Fizyka czastek i oddziaływań fundamentalnych A.F.Żarnecki, 04-01-2002 K.Doroba, 22-11-2002 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
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:,,,,!...),
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
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
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
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?
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
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
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
, 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
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
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
Metody eksperymentalne proton-(anty)proton q p p g q Badanie oddziaływań silnych. Supersymetria.
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
Metody eksperymentalne Eksperymenty nieakceleratorowe Badania promieniowania kosmicznego Badania neutrin Oscylacje neutrin - pomiar mas i katów mieszania. Pomiar czasu życia protonu Astronomia Cza stek Elemetarnych
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
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
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
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:
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 980 2000 2020
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 1989-1994 LEP I do 104 GeV w latach 1995-2000 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
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.
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] 40 30 ALEPH DELPHI L3 OPAL σ 0 20 Γ Z 10 measurements, error bars increased by factor 10 σ from fit QED unfolded M Z 86 88 90 92 94 E cm [GeV]
Zderzenia elektron-pozyton Masa bozonu GeV Liczba pokoleń czastek (przy założeniu lekkich ):
Zderzenia elektron-pozyton LEP II Wzrost energii produkcja rzeczywistych par DELPHI 183 GeV PRELIMINARY. events / 2 GeV/c 2 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 W mass (GeV/c 2 )
Zderzenia elektron-pozyton 20 σ WW [pb] LEP 08/07/2001 Preliminary 15 10 5 RacoonWW / YFSWW 1.14 no ZWW vertex (Gentle 2.1) only ν e exchange (Gentle 2.1) 0 160 170 180 190 200 210 E cm [GeV] GeV
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
Zderzenia elektron-pozyton Liczba przypadkow/50 MeV Masa niezmiennicza π + π - [GeV] W oddziaływaniach strukture fotonu. badamy kwarkowo-gluonowa
Zderzenia elektron-pozyton Projekt TESLA Projekt budowy liniowego akceleratora Długość km Planowane uruchomienie energie wia zek 250 400 GeV 2010. 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!)
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
Zderzenia elektron-pozyton Photon Collider TESLA Rozpraszaja silna wiazke laserowa c ( ) na wia zce elektronów ( 100-400 GeV) możemy uzyskać przeciwbieżne wia zki fotonów o energiach do 350 GeV!
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 2000 0 0 200 400 W γγ [GeV]
Zderzenia elektron-pozyton Pomiar sprzeżenia, poprzez pomiar przekroju czynnego na produkcje: Warszawa e e beams with s ee = 210 GeV Number of events/2gev 2500 2000 1500 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 =2 1000 500 0 80 90 100 110 120 130 140 150 Dokładność pomiaru W corr (GeV) 1-2 %
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)
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.
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...)
, 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
Zderzenia elektron-proton N 150 J/Ψ µ + µ - N J/Ψ = 349±21 N Ψ,= 8.5±4.9 100 50 Ψ, µ + µ - 0 2.5 3 3.5 4 M(µ + µ - ) [GeV]
Zderzenia elektron-proton 10 ZEUS Quark Radius Limit 1.2 1994-2000 prelim. N/N CTEQ5D 10 3 10 4 0.8 1 R q =0.73 10-16 cm 1 10 3 10 4 Q 2 [GeV 2 ] Preliminary 95% CL limit from combined 1994-2000 e ± p data R q < 0.73 10-16 cm
Zderzenia elektron-proton dσ CC /dq 2 / pb GeV -2 1 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 Charged Current e + p: Standard Model H1 94-00 prel. ZEUS 94-97 (corrected for CMS energy) e p: H1 prel. ZEUS prel. s=320 GeV 10 3 10 4 Q 2 / GeV 2 dσ NC /dq 2 / pb GeV -2 1 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 Neutral Current Standard Model e + p: H1 94-00 prel. ZEUS 94-97 (corrected for CMS energy) s=320 GeV 10 3 10 4 e p: H1 prel. ZEUS prel. Q 2 / GeV 2
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
Zderzenia proton-proton σ LHC s=14tev L=10 34 cm -2 s -1 rate ev/year barn 10 17 σ inelastic L1 input GHz 10 16 10 15 mb bb MHz 10 14 10 13 max HLT input 10 12 µb 10 11 nb W Z W lν Z l + l - tt max HLT output khz 10 10 10 9 10 8 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 10 7 10 6 pb qq qq H SM 10 5 H SM γγ h γγ tanβ=2-50 Z ARL l + l - mhz 10 4 10 3 fb H SM ZZ ( * ) 4l µhz Z SM 3γ scalar LQ Z η l + l - 50 100 200 500 1000 2000 5000 particle mass (GeV) 10 2 10 1
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 130-700 GeV the most promising channel is H 0 ZZ* 2 + 2 or H 0 ZZ 2 + 2. 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 60 80 20 40 H ZZ* 4 ± M Higgs = 150 GeV 120 140 160 180 M 4 ± (GeV)
he best possible electromagnetic calorimeter high quality central tracking hermetic hadron Zderzenia calorimeter proton-proton
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
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. 25 000 słomek produkcja rusza w roku 2003... 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
, 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.
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 )
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
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
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
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)
Badania Neutrin Super-Kamiokande Detektor w kopalni, 1 km pod ziemia, (góra Kamioka). Komora o wysokości 40 m i średnicy 40 m, 50 000 t było 11000 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 12000 fotopowielaczy, tak aby w 2006 przyja ć wia zke z nowego akceleratora JHF Wyniki 1998-2001 Wyraźna anizotropia w rozkładach neutrin atmosferycznych. Deficyt leca cych do góry Rozkłady katowe i energetyczne zgodne z hipoteza oscylacji neutrin:.
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
Błyski gamma - krótkie (0.1-100s) 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: 1-2.2002 - prototyp 2000x2000, wiosna 2003 - budowa 16 CCD, lato 2003 - start Kontakt: G.Wrochna, IPJ p.108, wrochna@fuw.edu.pl, hep.fuw.edu.pl/~wrochna/pi/
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
Podsumowanie Programy symulacji procesów fizycznych Programy symulacji działania detektora Programy rekonstrukcji przypadków Analiza danych fizycznych ( morze tematów) Każdy znajdzie dla siebie coś ciekawego!...