CERN: fizyka wysokich energii i edukacja szkolna. Krzysztof Fiałkowski Uniwersytet Jagielloński

Podobne dokumenty
Witamy w CERN Marek Kowalski

WYKŁAD 8. Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników

Cząstki i siły. Piotr Traczyk. IPJ Warszawa

WYKŁAD 8. Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników. Maria Krawczyk, Wydział Fizyki UW

Fizyka 3. Konsultacje: p. 329, Mechatronika

Oddziaływania fundamentalne

WSTĘP DO FIZYKI CZĄSTEK. Julia Hoffman (NCU)

Sylwa czyli silva rerum na temat fizyki cz astek elementarnych

Maria Krawczyk, Wydział Fizyki UW. Oddziaływania słabe 4.IV.2012

Boska cząstka odkryta?

Witamy w CERNie. Bolesław Pietrzyk LAPP Annecy (F) Wykład przygotowany przez polskich fizyków w CERNie.

LHC i po co nam On. Piotr Traczyk CERN

LHC: program fizyczny

WYKŁAD 8. Maria Krawczyk, Wydział Fizyki UW. Oddziaływania słabe

Fizyka cząstek elementarnych i oddziaływań podstawowych

Atomowa budowa materii

Promieniowanie jonizujące

Cząstki elementarne wprowadzenie. Krzysztof Turzyński Wydział Fizyki Uniwersytet Warszawski

Elementy Fizyki Jądrowej. Wykład 5 cząstki elementarne i oddzialywania

Na tropach czastki Higgsa

Fizyka cząstek elementarnych

Bozon Higgsa prawda czy kolejny fakt prasowy?

Podstawy Fizyki Jądrowej

Jak działają detektory. Julia Hoffman

Grzegorz Wrochna Narodowe Centrum Badań Jądrowych Z czego składa się Wszechświat?

Supersymetria, czyli super symetria

SCENARIUSZ LEKCJI FIZYKI Z WYKORZYSTANIEM FILMU PĘDZĄCE CZĄSTKI.

CERN - pierwsze globalne laboratorium. Magdalena Kowalska CERN, PH-Dept.

Zderzenia relatywistyczne

doświadczenie Rutheforda Jądro atomowe składa się z nuklonów: neutronów (obojętnych elektrycznie) i protonów (posiadających ładunek dodatni +e)

Bozon Higgsa oraz SUSY

Janusz Gluza. Instytut Fizyki UŚ Zakład Teorii Pola i Cząstek Elementarnych

Wszechświat cząstek elementarnych WYKŁAD 5

Cząstki elementarne. Składnikami materii są leptony, mezony i bariony. Leptony są niepodzielne. Mezony i bariony składają się z kwarków.

Fizyka cząstek elementarnych warsztaty popularnonaukowe

Skad się bierze masa Festiwal Nauki, Wydział Fizyki U.W. 25 września 2005 A.F.Żarnecki p.1/39

Z czego i jak zbudowany jest Wszechświat? Jak powstał? Jak się zmienia?

Zderzenia relatywistyczna

Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się w laboratorium CERN

Teoria Wielkiego Wybuchu FIZYKA 3 MICHAŁ MARZANTOWICZ

Jak działają detektory. Julia Hoffman# Southern Methodist University# Instytut Problemów Jądrowych

Oddziaływania podstawowe

Fizyka cząstek elementarnych. Tadeusz Lesiak

FIZYKA III MEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych

Wszechświat czastek elementarnych

FIZYKA IV etap edukacyjny zakres podstawowy

Model Standardowy i model Higgsa. Sławomir Stachniewicz, IF PK

Kurs dla nauczycieli fizyki - Cząstki elementarne w CERN pod Genewą.

- Cząstka Higgsa - droga do teorii wszystkiego

Akceleratory Cząstek

Promieniowanie kosmiczne składa się głównie z protonów, z niewielką. domieszką cięższych jąder. Przechodząc przez atmosferę cząstki


Co dalej z fizyką cząstek czy LHC udzieli na to pytanie odpowiedzi? 1

Theory Polish (Poland)

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

Wszechświat Cząstek Elementarnych dla Humanistów Diagramy Faynmana

Fizyka na LHC - Higgs

Ekspansja Wszechświata

Szczegółowe wymagania edukacyjne na poszczególne oceny śródroczne i roczne z przedmiotu: FIZYKA. Nauczyciel przedmiotu: Marzena Kozłowska

Tomasz Szumlak WFiIS AGH 03/03/2017, Kraków

Wszechświat cząstek elementarnych

( Kwantowe ) zasady nieoznaczoności Heisenberga. a rozmiar ( grawitacyjnej ) czarnej dziury; Wstęp do teorii strun

Fizyka cząstek 5: Co dalej? Brakujące wątki Perspektywy Astrocząstki

CERN - pierwsze globalne laboratorium. Magdalena Kowalska CERN, PH-Dept.

