Oddziaływania cząstek elementarnych (punkt widzenia fizyka doświadczalnego) Agnieszka Obłąkowska- Mucha AGH, Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej, Katedra Oddziaływań i Detekcji Cząstek
Przyrządy optyczne Materia składa się atomów, atom budują elektrony i jądro, w jądrze są protony i neutrony, które składają się z KWARKÓW. tylko. jak to można zobaczyć? 1cm=10-2 m 10-8 m 10-10 m 10-15 m? Mikroskop reakcje jądrowe tunelowy- fala o mniejszej Przedmioty widzimy ponieważ długości rejestrujemy światło, które się od nich odbija. oko i mikroskop Ale jest to możliwe tylko wtedy, światło widzialne o długości 10-6 - 10-8 m. gdy rozmiar przedmiotu jest podobny do długości fali światła Małopolska Chmura Edukacyjna A.Obłąkowska- Mucha, AGH, WFiIS 2
Rozbić to w drzazgi! Drugi sposób sprawdzenia, z czego zbudowany jest przedmiot, polega na rozbiciu go na drobne kawałki! Tylko czasem trudno odtworzyć pierwotny kształt! W dodatku chcielibyśmy również wiedzieć, jak urządzenie działało.??? W obydwu metodatch mieliśmy do czynienia z rozpędzaniem materii do jak największych prędkości. W FWE mówimy raczej o najwyższych energiach, bo w naszej skali wszystkie cząstki poruszają się z 0.99999999 c. 3
Wysokie energie- powód III Obecnie przyjmuje się, że Wszechświat powstał w spektakularnym akcie Wielkiego Wybuchu. Cała nasza historia zaczęła się, gdy bardzo wielka i bardzo gęsta energia zaczęła zamieniać się w materię. Wszechświat powstał prawie 14 mld temu z osobliwie gęstego i gorącego (10 32 K) 10-wymiarowego obiektu, w którym istniała pełna symetria i jedno oddziaływanie, Inflacja gwałtowny wzrost objętości Wszechświata (10 78 krotne) i stygnięcie. Faza gorącego Wszechświata stan równowagi pomiędzy cząstkami, antycząstkami i fotonami (tyle samo cząstek znika, co jest produkowanych). Po 10-34 s zaczynają różnicować się oddziaływania. Większość par już tylko anihiluje (mała energia). Po 10-7 s pozostała niewielka nadwyżka protonów i neutronów. Bariogeneza proces, w którym powstały nukleony. Problem jaki proces spowodował, że z początkowo idealnie symetrycznego stanu Wszechświata powstał układ złożony tylko z cząstek? Brak antymaterii!!! 4
bigbang 5
Akceleratory Przekonaliśmy się już, że do wyjaśnienia zarówno z czego składa się materia oraz jak powstał Wszechświat nieodzowne jest przyspieszanie cząstek. Do przyspieszania nadają się obiekty naładowane elektrycznie, czyli elektrony, protony, jony lub miony (na fotony i neutrony również są metody, ale tu o nich nie będzie). Metoda jest prosta: np. elektron przechodząc od ujemnego bieguna baterii, do dodatniego, ulega przyspieszeniu o wartość energii = eu. Jak ustawimy takich baterii kilka (lub kilkaset), dodamy mu energii o znacznej wartości. Przechodząc przez akceleratory elektron zwiększa prędkość, ale również masę 6
Akceleratory kołowe Znacznie oszczędniej będzie, jeśli zamiast budowania kolejnych stacji baterii zmusimy cząstkę, aby zawróciła i przeszła ponownie przez te same elementy przyspieszające (D). Do zakrzywienia toru naładowanej elektrycznie cząstki służą magnesy (B). Zbudowaliśmy w ten sposób akceleratory kołowe. A jeszcze lepiej, gdy wykorzystamy te same elementy do przyspieszania jednocześnie cząstek i antycząstek (elektronów i pozytonów, protonów i antyprotonów). 7
Jednostki energii O jakich energiach mówimy? Energia (np. kinetyczna) wyrażana jest w dżulach: 1J= 1/2 2kg 1m/s energia kinetyczna 2kg-mowej piłki rzuconej z prędkością 1 m/s. Ale energię bardzo małych obiektów lepiej wyrażać w elektronowoltach [ev] e Gdyby z baterii 1.5 V zrobić akcelerator, to mógłby on przyspieszyć elektron (proton) do energii 1.5 ev. 1.5 ev Zadanie 1. Ile baterii AAA potrzeba, aby nadać elektronowi energię 1J? Jaką prędkość miałby wtedy elektron? (m e = 9.1 10-31 kg, 1 ev = 1.60 10-19 J) 8
