Wszystko, co kiedykolwiek chcieliście wiedzieć o CERNie i o fizyce cząstek

Transkrypt

1 Wszystko, co kiedykolwiek chcieliście wiedzieć o CERNie i o fizyce cząstek i jeszcze kilka, których nie chcieliście wiedzieć, ale i tak się dowiecie mgr inż. Małgorzata Janik - majanik@cern.ch mgr inż. Łukasz Graczykowski - lgraczyk@cern.ch Zakład Fizyki Jądrowej, Wydział Fizyki Politechniki Warszawskiej V LO im. Księcia Józefa Poniatowskiego, Warszawa,

2 Wszystko, co kiedykolwiek chcieliście wiedzieć o CERNie i o fizyce cząstek i jeszcze kilka rzeczy, których nie chcieliście wiedzieć, ale i tak się dowiecie mgr inż. Małgorzata Janik - majanik@cern.ch mgr inż. Łukasz Graczykowski - lgraczyk@cern.ch Zakład Fizyki Jądrowej, Wydział Fizyki Politechniki Warszawskiej V LO im. Księcia Józefa Poniatowskiego, Warszawa,

3 Wszystko, co kiedykolwiek chcieliście wiedzieć o CERNie i o fizyce cząstek i jeszcze kilka rzeczy, których może nie chcieliście wiedzieć, ale i tak się dowiecie mgr inż. Małgorzata Janik - majanik@cern.ch mgr inż. Łukasz Graczykowski - lgraczyk@cern.ch Zakład Fizyki Jądrowej, Wydział Fizyki Politechniki Warszawskiej V LO im. Księcia Józefa Poniatowskiego, Warszawa,

4 CERN kilka faktów CERN skrót od Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (obecnie Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire) Organizacja międzynarodowa w pełni funkcjonująca od 1954 roku Jeden z największych ośrodków naukowych na świecie 20 europejskich krajów członkowskich (w tym Polska), 4 kandydujące Budżet 1,2 mld CHF rocznie ~2400 etatowych pracowników oraz ~ naukowców pracujących w CERN i opłacanych przez zagraniczne instytucje (tylko ~5% to fizycy!) Za prace prowadzone w CERN przyznano do tej pory 5 Nagród Nobla

5

6 Alpy/Masyw Mont Blanc Genewa Jezioro Genewskie LHC CERN/Meyrin

7 100 m

8

9 LHC - Large Hardon Collider (Wielki Zderzacz Hadronów) LHC to prawdziwa księga rekordów Guinnessa W tych rurach krążą protony; ich prędkość: v= c Energia: E=7 TeV Długość tunelu akceleratora L=27km Próżnia P=10-10 Tr Głębokość tunelu akc. H=100m c prędkość światła Temperatura T=1.9 K= oc

10 = Lord of the Rings 10

11 = Lord of the Rings 11

12 Jak to działa w praktyce? Możemy przyspieszać tylko cząstki naładowane (elektrony, protony, jądra atomowe) Pole elektryczne Pole magnetyczne przyspiesza cząstki zakrzywia tor wiązki

13 Jak to działa w praktyce? Magnesy dipolowe (żeby cząstki krążyły po okręgu) Magnesy kwadrupolowe (żeby wiązka 13 się nie rozpadła) Możemy przyspieszać tylko cząstki naładowane (elektrony, protony, jądra atomowe) Pole elektryczne Pole magnetyczne przyspiesza cząstki zakrzywia tor wiązki skupia wiązkę

14 Ale gdzie te zderzenia? Zakrzywiamy i zwężamy wiązkę również używając magnesów

15

16 CERN eksperyment ATLAS CERN eksperyment CMS CERN eksperyment LHCb CERN eksperyment ALICE

17 Zderzamy Protony Ciężkie jony (czyli np. jądra ołowiu)

18 O co chodzi ze zderzaniem protonów?

19 A w eksperymencie wygląda to tak! E=mc2 19

20 A w eksperymencie wygląda to tak! E=mc2 20

21 O co chodzi ze zderzaniem ołowiu?

22 O co chodzi ze zderzaniem ołowiu?

23 Jak uwolnić kwarki? Materia hadronowa: kwarki uwięzione w protonach i neutronach? Materia kwarkowa: w jej objętości kwarki są swobodne!