Elementy fizyki czastek elementarnych

Jak działają detektory. Julia Hoffman

Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 2

I. Przedmiot i metodologia fizyki

th- Zakład Zastosowań Metod Obliczeniowych (ZZMO)

Autorzy: Zbigniew Kąkol, Piotr Morawski

DLACZEGO BUDUJEMY AKCELERATORY?

2008/2009. Seweryn Kowalski IVp IF pok.424

Materia i jej powstanie Wykłady z chemii Jan Drzymała

Ostatnie uzupełnienia

FIZYKA KLASA I LICEUM OGÓLNOKSZTAŁCĄCEGO

Oddziaływanie podstawowe rodzaj oddziaływania występującego w przyrodzie i nie dającego sprowadzić się do innych oddziaływań.

Wszechświat Cząstek Elementarnych dla Humanistów Detekcja cząstek

Fizyka promieniowania jonizującego. Zygmunt Szefliński

czastki elementarne Czastki elementarne

Wszechświat Cząstek Elementarnych dla Humanistów Diagramy Faynmana

Rozpad alfa. albo od stanów wzbudzonych (np. po rozpadzie beta) są to tzw. długozasięgowe cząstki alfa

Spis treści. Fizyka wczoraj, dziś, jutro. Z naszych lekcji. Olimpiady, konkursy, zadania. Astronomia dla każdego

Cząstki elementarne Odkrycia Prawa zachowania Cząstki i antycząstki

Zderzenia relatywistyczne

Fizyka 2. Janusz Andrzejewski

Wszechświata. Piotr Traczyk. IPJ Warszawa

Tajemnicze neutrina Agnieszka Zalewska

WYKŁAD 6. Oddziaływania kolorowe cd. Oddziaływania słabe. Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników

Detektory w fizyce cząstek

Wykład XIII: Rozszerzenia SM, J. Gluza

Reportaż ze szkolenia w CERN w Genewie, r.

WYKŁAD 3. Maria Krawczyk, Wydział Fizyki UW. Masy i czasy życia cząstek elementarnych. Kwarki: zapach i kolor. Prawa zachowania i liczby kwantowe:

Eksperyment ALICE i plazma kwarkowo-gluonowa

Model Standardowy budowy Wszechświata

Fizyka wysokich energii w erze LHC

Już wiemy. Wykład IV J. Gluza

EDUKACYJNE ZASOBY CERN

Wszechświat cząstek elementarnych

Wszechświat czastek elementarnych

JÜLICH ELECTRIC DIPOLE INVESTIGATIONS MEASUREMENT WITH STORAGE RING

Transkrypt:

CERN: fizyka wysokich energii i edukacja szkolna Krzysztof Fiałkowski Uniwersytet Jagielloński

Czym jest CERN? CERN to skrót francuskiej nazwy Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, czyli Europejska Rada Badań Jądrowych. Ta Rada istniała w latach 1952-4 i doprowadziła do powstania Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych, której laboratorium zbudowane pod Genewą nazywa się obecnie Europejskim Laboratorium Fizyki Cząstek. Jednak skrót CERN jest nadal używany dla określenia i organizacji, i laboratorium.

Kto należy do CERN-u? Państwami - członkami CERN-u są: Austria, Belgia, Bułgaria, Czechy, Dania, Finlandia, Francja, Grecja, Hiszpania, Holandia, Niemcy, Norwegia, Polska, Portugalia, Słowacja, Szwecja, Szwajcaria, Węgry, Wielka Brytania i Włochy. Indie, Izrael, Japonia, Rosja, Stany Zjednoczone, Turcja, Unia Europejska i UNESCO mają status obserwatorów.

