Czego już dowiedzieliśmy się dzięki Wielkiemu Zderzaczowi Hadronów LHC

HTML
DOWNLOAD

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Czego już dowiedzieliśmy się dzięki Wielkiemu Zderzaczowi Hadronów LHC"

Krzysztof Sowiński
5 lat temu
Przeglądów:

1 Czego już dowiedzieliśmy się dzięki Wielkiemu Zderzaczowi Hadronów LHC Jan Królikowski Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego i Współpraca Compact Muon Solenoid (CMS) przy LHC 1

2 20 krajów członkowskich CERN Obserwatorzy: UNESCO, UE, Israel, Turcja, USA, Japonia, Rosja 2 Jan Królikowski, Festiwal Nauki, wydz. Fizyki UW

3 Wielki Zderzacz Hadronowy LHC W tunelu LEP W CERNie k/ Genewy- 27 km obwodu Uruchomiony we wrześniu Uległ awarii po 9 dniach. Rozpocznął ponownie pracę w listopadzie2009. ATLAS ALICE CMS LHCb 3 3

4 Zderzacz LHC Wykorzystano istniejący tunel zderzacza e + e - LEP o obwodzie ok. 27 km. Zbudowano pierścień magnesów nadprzewodzących dipolowych (~1300) zapewniający zamknięte orbity dla dwóch przeciwbieżnych wiązek protonów lub jonów (aż do jonów Pb). Maksymalna indukcja B w dipolach to 8.4 T maksymalna energia wiązki p 7 TeV. System kriogeniczny LHC jest największy na świecie. Magnesy dipolowe pracują w temperaturze nadciekłego helu 1.9 K 4 4

5 Wkład zespołów polskich Polskie zespoły naukowe uczestniczą we wszystkich 4 eksperymentach przy LHC. Wniosły znaczny wkład (~1% w każdym eksperymencie) aparaturowy w detektory i oprogramowanie. Aktywnie uczestniczą w zdefiniowaniu i realizacji programów fizycznych, przygotowując analizy danych, uczestnicząc w integracji i kalibracji detektorów i systemów akwizycji oraz zbieraniu danych z LHC i danych kosmicznych. 5

6 Plan 1. Fizyka cząstek elementarnych: kwarki, leptony i Model Standardowy 2. LHC- status, świetlność etc. 3. Układy detekcyjne 4. Wyniki: kiedy odkrycia? 6

7 Cząstki w Modelu Standardowym Tego szukamy! 7

8 Bardzo dobrze sprawdzona ~M Z Teoria Elektrosłaba Z 0 /W LEP/SLC/ TeVatron Model Standardowy Model Standardowy Fizyka Zapachu Fabryki B/ TeVatron Chromodynamika kwantowa QCD pqcd dobrze sprawdzona DIS, TeVatron, QCD a Ciężkie Jony Niewiele wiadomo Mechanizm Spontanicznego Łamania Symetrii Poszukiwania cząstek Higgsa 8

9 Gdzie jesteśmy na drodze poznania świata subjądrowego? Fizyka Oddziaływań Elementarnych ma bliski związek z Kosmologią. Wielkie energie odpowiadają bardzo wczesnym etapom ewolucji Wszechświata. LHC 9 9

10 2. Zderzacz LHC Podstawowe parametry: Energia E; LHC zaprojektowano na energie 7+7=14 TeV. Po awarii magnesów w 2009 dokonano częściowych napraw; reszta zostanie skończona w 2 połowie Dokonane naprawy umożliwiają bezpieczną pracę z połową energii 7 TeV. Świetlność L; To wielkość zdefiniowana jako liczba oddziaływań w zderzaczu na jednostkę przekroju czynnego i na sekundę pracy. L zależy od liczby i intensywności zderzajacych się paczek oraz ich wymiarów poprzecznych Nominalna świetlność LHC ma być 10/nb.s, obecnie wynosi ona razy mniej- 1/nb.s 10

