Fizyka czastek i oddziaływań fundamentalnych

Transkrypt

1 Fizyka czastek i oddziaływań fundamentalnych A.F.Żarnecki, K.Doroba, Plan seminarium Cza stki i oddziaływania Model Standardowy Pytania i probelmy Nowe propozycje Cele i metody doświadczalne Eksperymenty fizyki wysokich energii z udziałem polskich fizyków Podsumowanie

2 Czastki fundamentalne Cegiełki budowy materii Jako najbardziej elementarne ( fundamentalne ) cza stki materii uważamy obecnie leptony i kwarki: Już pierwasza generacja wystarcza, żeby zbudować nasz codzienny świat (protony, neutrony, a także wiele dodatkowych cza stek:,,,,!...),

3 Czastki fundamentalne Kwarki i leptony kolejnych generacji maja identyczne właściwości, z wyjatkiem (szybko rosna cej) masy. Rozpietości mas w świecie cza stek sa ogromne: Masa w dużym stopniu determinuje zachowanie cza stek

4 Oddziaływania fundamentalne Oddziaływania Wszystkie znane procesy zachodza ce w przyrodzie potrafimy opisać jako przejawy czterech oddziaływań: grawitacyjnego - w fizyce cza stek na ogół pomijamy elektromagnetycznego silnego (ja drowego) słabego

5 i Oddziaływania fundamentalne Nośniki oddziaływań pomiedzy czastkami poprzez wymiane oddziaływania o cza czastek stki- Teorie kwantowe opisuja kwantów pola. Powinniśmy wie nośniki: c uzupełnić nasza tablice foton (kwant ) dla oddz. elektromagnetycznych gluon dla oddz. silnych bozony pośrednicza ce, dla oddz. słabych Charakter oddziaływań w znacznym stopniu zależy od masy nośników

6 Model Standardowy Wymienione cza stki oraz oddziaływania (+ opisujace je teorie) Wszystkie obecnie dostepne dane zgodne sa z Modelem Standardowym. Sa jednak powody aby uważać go jedynie za bardzo dobre przybliżenie prawdziwej (zazwyczaj dużo bogatszej) teorii. Pytania Dlaczego materia Dlaczego 3 pokolenia kwarków i leptonów? Dlaczgo tak ogromne różnice mas? fermiony, a odziaływania bozony? Gdzie jest cza stka Higgsa? Jesli jej nie ma ska d czastki maja mase?

7 Model Standardowy Problemy dużo wolnych parametrów, które trzeba re cznie dopasowywać... brak spójnego opisu grawitacji ogromna skala ewentualnej unifikacji dla pozostałych oddziaływań GeV rozbieżności w rachunkach

8 Nowe teorie Istnieje wiele propozycji na rozwiazanie problemów MS: Supersymetria Pełna symetria mie dzy fermionami i bozonami. Wszystkim znanym cza oczekiwane masy nowych cza sek stkom odpowiadaja supersymetryczni partnerzy: leptony (s= ) sleptony (s=0) kwarki (s= ) skwarki (s=0) gluony (s=1) gluina (s= ) GeV poszukiwane w obecnych i przyszłych eksperymentach

9 Nowe teorie Dodatkowe wymiary Oprócz 4 standardowych wymiarów istnieja dodatkowe wymiary, w które moga uciekać grawitony lub inne bozony Jesli promienie dodatkowych wymiarów małe grawitacja pozostaje 4-wymiarowa na odległościach makroskopowych. W oddziaływaniach wysokoenergetycznych (małe odległości) dodatkowe wymiary prowadza do wielu nowych zjawisk: silne oddziaływania grawitacyjne produkcja grawitonów

10 , Cele eksperymentów w HEP Poszukiwania nowej fizyki poszukiwania bozonu Higgsa kolejnych generacji standardowych cza stek cza stek supersymetrycznych podstruktury kwarków i/lub leptonów nowych oddziaływań naruszenia zasad zachowania Pomiar parametrów i weryfikacja MS badanie wlasnosci cza stek mas np.,,... sprzeżeń kanałów rozpadów

