstają hadrony Materia przestaje być w równowadze z antymaterią Nieliczne zachowane hadrony tworzą obecny Wszechświat 54

55 2 Czemu grawitacja jest taka słaba? Grawitacja jest ponad 30 rzędów wielkości słabsza niż oddziaływania słabe. Wielu fizyków sądzi, że odpowiedź na pytanie czemu tak jest, tkwi w czasoprzestrzeni. Wszechświat ma więcej niż cztery wymiary. Grawitacja działa w dodatkowych wymiarach, w naszej czasoprzestrzeni ujawnia się szczątkowo i dlatego jest taka słaba. Jest szansa, że LHC zobaczy dodatkowe wymiary ATLAS oraz CMS 55

56 Propozycja Dodatkowych wymiarów Zwykłe e cząstki propagują się w znanych 3 wymiarach ( 3-brane( brane ), Prawoskrętne neutrina propagują się w dodatkowych wymiarach ( bulk( bulk ) Słabe oddziaływanie neutrin prawoskretnych daje małą masę neutrin (Przy jednym dodatkowym wymiarze m ~ 1/R, wtedy R~10μm) Różne wersje modelu 56

57 3 Co się stało z antymaterią? W czasie Wielkiego wybuchu powstała równa ilość materii i antymaterii. Obecny Wszechświat składa się jedynie z cząstek materii. Antymateria zniknęła. Jak to się stało? Obecnie wiemy, że pewne cząstki rozpadają się inaczej niż ich antycząstki. Czy ta różnica w rozpadach może wyjaśnić zanik antymaterii we wczesnych etapach ewolucji Wszechświata? Jeden z eksperymentów LHC (LHCb) będzie śledzić różnice w rozpadach cząstek i antycząstek dla cząstek zawierających kwark b. 57

58 4 Dlaczego cząstki posiadają masę? Dlaczego jedne cząstki posiadają masę a inne nie? Co powoduje tą różnicę? Jeśli LHC odkryje cząstkę Higgsa przewidywaną przez teorię zbliży to nas do odpowiedzi na takie pytania. Fizyk brytyjski P. Higgs zaproponował istnienie pola (które teraz nosi jego nazwę) wszechobecnego w całym Wszechświecie. Gdy cząstka nie oddziałuje z tym polem masy nie posiada i odwrotnie, oddziaływanie daje cząstką masę tym większą, im silniejsze jest to oddziaływanie. Do tej pory mieliśmy zderzacze o zbyt małej energii. Duża energia LHC powinna dać możliwość wyprodukowanie takiej ilości cząstek Higgsa, że ich detekcja stanie się możliwa. 58

59 Dlaczego niektóre cząstki posiadają dużą masę, inne natomiast są bezmasowa albo mają bardzo małą masę. 59

60 Obecna sytuacja Hierarchia mas Odwrotna hierarchia mass 60

61 Cząstki nabywają masę na skutek oddziaływania z polem Higgsa Pusta przestrzeń ==== pole Higgsa Cząstki stki oddziałuj ują z polem Higgsa,, foton nie oddziałuje MeW/c MeV/c MeV/c 2 61

62 5 Z czego zbudowany jest Wszechświat? Obserwacje astrofizyczne pokazuję, że nie wiemy co stanowi 96% Wszechświata. Nazywamy to ciemna materią i ciemną energią. LHC ma szansę rozwikłania tej pierwszej zagadki. Istnieje podejrzenie, że ciemną materię stanowią cząstki przewidziane przez supersymetryczne uogólnienie Modelu Standardowego. Byłyby to tzw. neutralina, stabilni partnerzy neutralnych bozonów oddziaływanie i cząstek Higgsa. Rozwikłanie zagadki ciemnej materii byłoby największym osiągnięciem LHC. 62

63 Ciemna materia Widoczna materia 63

64 The Energy Budget of the Universe http-- Masterclass-future.ppt 64

65 Cząstki Supersymetryczne cienie cząstek 65

66 Bardzo popularną teorią jest teoria z nową symetrią łączącą fermiony z bozonami. Ta nowa symetria nazywa się SUPERSYMETRIĄ. Supersymetria transformuje funkcje falowe zwykłych cząstek w hipotetyczne supercząstki zwane scząstkami. Każda scząstka posiada spin różniący się o1/2 od spinu zwykłej cząstki. Bozon foton 1 fotino 1/2 Bozon gluon 1 gluino 1/2 Bozon W, Z 1 wino,zino 1/2 zwykłe cząstki Bozon Bozon grawiton Higgs 1 grawitino 3/2 0 Higgsino 1/2 Fermion Fermion kwarki ½ skwark 0 elektron ½ slektron 0 Supersymetryczni partnerzy Fermion mion ½ smion 0 Fermion tau ½ stau 0 Fermion neutrino ½ sneutrino 0 66

67 1) Czym jest ciemna materia? 2) Jaki jest mechanizm generowania masy cząstek? 3) Czy są dodatkowe wymiary czasoprzestrzenne? 4) Jaka jest natura ciemnej energii? 5) Czy proton się rozpada? 6) Jak Wszechświat ewoluował po okresie bariogenezy? 7) W jaki sposób Ogólna Teoria Względności przechodzi w teorię kwantową? 8) Jakie jest źródło powstawania w kosmosie cząstek o niezwykle dużych energiach? 9) Czy istnieje nowy stan materii przy wielkich ciśnieniach i temperaturach? 10) Czy światło i materia zachowują się inaczej przy bardzo wielkich energiach? 11) Jak powstały pierwiastki od żelaza do uranu? 12) Dlaczego obserwowany Wszechświat jest materialny? 67

68 Dziękuję za uwagę 68