11 Rzędy wielkości Atom= boisko piłkarskie (powiększony razy) W tej skali jadro ma ~1 cm. W LHC będziemy mogli badać obiekty 10 4 razy mniejsze. 11 Jan Królikowski, Festiwal Nauki, wydz. Fizyki UW

12 Zderzenia proton- proton to zderzenia układów kwarków Przykład: produkcja pary kwark- antykwark przez fuzję - zlepienie się dwóch gluonów. Podobnie można myśleć o mechanizmach produkcji np. wzbudzonych kwarków, gdyby takie istniały. Tylko część energii protonów przekazywana jest produkowanym cząstkom. 12

13 Kwarki są uwięzione Co wprowadza dodatkowe komplikacje. Przy dużych energiach kwarki i gluony produkują skolimowane strumienie, DŻETY hadronów: 13

14 Nowa Fizyka jest rzadka nawet w LHC 1 rok Zderzacza= =10 7 s. Przekrój czynny= rozmiary tarczy strzelniczej 1 barn= cm 2 = 100 fm 2 14

15 Granice świetlności dla zderzaczy Granice intensywności +granice energii Granice mocy RF L f N 1 x N 2 y LHC: L= 10 / nb.s N~10 11 p, = 20 m, f=40 MHz Granice rozmiarów wiązek 15

16 Całkowita zebrana świetlność CMS 2010 Od kwietnia do wczoraj 16

17 3. Układy detekcyjne. Eksperymenty: supermikroskopy 17

18 Eksperymenty ogólnego przeznaczenia 18

19 Eksperymenty dedykowane: ALICE i LHCb ALICE- zderzenia jonów (jader atomowych) wysokich energii 19

20 LHCb- detektor cząstek z kwarkiem b 20

21 Detekcja Cząstek w CMS Kalorymetr Had: hadrony, dżety Tracker: cząstki naładowane miony Kalorymetr EM: Fotony i elektrony, dżety 21

22 CMS : Compact Muon Solenoid Wkład Warszawy: elektronika systemu wyzwalania na miony Instalacja detektora śladowego 200 m 2 krzemu XII

23 masa niezmiennicza X Y E Y, P Y M X Z E Z, P Z Informacje o parach cząstek są wykorzystywane do badania, czy pochodzą one z rozpadu innej, cięższej cząstki 23

24 Masa niezmiennicza (cont.) M 1 Wiele różnych kombinacji par cząstek Można zredukować tą tę liczbę poprzez cięcia na innych własnościach torów. Nadal pozostaje pewne tło od sztucznych kombinacji. M 2 M 6 M 3 M 4 M 5 Etc. 24

25 LHCb 25

26 Energie LHC 2009: 900 GeV, niewiele danych 2010: 2.38 TeV; niewiele danych! 2010: 7 TeV, L=ok. 3.5 /nb!! najwyższe dostępne energie zderzaczy 26

27 Małe świetlności: fizyka MS przy nowych energiach Do chwili obecnej wykonano wiele pomiarów sygnałów znanej fizyki ale przy najwyższych dostępnych energiach zderzaczy. Podstawowy cel to testowanie i kalibracja: Aparatury detekcyjnej, systemu wyzwalania i systemu zbierania danych. Współpracy detektorów ze zderzaczem ( np. kontrola synchronizacji) Rozproszonych systemów obliczeniowych rekonstrukcji przypadków i analizy danych (GRID) Niektóre przykłady podamy poniżej. Okazuje się, że aparatury działają bardzo dobrze, zgodnie z założonymi parametrami. 27

28 28

29 ALICE: High Multiplicity Event No match for heavy ions, but not too bad for pp (>120 charged tracks in TPC) ICHEP 2010 J. Schukraft

1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 CMS

30 CMS Badanie starych cząstek przy nowych energiach p 0 h 0 J/y W ±,Z 0 TOP quark Within 3 mins! p 0 h 0 J/y 30 Ponownie zaobserwowane w CMS 2009/2010