11 Cele eksperymentów w HEP pomiar mieszania kwarków i leptonów (neutrin) pomiar łamania symetrii CP pomiar partonowej (kwarkowo-gluonowej) struktury cza stek protonu, neutronu, fotonu... pomiar spinowej struktury cza stek

12 Metody eksperymentalne Podstawowa metoda fizyki cza stek elementarnych jest badanie procesów zachodzacych w zderzeniach cza stek. Zderzenia wiazek przeciwbieżnych elektron-pozyton Badanie oddziaływań elektrosłabych. Poszukiwanie nowych cza stek. elektron-proton Badanie struktury protonu. Poszukiwanie nowych oddziaływań. e e e p Z γ γ,z f f e q

13 Metody eksperymentalne proton-(anty)proton q p p g q Badanie oddziaływań silnych. Supersymetria.

14 Metody eksperymentalne Zderzenia wiazek z tarczami wia zki neutrinowe Badanie oddziaływań słabych. Badanie struktury nukleonów. Oscylacje neutrin. wia zki leptonowe (, ) Badanie (także spinowej) struktury nukleonów. wia hadronowe i ja zki drowe Badanie własności cza stek. Badanie oddziaływań silnych. Poszukiwanie plazmy kwarkowo-gluonowej

15 Metody eksperymentalne Eksperymenty nieakceleratorowe Badania promieniowania kosmicznego Badania neutrin Oscylacje neutrin - pomiar mas i katów mieszania. Pomiar czasu życia protonu Astronomia Cza stek Elemetarnych

16 Warszawska grupa HEP Warszawska grupa HEP około 50 fizyków uczestnicza cych w eksperymentach fizyki wysokich energii z dwóch bardzo ściśle współpracuja cych instytucji: IFD Zakład Cza stek i Oddziaływań Fundamentalnych IPJ im. A.Sołtana - Zakład VI W skład zespołu wchodza także inżynierowie i technicy. Dodatkowo prowadzona jest bliska współpraca z Politechnika Warszawska (elektronicy) Zespołami z innych ośrodków (głównie Krakowa) Fizykami teoretykami z IFT i IPJ

17 Warszawska grupa HEP Udział w dużych mie dzynarodowych ekspermentach to stałe robocze kontakty z fizykami na całym świecie współpraca z ośrodkami mie dzynarodowymi CERN, DESY, KEK... liczne konferencje, sympozja i spotkania robocze szansa dla młodych fizyków zebranie eksperymentu duża konferencja mie dzynarodowa

18 Eksperymenty HEP Wzrost doste pnych energii wia zek wie ksze i bardziej złożone układy pomiarowe, liczniejsze grupy fizyków, cze sto kilkusetosobowe dłuższy czas przygotowywania eksperymentu, wie cej danych i wyników fizycznych. Kolejne etapy eksperymentu Pomysł, projekt wste pny Symulacja możliwych do zmierzenia procesów fizycznych Propozycja odpowiednich technik pomiarowych Optymalizacja w oparciu o symulacje działania detektora

19 Eksperymenty HEP Testy prototypów Pełna symulacja eksperymentu (proces fizyczny + detektora) Projekt ostateczny Budowa detektora Przygotowanie oprogramowania do kontroli eksperymentu, zbierania i rekonstrukcji danych. Zbieranie danych Analiza danych prowadza ca do uzyskania wyników fizycznych Cia głe udoskonalanie programów i aparatury... Duże bogactw i różnorodność problemów na każdym etapie przygotowywania i prowadzenia eksperymentu Główne eksperymenty z udziałem fizyków z Warszawy:

20 CMS, LHC-B LEP HERA LEP II HERA II DELPHI LHC TESLA ZEUS NA35 NA49 Compass Super Kamiokande K2K Icarus Projekt Budowa Zbieranie i analiza danych Analiza danych

21 Zderzenia elektron-pozyton Akcelerator LEP (CERN) Akcelerator wia zek przeciwbieżnych Najwie kszy akcelerator na świecie: obwód ok. 27 km (!). Uzyskiwane energie wia zek: od 45 GeV w latach LEP I do 104 GeV w latach LEP II Najważniejsze wyniki: LEP I Pomiar masy i szerokosci Liczba pokoleń cza stek (przy założeniu lekkich Pomiar stałych sprzeżenia kwarków ) Testy spójnosci Modelu Standardowego

22 Zderzenia elektron-pozyton LEP II Pomiar masy Badanie sprzeżenia trójbozonowego ZWW Poszukiwania bozonu Higgsa Poszukiwania cza stek supersymetrycznych Cztery eksperymenty przy akceleratorze LEP: ALEPH, DELPHI, L3 i OPAL.