Rozwiązanie 1 Zadanie 1. Ile baterii AAA potrzeba, aby nadać elektronowi energię 1J? Jaką prędkość miałby wtedy elektron? (m e = 9.1 10-31 kg, 1 ev = 1.6 10-19 J) 1 bateria - - - - - 1.5 ev= 1.60 10-19 J x baterii - - - - - - 1 J x= 1 J/1.5 1.6 10 19 J =0.42 10 19 = 4 200 000 000 000 000 000 v= 2 E kin /m E kin = 1/2 m v 2 v= 2 1 J/9.1 10 31 kg = 1.48 10 15 Prędkość światła: c=3 10 8 m/s Jednostki ze świata makro nie nadają się do opisu bardzo małych, elementarnych obiektów. 9
Jednostki masy i energii Przeliczenie energii elektronu zajęło (uzdolnionej matematycznie młodzieży) około 7 minut w dodatku te wykładniki. Czy nie ma bardziej przejrzystego sposobu podawania energii (masy, prędkości) bardzo małych obiektów (z mikroświata)? Fizycy używają jednej jednostki [ev] do wszystkich tych wielkości! Energia i materia są różnymi postaciami tego samego pojęcia jedna forma może zamieniać się w drugą! Zadanie 2. Ile wynosi masa elektronu w ev? A właściwie w kev? (m e = 9.1 10-31 kg, 1 ev = 1.60 10-19 J, c=3 10 8 m/s) 10
Rozwiązanie 2 E = (9.1 10 31 kg) (3 10 8 m/s )2 = 8.2 10 14 J 510 000 ev =510 kev Masa elektronu wynosi 510 kev. Masa protonu (i neutronu) 1 000 000 kev = 1 000 MeV= 1GeV Masa dr inż. AOM = 4 10 25 GeV. 1 GeV = 1 000 000 000 =10 9 ev 1 TeV = 1 000 000 000 000 =10 12 ev 11
Zderzamy! Po rozpędzeniu cząstek do wymaganych energii zderzamy je! W centrum mamy podwojoną energię wiązek. Baaaardzo ogromne gęstości energii! elektrony są cząstkami punktowymi, zderzają się jak piłki rys:l.gorlich. Naszym następnym zadaniem jest złapanie wszystkich powstałych fragmentów i odtworzenie, co stało się podczas zderzenia protony składają się z kwarków, zderzają się jak worki z piaskiem p p Wystarczy teraz pokazać, że wśród zarejestrowanych cząstek są te najbardziej poszukiwane. 12
Produkcja nowych cząstek Zasada zachowania masy: W stanie końcowym są dokładnie takie same cząsteczki, co na początku (chociaż inaczej związane) Nowe reguły: Zamiana energii w materię: przy zderzeniu protonów o bardzo dużej energii powstają cząsteczki o masie większej niż masa początkowych protonów p + p E=mc 2 p γ µ + p u µ - d p p p W + b H 0 W - c p 13
Model Standardowy Zawiera naszą wiedzę budowaną od lat 30-tych o cegiełkach materii i łączących ich spoiwach. Przez dwa sezony zbierania danych, fizycy z LHC potwierdzili postulaty MS, wyznaczyli jego parametry z wyższą precyzją i nałożyli nowe ograniczenia. Najlżejsze letptony (elektron, neutrino) i kwarki u, d tworzą ziemską materię Trochę cięższe letptony (miony) i kwarki s przylatują z kosmosu Najcięższe letptony (tau) i kwarki c,b, t, powstały podczas Wielkiego Wybuchu (i się rozpadły) 14
Hadrony Leptony są najmniejszymi składnikami i można bezpośrednio obserwować. Kwarki są zawsze związane w PARACH lub TRÓJKACH. HADRONY to stany związane pary kwark-antykwark lub trzech kwarków W zderzeniach cząstek o wysokich energiach mogą powstać nowe cząstki o dużo większych masach! Małopolska Chmura Edukacyjna A.Obłąkowska- Mucha, AGH, WFiIS 15
Rozpady ALE!!!! Cięższe cząstki rozpadają się do najlżejszych: 140 MeV 106 MeV 0.5 MeV Współczesna materia zbudowana jest z fermionów i kwarków pierwszego (najlżejszego) pokolenia: elektronu, kwarków u i d budujących proton i neutron, neutrina elektronowego Proton jest cząstką stabilną! Nie rozpada się! 16
Oddziaływania Cztery typy odddziaływań (potocznie opisywane przez siły): - grawitacyjne, - elektromagnetyczne, - silne (jądrowe) - słabe (np. produkcja energii na Słońcu) Przenoszenie oddziaływań przez bozony można porównać do wymiany piłkiobiekt A rzuca B łapie (lub odwrotnie). Za każdym razem doznają one odrzutu zmienia się ich pęd. Wyobraźmy sobie, że nie widzimy rzucanej piłki, ale obserwujemy oddziaływanie pomiędzy A i B i już jasne jest co oznacza oddziaływanie między elektronem i protonem zachodzi poprzez wymianę fotonu (wirtualnego) 17