Cele CERN-u Wg. konwencji założycielskiej: CERN ma zapewnić współpracę państw europejskich w dziedzinie badań jądrowych o czysto naukowym i fundamentalnym charakterze. CERN nie zajmuje się pracami na cele wojskowe, a wszystkie wyniki badań teoretycznych i doświadczalnych mają być publikowane lub upublicznione w inny sposób. Dziś tematyką badań nie jest fizyka jądrowa, ale badanie cząstek subjądrowych. Jednak powyższe zasady zachowują ważność.

Cele CERN-u - II Organizacja współpracy oznacza promocję kontaktów między uczonymi i wymiany z innymi laboratoriami i instytutami. Obejmuje to przekaz informacji, zapewnienie zaawansowanego szkolenia badaczy, organizację programów transferu technologii, edukacji i szkolenia na wielu poziomach. Badania: Poszukiwanie odpowiedzi na podstawowe pytania o mikro- i makrokosmos Technologia: Rozwój nowych technologii Współpraca: Zbliżanie narodów przez wspólne badania Edukacja: Szkolenie przyszłych uczonych

Główne badania doświadczalne Zderzenia cząstek: układ akceleratorów od liniowych (niskie energie) przez synchrotrony PS i SPS aż do LHC, największego akceleratora świata, który w jesieni ma zrealizować zderzenia wiązek protonów o energiach 7 TeV, kilka tysięcy razy większych od energii spoczynkowych (potem także ciężkie jony). Inne wiązki: powolne antyprotony (do produkcji antymaterii), jony niskich energii, neutrina wysyłane do Gran Sasso (pod Alpami), neutrony. W tunelu LHC (o długości prawie 30 km) działał do 2000 roku LEP największy akcelerator elektronów i pozytonów o energii ponad 100 GeV na wiązkę. Prowadzi się prace nad planowaniem CLIC (1 TeV?).

Uboczne skutki CERN-u Światowa sieć komputerowa www : zaproponował Tim Berners-Lee 1990, pierwsza strona świata info.cern.ch, po 1995 prace przekazane do konsorcjum Akceleratory: używane w produkcji nowych materiałów, sterylizacji pożywienia, narzędzi itd., obróbki radiacyjnej, testów nieniszczących, terapii raka, źródło promieniowania γ i neutronów do badań biologicznych i strukturalnych, w przyszłości także spalanie odpadów jądrowych, generacja energii w bezpiecznych siłowniach jądrowych etc.

Uboczne skutki CERN-u II Detektory: scyntylacyjne do obrazowania medycznego, czujników, testów i badań; wielodrutowe komory proporcjonalne do badań i prześwietleń zbiorników, półprzewodnikowe potencjalnie do niezliczonych zastosowań, Informatyka (oprócz www): programy symulacyjne, diagnoza wad, systemy kontrolne, obliczenia równoległe, Nadprzewodnictwo (zwłaszcza magnesy), Przewody i światłowody wielowłóknowe, Obrazowanie rezonansem jądrowym, Kriogenika, technika próżni, elektroinżynieria, geodezja..

Edukacja szkolna Popularyzacja fizyki dla zapewnienia dopływu przyszłych uczonych, strona internetowa: http://education.web.cern.ch/education/ Programy dla nauczycieli (Polska 2007 kwiecień, maj, listopad, 2008 10-15.02, 30.03-05.04) Materiały dla nauczycieli: strona http://education.web.cern.ch/education/chapter2 /Intro.html (w języku angielskim) Wizyty na stronach internetowych CERN, ewentualnie wizyty klas w CERNie (sponsorzy?)

Przykład wizyty (15-20.04.2007): Wprowadzenie do CERNu A. Siemko (CERN), Polska w CERNie J. Nassalski (IPJ), Detektory czastek czyli jak zobaczyc niewidzialne i Wstęp do ATLASa Z. Hajduk (IFJ PAN), Tunel LHC Eksperyment ATLAS J. Godlewski, A. Siemko, P. Golonka (CERN), Wprowadzenie do fizyki cząstek K. Fiałkowski (UJ), Wstęp do fizyki akceleratorów - Jak to działa S. Wronka (IPJ), Wprowadzenie do kosmologii S. Bajtlik (CAMK PAN), Eksperyment COMPASS J. Nassalski (IPJ), M. Stolarski (UW), Komputery w CERNie i GRID S. Gadomski (Un. Berno), Synchrotron protonowy (PS) i (lub) Decelerator Antyprotonów (AD) oraz Fabryka Antymaterii A. Siemko (CERN), ponadto zwiedzanie, sesje dyskusyjne i budowa komory pęcherzykowej.