23 Zderzenia elektron-pozyton Eksperyment DELPHI 10 osób z Warszawy (IFD+IPJ). Wkład w budowe detektora: konstrukcja, we współpracy z innymi ośrodkami, kalorymetru elekromagnetycznego HPC. LEP I σ had [nb] ALEPH DELPHI L3 OPAL σ 0 20 Γ Z 10 measurements, error bars increased by factor 10 σ from fit QED unfolded M Z E cm [GeV]

24 Zderzenia elektron-pozyton Masa bozonu GeV Liczba pokoleń czastek (przy założeniu lekkich ):

25 Zderzenia elektron-pozyton LEP II Wzrost energii produkcja rzeczywistych par DELPHI 183 GeV PRELIMINARY. events / 2 GeV/c W mass (GeV/c 2 )

26 Zderzenia elektron-pozyton 20 σ WW [pb] LEP 08/07/2001 Preliminary RacoonWW / YFSWW 1.14 no ZWW vertex (Gentle 2.1) only ν e exchange (Gentle 2.1) E cm [GeV] GeV

27 Zderzenia elektron-pozyton LEP II Tamaty fizyczne nad którymi obecnie pracuja polscy fizycy: Rozpad Niestandardowe poszukiwania Higgsa Korelacje pomiedzy hadronami Oddziaływania gamma-gamma zderzenia wysokoenergetycznych kwantów gamma, emitowanych przez przeciwbieżne wia zki. e + e + γ f 2 π + γ π e e

28 Zderzenia elektron-pozyton Liczba przypadkow/50 MeV Masa niezmiennicza π + π - [GeV] W oddziaływaniach strukture fotonu. badamy kwarkowo-gluonowa

29 Zderzenia elektron-pozyton Projekt TESLA Projekt budowy liniowego akceleratora Długość km Planowane uruchomienie energie wia zek GeV Warszawska Grupa Tesla Główne kierunki badań: cza stki supersymetryczne leptokwarki struktura fotonu cza stka Higgsa (SM i nie tylko) fizyka w ośrodku DESY 10 osób (IFD + IFT!)

30 Zderzenia elektron-pozyton Prace prowadzone w Warszawie rachunki teoretyczne modelowanie wia zek fotonowych (Photon Collider) symulacja procesów fizycznych symulacja działania detektora analiza wyników symulacji optymalizacja pomiaru

31 Zderzenia elektron-pozyton Photon Collider TESLA Rozpraszaja silna wiazke laserowa c ( ) na wia zce elektronów ( GeV) możemy uzyskać przeciwbieżne wia zki fotonów o energiach do 350 GeV!

32 Zderzenia elektron-pozyton CompAZ - parametryzacja rozkładu świetlności przygotowana w Warszawie s 1/2 ee = 500 GeV #events 6000 simulation (V.T.) Compton formula 4000 CompAZ W γγ [GeV]

33 Zderzenia elektron-pozyton Pomiar sprzeżenia, poprzez pomiar przekroju czynnego na produkcje: Warszawa e e beams with s ee = 210 GeV Number of events/2gev m h =120 GeV L γγ (W γγ >80GeV)= 84 fb -1 NZK. Higgs signal NLO Background: bb (g) J z =0 bb (g) J z =2 cc (g) J z =0 cc (g) J z = Dokładność pomiaru W corr (GeV) 1-2 %