31 Inner Detector: from early observation of peaks to cascade decays and J/ψ ee Early K 0 s π + π - observed in Dec 2009, few days after first collisions Ξ Λπ PDG: p Λ π - π - J/ψ e + e - 78 nb -1 Momentum scale known to permil in this range Resolution as expected (dominated by multiple scattering) ATLAS To extract signal from background: 2 EM clusters matched to tracks p T (e ± tracks) > 4, 2 GeV track quality, calo shower shapes key handle: large transition radiation in TRT invariant mass from track parameters after Brem recovery (GSF) Signal : 222 ± 11 events Background : 28 ± 2 events Mass peak : 3.09± 0.01 GeV 31 Jan Królikowski, Festiwal Nauki, wydz. Fizyki UW Mass resolution : 0.07 ± 0.01 GeV

32 ALICE/CMS:Multiplicity Distribution Multiplicity Distribution 900 GeV Multiplicity Distribution 7 TeV Results: - most of the stronger increase is in the tail of N ch - ALICE & CMS still agree perfectly! 32 ALICE CMS

33 W and Z particles W + e - n Z 0 e + e - 33

34 CMS: rozpoznawanie (znaczenie) dżetów b Two b-jets candidate 34

35 CMS: Kandydat na produkcję pary t- anty t pp t t b b n n 35

36 Galeria procesów BSM 36

37 Kiedy odkrycia? Będą wymagały zebrania statystyki; zależnie od procesu potrzebujemy od 100 do 1000 /pb. SUSY wymaga najmniej; higgsy znacznie więcej. Tak więc najwcześniej w połowie

Poszukiwanie higgsów Mechanizmy produkcji i rozpadów higgsów: Cząstki Higgsa sprzęgają się najmocniej do najcięższych cząstek, na które mogą się rozpaść. Np.

38 Poszukiwanie higgsów Mechanizmy produkcji i rozpadów higgsów: Cząstki Higgsa sprzęgają się najmocniej do najcięższych cząstek, na które mogą się rozpaść. Np. rozpad H W W dominuje dla 140 < m H < 2 m W czyli w obszarze mas higgsów GeV/c 2. Stąd poszukiwanie higgsów polega na badaniu różnych kanałów rozpadów zależnie od obszaru masy poszukiwanej cząstki. Ponieważ możliwości detekcji, tło i zdolności rozdzielcze różnych kanałów rozpadu są różne, czułość eksperymentów na odkrycie higgsów zależy od masy higgsów. 38

39 Produkcja i rozpad higgsa Czułość w poszczególnych kanałach zależy od masy higgsów 39

sygnał zobaczymy w CMS po 1 roku zbierania danych z maksymalną świetlnością 10/nb.

40 Poszukiwanie higgsa Jeżeli higgs istnieje i jeżeli ma masę ok. 130 GeV/c 2 dn/dm tło pochodzące od fałszywych kombinacji dwóch kwantów gamma Taki sygnał zobaczymy w CMS po 1 roku zbierania danych z maksymalną świetlnością 10/nb.s Szerokość sygnału jest przede wszystkim efektem aparaturowym. Szerokość higgsa jest zaniedbywalnie mała. m 40

41 Użyteczne adresy Główna strona CERN Cms.cern.ch Strona publiczna CMS mes=yes Telewizja CMS(aktualności CERN, LHC, CMS etc.) European Masterclasses - CERN odpowiedzialny za edukacje: Rolf.Landua@cern.ch JKr : krolikow@fuw.edu.pl Warszawska grupa CMS: 41

Podobne dokumenty

WYKŁAD 8. Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników

WYKŁAD 8. Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 8 1 Maria Krawczyk, Wydział Fizyki UW 2.12. 2009 Współczesne eksperymenty-wprowadzenie Detektory Akceleratory Zderzacze LHC Mapa drogowa Tevatron-