Elementy fizyki CERNu w szkole Podstawa programowa dla liceów m.in.: 7. Budowa i ewolucja Wszechświata. Czas - przestrzeń - materia - energia. Cząstki elementarne a historia Wszechświata. Obserwacyjne podstawy kosmologii. Modele kosmologiczne. Galaktyki i ich układy. Ewolucja gwiazd. Badania z CERNu dotyczą głównie cząstek, ale mają ścisły związek z kosmologią. Przykłady:

Nowe cząstki? LHC będzie największym akceleratorem świata, więc pozwoli na produkcję cząstek o masie większej od wszystkich znanych (część energii kinetycznej zderzających się cząstek można zamienić na energię spoczynkową nowych cząstek). Niektóre oczekiwane cząstki: bozon Higgsa hipotetyczna cząstka, której pole jest niezerowe w próżni, a jego oddziaływanie nadaje masę wszystkim innym cząstkom oprócz fotonów; supersymetryczni partnerzy znanych cząstek

Bozon Higgsa Istnienie tej cząstki przewiduje teoria elektrosłabych oddziaływań Glashowa, Salama i Weinberga (Nobel 1979), wedle której oddziaływania słabe (np. rozpad β) mają maleńki zasięg, bo pośredniczące w nich cząstki nie mają masy zero jak fotony, tylko bardzo duże masy, prawie 100 GeV/c 2 (ok. 100 mas protonu). Tak się dzieje, bo tylko fotony nie oddziałują z polem Higgsa obecnym nawet w próżni, którego oddziaływanie nadaje bezwładność i zwalnia cząstki do v<c. Niestety teoria nie przewiduje wartości masy cząstki Higgsa. Nie odkryto ich w LEP II w CERNie, gdzie powinny powstawać parami w zderzeniach e + e - przy energii ponad 200 GeV/c 2, więc m H >115 GeV/c 2. Teoria: m H <200 GeV/c 2. Jeśli nie będzie ich też w LHC, kłopot!

Cząstki supersymetryczne Obecna teoria ( model standardowy ) ma wiele wad, nikt nie wierzy, że jest ostateczna. Jeśli istnieją nieznane dotąd ciężkie cząstki, trudno zrozumieć zgodność teorii z doświadczeniem, chyba, że efekt takich cząstek reguluje nowa symetria: każdej znanej dotąd cząstce odpowiada nowy partner o innym wewnętrznym momencie pędu (połówkowe i całkowite wielokrotności stałej Plancka). Takich cząstek dotąd nie odkryto. Może w LHC?

Po co jeszcze nowe cząstki? To, że spodziewamy się nowych cząstek, wynika też z astronomii: analiza ruchów w galaktykach sugeruje, że siły grawitacyjne pochodzą tam nie tylko z widocznych gwiazd, ale i z ciemnej materii. Takich niewidocznych dużych zwartych obiektów jest niewiele (widzielibyśmy je przez tzw. soczewkowanie grawitacyjne). Może więc ciemna materia to cząstki niezwiązane w materię (np. neutralne elektrycznie)? Mogą to być najlżejsze cząstki supersymetryczne.

Po co CERN nauczycielom? Uczestnictwo w programach: osobisty kontakt z ludźmi i urządzeniami CERNu, odpowiedzi na pytania i wątpliwości Korzystanie z materiałów: najaktualniejsze informacje o stanie fizyki cząstek, gotowe wykłady na różnych poziomach (niestety po angielsku, ale po wizytach także polskie prezentacje) Możliwość polecenia zainteresowanym uczniom wiarygodnych tekstów i prezentacji

Dwa obowiązkowe tematy wstępne fizyki cząstek w szkole E sp =mc 2 w prawie zachowania energii! Równoważność energii spoczynkowej i innych form energii (nie masy i energii ): możliwe procesy rozpadów, gdy suma mas produktów mniejsza od masy obiektu; możliwa produkcja nowych cząstek, gdy energia kinetyczna w zderzeniu większa od sumy ich energii spoczynkowych Relacja nieoznaczoności: badanie małych struktur przestrzennych x<λ wymaga przekazów pędu p>ħ/λ. Zatem fizyka cząstek subjądrowych i fizyka wysokich energii to synonimy, λ<<1fm oznacza p>>1 GeV/c!