34 Zderzenia elektron-proton Akcelerator HERA Zbudowany i uruchomiony w roku 1992 w ośrodku DESY w Hamburgu. Obwód pierścienia akceleratora ok. 6.3 km. Uzyskiwane energie wia zek: 27.5 GeV dla wia zki elektronów lub pozytonów 920 GeV (do 1997 roku 820 GeV) dla wia zki protonów Doste pna energia w układzie środka masy badanie struktury protonu z rozdzielczościa 300 GeV promień protonu W roku 2001 przeprowadzono modernizacje akceleratora wzrost świetlności ( kilkukrotny cze stości zderzeń)

35 Zderzenia elektron-proton Do roku 2006 oczekujemy wiecej danych. Eksperyment ZEUS 12 osób z Warszawy (IFD+IPJ). Wkład w przygotowanie eksperymentu - projekt i budowa dwóch dużych cze ści składowych detektora: tzw. kalorymetru uzupełniaja cego BAC i tzw. ściany VETO.

36 Zderzenia elektron-proton Eksperyment ZEUS Glówne zadania eksperymentów przy HERA: Testowanie Modelu Standardowego (EW i QCD) Badanie struktury protonu, pomiar Badanie procesów tzw. fotoprodukcji i pomiar kwarkowo-gluonowej struktury fotonu Poszukiwanie nowej fizyki (leptokwarki, wzbudzone fermiony, supersymetria, nowe oddziaływania...)

37 , Zderzenia elektron-proton Tematy fizyczne nad którymi pracujemy w Warszawie: Produkcja mezonów wektorowych Procesy dyfrakcyjne, Głe boko-nieelastyczne rozpraszanie z wymiana pradów naładowanych ( Poszukiwanie leptokwarków Poszukiwanie nowych oddziaływań ) Selekcja przypadków mionowych w kalorymetrze BAC Rekonstrukcja energii stanu hadronowego

38 Zderzenia elektron-proton N 150 J/Ψ µ + µ - N J/Ψ = 349±21 N Ψ,= 8.5± Ψ, µ + µ M(µ + µ - ) [GeV]

39 Zderzenia elektron-proton 10 ZEUS Quark Radius Limit prelim. N/N CTEQ5D R q = cm Q 2 [GeV 2 ] Preliminary 95% CL limit from combined e ± p data R q < cm

40 Zderzenia elektron-proton dσ CC /dq 2 / pb GeV Charged Current e + p: Standard Model H prel. ZEUS (corrected for CMS energy) e p: H1 prel. ZEUS prel. s=320 GeV Q 2 / GeV 2 dσ NC /dq 2 / pb GeV Neutral Current Standard Model e + p: H prel. ZEUS (corrected for CMS energy) s=320 GeV e p: H1 prel. ZEUS prel. Q 2 / GeV 2

41 Zderzenia proton-proton Akcelerator LHC Przeciwbieżne wia zki pp, 7 TeV +7 TeV =14 TeV Eksperymenty ATLAS i CMS: ogromne i bardzo skomplikowane detektory bardzo różnorodny program badawczy główny nacisk na poszukiwanie nowej fizyki procesy zachodza ce z bardzo dużymi przekazami energii Procesy zachodza wzgle du na olbrzymie tlo. ce z niewielkimi przekazami energii nie beda mierzone ze Detektor CMS: efektywny system wyzwalania bardzo dobra identyfikacja wysokoenergetycznych mionów najlepszy z możliwych kalorymetr elektromagnetyczny

42 Zderzenia proton-proton σ LHC s=14tev L=10 34 cm -2 s -1 rate ev/year barn σ inelastic L1 input GHz mb bb MHz max HLT input µb nb W Z W lν Z l + l - tt max HLT output khz gg H SM SUSY q ~ q ~ +q ~ g ~ +g ~ g ~ tanβ=2, µ=m ~ ~ g =m q tanβ=2, µ=m ~ g =m ~ q /2 Hz pb qq qq H SM 10 5 H SM γγ h γγ tanβ=2-50 Z ARL l + l - mhz fb H SM ZZ ( * ) 4l µhz Z SM 3γ scalar LQ Z η l + l particle mass (GeV)