24 Czy można uwolnić kwarki? Para kwark-antykwark (mezon) Próbujemy je rozdzielić (dodajemy energię) E=mc2! Dostajemy dwa mezony

25 Istnieje temperatura krytyczna, powyżej której następuje przejście fazowe. Powyżej pewnej temperatury kwarki zostają uwolnione.

26

27 Do detektorów nie docierają pojedyncze kwarki, tylko takie, które zostały ponownie uwięzione w cząstkach. Tak samo, jak z gorącą wodą na Syberii: mamy garnek wrzątku, rzucamy w powietrze, i zanim spadnie na ziemię zamienia się z powrotem w lód.

28 Istnieje temperatura krytyczna, powyżej której następuje przejście fazowe. Powyżej pewnej temperatury kwarki zostają uwolnione, poniżej tej temperatury ubierają się z powrotem w cząstki (hadronizują)

29 Nic nie szkodzi Skomplikowane analizy oraz zaawansowane narzędzia badawcze pozwalają nam na wyciągnięcie informacji z tych nowo powstałych cząstek. Wyciągamy informacje z takiego gąszczu CERN, ALICE, Pb+Pb, 2760 GeV

30 Zderzamy Protony Ciężkie jony (czyli np. jądra ołowiu) E=mc 2 Plazma kwarkowo-gluonowa

31 CERN eksperyment ATLAS Jak działają detektory? CERN eksperyment CMS CERN eksperyment LHCb

32 Zakrzywianie cząstek w polu

35 Detektory śladowe (kiedyś komora pęcherzykowa)

36 Detektory śladowe (kiedyś komora pęcherzykowa)

37 Detektory śladowe (komory gazowe)

41 Detektory śladowe (detektory półprzewodnikowe) ALICE Inner Tracking System

42 Detektory śladowe (detektory półprzewodnikowe)

45 Kalorymetry

46 Kalorymetry

47 47

48

49 Detektory

50 Czego nie wiemy? 1. Jak formował się wczesny Wszechświat? 2. Jakie są własności kwarków w stanie swobodnym? (Czym jest plazma kwarkowo-gluonowa?) 3. Skąd się biorą masy cząstek i czemu są takie jakie są? 4. Czy istnieje bozon Higgsa? 5. Gdzie się podziała antymateria? 6. Gdzie i czym jest niewidoczna część Wszechświata? ( ciemna materia i ciemna energia ) 7. Czy istnieją skryte wymiary przestrzeni? 8. Czy istnieją cząstki supersymetryczne? 9. Wiele innych... ALICE

51 Czego nie wiemy? 1. Jak formował się wczesny Wszechświat? 2. Jakie są własności kwarków w stanie swobodnym? (Czym jest plazma kwarkowo-gluonowa?) 3. Skąd się biorą masy cząstek i czemu są takie jakie są? 4. Czy istnieje bozon Higgsa? 5. Gdzie się podziała antymateria? 6. Gdzie i czym jest niewidoczna część Wszechświata? ( ciemna materia i ciemna energia ) 7. Czy istnieją skryte wymiary przestrzeni? 8. Czy istnieją cząstki supersymetryczne? 9. Wiele innych...