Jak opowiadać o cząstkach? Kilka uwag subiektywnych W szkole brak czasu na systematyczny wykład o klasyfikacji cząstek. Jak zachęcić uczniów, aby sami coś przeczytali? Wiadomo, że zwykła materia składa się z atomów, te z jąder i elektronów, jądra z protonów i neutronów. Po co nam więcej, zwłaszcza niestabilnych? Główna przyczyna: proton i neutron nie są elementarne, a teoria oddziaływań ich składników ( kwarków ) wymaga zbadania także innych ich układów. Są też kwarki inne, niż te z n i p, oraz kuzyni e: inne leptony.

Uwagi II: Czy stabilność ważna? Przesąd: nietrwałe, to mniej ważne, a przy tym mniej elementarne. Nieprawda! Neutron wybity z jądra też jest niestabilny! Przyczyna: masa neutronu jest większa od sumy mas protonu, elektronu i neutrina, więc zachodzi rozpad β, nadwyżkę energii spoczynkowej można zamienić na energię kinetyczną p, e i ν. Zatem: dlaczego neutrony w jądrach są stabilne? To proste: oddziaływania n i p w jądrach są takie, że zamiana n na p w typowym jądrze z reguły zmniejsza energię wiązania, więc zwiększa spoczynkową! To niedozwolone!

Uwagi III: Jak rejestrujemy cząstki? Jeśli mają ładunek, prosto: jonizują materię (odrywają elektrony z atomów), albo wzbudzają atomy. Efekty można wzmacniać i rejestrować sygnały elektryczne, albo zamieniać na inne (chemiczne, błyski świetlne itd.). Można też odbierać sygnały elektryczne w wyniku tworzenia ładunków w półprzewodnikach, promieniowanie Czerenkowa (świetlne w ośrodkach dla b. szybkich cząstek o v>c/n). Dla neutralnych: muszą wybić (albo wyprodukować) naładowane cząstki z materii.

Uwagi IV: Cząstki są wszędzie! Aby uczeń przestał uważać fizykę cząstek za egzotyczną, warto przypomnieć, że od zawsze przelatują przez nas cząstki promieniowania kosmicznego! Przykłady: na atmosferę ziemską pada na sekundę*metr kwadratowy ok. 1000 protonów o energii porównywalnej z ich energią spoczynkową, jeden na sekundę o energii stukrotnie większej, a jeden na rok o energii milion razy większej. Z oddziaływań tych protonów z materią atmosfery rodzą się inne cząstki, które dolatują do nas: naładowane, (np. miony, rzędu 1/s) i mnóstwo neutralnych, np. neutrina (biliony na sekundę ze Słońca, tysiące z rozpadów!). Na szczęście neutrina praktycznie nie oddziałują z materią naszych ciał!

Uwagi V: Ważniejsze, niż myślimy? Hipoteza hormezy radiacyjnej: najkorzystniejszy nie jest brak promieniowania jonizującego, ale poziom, do którego przystosowały nas miliony lat ewolucji! Hipoteza mutacji: człowiek jaskiniowy nie był paradoksalnie bardziej osłonięty przed promieniowaniem kosmicznym niż człowiek z sawanny. Przeciwnie, kilka metrów skały służyło do wzmocnienia efektów promieniowania przez tworzenie kaskady. Uwaga: ludzie zamieszkali w jaskiniach, gdy obniżyła się temperatura. Może więc nagły rozwój cywilizacji po epoce lodowcowej był owocem wzrostu liczby mutacji, z których niektóre polegały na rozroście mózgu (a ten przydawał się w zmiennych warunkach klimatycznych)?

Podsumowanie Wizyta w CERNie lub korzystanie z jego materiałów powinny ułatwić przekazanie uczniom kilku prostych prawd: Fizyka cząstek (wysokich energii) jest bardzo ciekawa i ważna dla innych nauk Technologia rozwinięta w CERNie zmieniła nasz świat (internet!) i nadal go zmienia Badanie świata cząstek nie jest fanaberią, ale naturalną koniecznością, jeśli chcemy zrozumieć i mikro- i makrokosmos! A to nie zawsze takie trudne