43 March 98 Zderzenia proton-proton Higgs to 4 leptons (140 < M H < 700 GeV) Z p H Z µ + µ - µ + µ - p In the M H range GeV the most promising channel is H 0 ZZ* or H 0 ZZ The detection relies on the excellent performance of the muon chambers, the tracker and the electromagnetic calorimeter. For M H 170 GeV a mass resolution of ~1 GeV should be achieved with the combination of the 4 Tesla magnetic field and the high resolution of the crystal calorimeter Events / 2 GeV H ZZ* 4 ± M Higgs = 150 GeV M 4 ± (GeV)

44 he best possible electromagnetic calorimeter high quality central tracking hermetic hadron Zderzenia calorimeter proton-proton

45 Zderzenia proton-proton Warszawska grupa CMS ( 14 pracowników i doktorantów IFD i IPJ) odpowiedzialna jest za projekt i wykonanie układu wyzwalania detektora przez szybkie miony Eksperyment LHC-B Dedykowany eksperyment do pomiaru produkcji i rozpadów mezonów (zawieraja cych kwark ). łamanie symetrii CPróżnice w rozpadach i rzadkie rozpady mezonów Testy Modelu Standardowego i poszukiwanie nowej fizyki

46 Zderzenia proton-proton Wkład grupy Warszawskiej w przygotowanie detektora (IPJ) budowa komór słomkowych do detektorów śladowych w Warszawie wykonanych zostanie ok. 200 segmentów, w sumie ok słomek produkcja rusza w roku układ monitorowania położenia detektorów śladowych wzgle dne położenie elementów detektora musi być monitorowane z dokładnościa pomiar z wykorzystaniem kamer CCD system akwizycji danych system monitorowania działania detektora tzw. Slow Control

47 , Zderzenia wiazek z tarczami Akcelerator SPS w ośrodku CERN wia ja zki der od wodoru (protony) do ołowiu, wtórne wia zki,,,... Eksperyment NA49 Badanie wysokoenergetycznych zderzeń ja -, - -, dla porównania także - Energie wia i dro-jadro: -. zki ja drowej: 30, 40, 80 i 158 GeV na nukleon.

48 Zderzenia wiazek z tarczami Główne cele eksperymentu NA49: Badanie roli procesów kolektywnych w zderzeniach ja der porównanie z modelem superpozycji nukleonów np. powiazanie zderzeń - i Badanie procesów zachodza ce w ekstremalnych stanach materii bardzo duże ge stości, wysokie temperatury Poszukiwanie plazmy kwarkowo-gluonowej (QGP) przy bardzo dużych ge stościach może dojść do zaniku nukleonowej struktury ja dra zmiany w rozkładach produkowanych cza stek, zwłaszcza cza dziwnych (zawierajacych stek kwarki )

49 Zderzenia wiazek z tarczami Eksperyment NA49 W eksperymencie NA49 bierze udział 5 osób z Warszawy (IFD+IPJ). Tematy fizyczne nad którymi obecnie pracuja polscy fizycy: Badanie stosunków produkcji różnych cza stek w zależności od parametrów zderzenia Badanie fluktuacji dynamicznych wynikaja cych z korelacji produkcji cza stek Korelacja zmiennych kinematycznych w zderzeniach i Produkcja cza stek dziwnych główny sygnał plazmy kwarkowo-gluonowej Poszukiwanie innych sygnałów przejścia fazowego nukleony QGP

50 Zderzenia wiazek z tarczami Eksperyment COMPASS (CERN) Badanie efektów spinowych w rozpraszaniu spolaryzowanych mionów ( GeV) na spolaryzowanych protonach lub deuteronach. Zbieranie danych rozpoczete w 2001 roku. Główne cele eksperymentu: pomiar rozkładów spinowych kwarów wyznaczenie tzw. spinowych funkcji struktury =160 pomiar wkładu gluonów do spinu nukleonu Z Warszawy: 6 fizyków + 3 doktoranci

51 Zderzenia wiazek z tarczami Wkład Grupy Warszawskiej: projekt i budowa elektroniki do detektorow pozycyjnych (we współpracy z PW) przygotowanie programów symulacji eksperymentu oraz rekonstrukcji przypadków analiza danych, wyznaczenie trzy metody trzy doktoraty