52 Problemem istnienia masy zajmują się eksperymenty ATLAS oraz CMS. Dlaczego niektóre cząstki są bardzo ciężkie a inne nie mają masy w ogóle? Odpowiedź na tak zadane pytanie daje tak zwany mechanizm Higgsa. Według tej teorii cała przestrzeń wypełniona jest tzw. polem Higgsa, przez oddziaływanie z którym cząstki uzyskują masę. Cząstki, które oddziałują silnie z polem Higgsa są ciężkie, natomiast te które oddziałują słabo są lekkie. Pole Higgsa ma przynajmniej jedną nową cząstkę z tym związaną bozon Higgsa. Cząstka Higgsa Święty Graal współczesnej nauki

55

56 5 lipca 2012 nowa cząstka! "Naukowcy w ośrodku CERN odkryli nową subatomową cząstkę, która może się okazać nieuchwytnym bozonem Higgsa." The Guardian "Potwierdzam, że cząstka, która została odkryta jest zgodna z teorią Higgsa." Euronews "To jest wstępny wynik, ale myślimy, że bardzo mocny i wiarygodny." Reuters "W czwartek jednakże, CERN przestał się wahać. Ogłoszono, że cząstka odkryta w lipcu 2012 była Nowa cząstka! Ale czy to bozon Higgsa? w istocie bozonem Higgsa." Forbes

57 14 marca 2013 Higgs-like staje się Higgsem

58 Science Fiction Badamy Higgsa dzięki temu nauczyli ekranować pole Higgsa (elektromagnetyczne już potrafimy - tzw. niewidzialność optyczna) moglibyśmy stworzyć samochody potrafiące przyspieszać do ogromnych prędkości w ułamkach sekund! Odkrywamy Higgsa rozumiemy skąd się bierze masa potrafimy kontrolować bezwładność wypadki samochodowe lub lotnicze przestają być groźne bo wyeliminujemy obrażenia związane z gigantycznymi przeciążeniami.

59 ŻYCZYMY PRZYJEMNEJ PODRÓŻY

60 A czy zwykłemu człowiekowi to się na coś przyda? nowe materiały, nowe technologie, nowe urządzenia pomiarowe, zastosowania w medycynie, zastosowania w komunikacji, zastosowania w energetyce, zastosowania w ochronie środowiska...

61 24 lata temu... Tim Berners-Lee pisze słynny dokument, który stał się początkiem WWW (HTML) W jego pierwszych akapitach pisze: Many of the discussions of the future at CERN and the LHC era end with the question - ªYes, but how will we ever keep track of such a large project?º This proposal provides an answer to such questions. Firstly, it discusses the problem of information access at CERN. Then, it introduces the idea of linked information systems, and compares them with less flexible ways of finding

62 Dzisiaj globalna sieć komputerów Worldwide LHC Computing Grid: WLCG Klaster komputerowy: grupa połączonych jednostek komputerowych, które współpracują ze sobą w celu udostępnienia zintegrowanego środowiska pracy. The Worldwide LHC Computing Grid: międzynarodowy projekt mający na celu usprawnienie przechowywania oraz analizy danych pochodzących z eksperymentu LHC, łączący ponad 140 centrów komputerowych w 35 krajach. The Grid is so vast and complicated that attempts to model it using the Grid have actually failed.

63 Dzisiaj globalna sieć komputerowa komputerów i TB przestrzeni dyskowej dostępne dla każdego członka

64 Technologie stworzone dla potrzeb CERN zostały wykorzystane w: 1. Medycynie - diagnostyka: tomografia emisyjna PET, pozwalająca na badanie fizjologii organizmu, tomografia komputerowa CT, - leczenie: terapia hadronowa umożliwiająca skuteczne leczenie głęboko położonych guzów. 2. Przemyśle: - opracowano technologię opartą na materiale zwanym getterem, który można zastosować do poprawy izolacji termicznej urządzeń gospodarstwa domowego (np. lodówki). 3. Środowisko: - dzięki opanowaniu technologii wytwarzania ultrawysokiej próżni oraz łączenia szkła z metalem, płaskie próżniowe kolektory słoneczne przechodzą z fazy prototypu do sprzedaży, co stanowi znaczny postęp w wytwarzaniu energii ze źródeł odnawialnych. 4. Technologie informacyjne: - oprócz WWW niedawno powstała światowa sieć komputerów GRID.

65 Jeśli chcesz znaleźć się tam, Gdzie nigdy nie byłeś, Musisz iść drogą, Którą nigdy nie szedłeś. (Dominick Coniguliaro)