52 Badania Neutrin Warszawska grupa neutrinowa: 7 osób (UW+IPJ) Bliska współpraca z fizykami z Katowic, Krakowa i Wrocławia. Udział w trzech eksperymentach:super-kamiokande, K2K, Icarus Cele eksperymentów: wyjaśnienie zjawiska oscylacji neutrin pomiar parametrów: mas neutrin i katów mieszania poszukiwanie rozpadu protonu badanie neutrin słonecznych neutrina z Supernowych Działalność w Warszawie analiza danych udział w testach pierwszych modułów detektora Icarus (system wyzwalania)

53 Badania Neutrin Super-Kamiokande Detektor w kopalni, 1 km pod ziemia, (góra Kamioka). Komora o wysokości 40 m i średnicy 40 m, t było fotopowielaczy, 50 cm średnicy każdy!. wody, Obecnie 6000 fotopowielaczy rejestruje promieniowanie Czerenkowa przechodza cych cza stek. 17 grudnia pierwsza (po przerwie) wia zka neutrin z KEK w 2005 rozpocznie sie instalacja fotopowielaczy, tak aby w 2006 przyja ć wia zke z nowego akceleratora JHF Wyniki Wyraźna anizotropia w rozkładach neutrin atmosferycznych. Deficyt leca cych do góry Rozkłady katowe i energetyczne zgodne z hipoteza oscylacji neutrin:.

54 Badania Neutrin Wymaga to jednak, żeby neutrina miały mase Weryfikacja hiptezy eksperymenty K2K i Icarus K2K: wia zka neutrin produkowana w ośrodku KEK kierowana do odległego o 250 km Super-Kamiokande Icarus: wia zka neutrin produkowana w ośrodku CERN kierowana do odległego o 730 km Gran Sasso

55 Błyski gamma - krótkie ( s) impulsy prom. γ rejestrowane przez satelity najwi ksza zagadka współczesnej astronomii (>500 prac rocznie) wybuchy o niespotykanej skali (100 x supernowa) nieznany mechanizm progenitora (zderzenia czarnych dziur? gwiazd neutronowych? gwiazdy kwarkowe? nowa fizyka?) Potrzebne obserwacje w wietle widzialnym aparatura astronomiczna nieprzystosowana do krótkich błysków (wielkie, wolno poruszaj si ce teleskopy, pokrywaj dotychczas zaobserwowano 1 błysk optyczny (na kilka tysi nie ma aparatury wykrywaj Projekt π of the Sky wykorzystanie do monitorowanie całego (dost ce mały wycinek nieba) cej błyski optyczne samodzielnie wiadcze eksperymentów fizyki cz stek cy GRB) pnego - π radianów) nieba non-stop 16 kamer CCD, 2000x2000 piksli ka da, 5s ekspozycje, szybki odczyt (1s) du Eksperyment π of the Sky y strumie danych (128 MB / 6s) analizowany on-line, wielostopniowy tryger Stan prac: gotowy prototyp CCD 768x512, rozpocz te prace nad algorytmami Plany: prototyp 2000x2000, wiosna budowa 16 CCD, lato start Kontakt: G.Wrochna, IPJ p.108, wrochna@fuw.edu.pl, hep.fuw.edu.pl/~wrochna/pi/

56 Podsumowanie Fizycy z ośrodka warszawskiego biora udział we wszystkich typach eksperymentów w dziedzinie fizyki cza stek. Należa bardzo różnorodne eksperymenty. do wielu zespołów miedzynarodowych prowadzacych lub przygotowujacych Wnosza bardzo różnorodny wkład do tych eksperymentów Projektowanie, konstrukcja i testowanie detektorów Projektowanie i testowanie elektroniki Oprogramowanie systemu zbierania danych Systemy monitorowania działania detektora

57 Podsumowanie Programy symulacji procesów fizycznych Programy symulacji działania detektora Programy rekonstrukcji przypadków Analiza danych fizycznych ( morze tematów) Każdy znajdzie dla siebie coś ciekawego!...