Spoiwa Wszyskie oddziaływania przenoszone są przez BOZONY pośredniczące Wszyskie odkryte z wyjątkiem bozonu Higgsa H 0 18
Plan doświadczenia 1. Budujemy akcelerator. 2. Przyspieszamy cząstki (elektrony lub protony) 3. Zderzamy je. 4. W zderzeniu powstaną nowe, ciężkie, krótko żyjące obiekty. 5. Miejsce zderzenia obudowujemy urządzeniami, które mogą zarejestrować obecność cząstki detektorami. Tak został wymyślony Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) 19
LHC- Wielki Zderzacz Hadronów Zespół akceleratorów protonów, zbudowany pod Genewą, w ośrodku CERN Największy pierścień ma 27 km obwodu, urządzenia zbudowane są w tunelu, na głębokości do 100 metrów. 20
LHC- krótka historia 2006-08 ukończona budowa LHC i 4 detektorów 19 września 2008 przy podnoszeniu energii do 5 TeV awaria jednego z połączeń elektrycznych wybuch i wyciek helu z systemu chłodzenia, zniszczone ok. 40 magnesów, 20 października 2009 LHC przyspiesza protony do 3.5 TeV, 28 września 2012 LHC działa, energia wiązek 4 TeV, najwyższe energie osiagane w ziemskich laboratoriach. 18 września 2008 pierwsze wiązki protonów w LHC Marzec 2013-marzec 2015 przerwa techniczna, modernizacja Maj 2015 - LHC pracuje z pełną mocą! >2035 energia > 30 TeV 21
Magnesy LHC Do zakrzywienia toru protonów konieczne jest pole magnetyczne. Im większy pęd, tym pola musi być większe. Pole magnetyczne wytwarzane jest przez prąd żeby utrzymać 4 TeV-owe protony na orbicie indukcja pola musi być ponad 8 Tesli, a natężenie prądu ponad 10 000 Amperów! NADPRZEWODZĄCE cewki magnesu 22
Magnesy LHC 23
LHC same naj Największy akcelerator kiedykolwiek zbudowany. Największe laboratorium na świecie. Największe i najbardziej skomplikowane detektory. Komputery o największych mocach obliczenowych. Najzimniejsze miejsce w przestrzeni kosmicznej (cewki nadprzewodzące chłodzone są nadciekłym helem o temp -271.3 C (1.9K) 270 000 km włókiem) Najcieplejszy punkt Wszechświata przy zderzeniu temp 100 000 razy niż Słońca Najniższa próżnia w Układzie Słonecznym 10-13 atm, Najwięcej zderzeń - 600 000 na sekundę LHC nominalnie ma zderzać wiązki protonów o energii 7 TeV, poruszające się w dwóch kierunkach i zderzane w 4 miejscach otoczonych systemami detektorów. Koszt LHC: 3 mld Euro 24
Detektory Następnym zadaniem jest rejestracja powstałych w zderzeniu cząstek. W wyniku zderzeń wysokoenergetycznych protonów powstaje kilka tysięcy cząstek wtórnych naładowanych (pionów, kaonów, protonów, elektronów, mionów) oraz neutralnych (fotonów, neutronów, neutrin). Ich detekcja jest możliwa dzięki rejestracji depozytów energii straconej przy przejściu cząstek przez materiał czynny detektora. Energia ta jest następnie zamieniana na sygnały elektryczne przetwarzane dalej przez oprogramowanie. Najciekawsze przypadki są zapisywane do dalszej obróbki. Fizycy zajmują się opracowaniem kryterów wyboru przypadków, które zostały przewidziane przez nową teorię lub które podważają obecnie istniejące poglądy. 25
26
Odkrycia na LHC Przypomnijmy jakie mieliśmy zadania: 1. Zbadać najmniejsze składniki materii (Model Standardowy). 2. Odkryć brakujące cząstki (z MS). 3. Poszukać śladów Nowej Fizyki (zaprzeczającej MS). 4. Wyjaśnić pochodzenie Wszechświata (w ramach lub poza MS). Sukces jest połowiczny - obecnie doświadczenia potwierdzają postulaty MS: znamy najmniejsze składniki i potrafimy wyjaśnić dlaczego tworzą one materię. BRAK jest jakichkolwiek dowodów potwierdzających istnienie Fizyki Poza Modelem Standardowym (BSM). 27
Bozon Higgsa Jego istnienie zostało przewidziane przez teorię oddziaływań elektrosłabych. Poszukiwania trwały od lat 80-tych, a program fizyczny LHC został dostosowany na potrzeby tego odkrycia. Dlaczego istnienie bozonu Higgsa jest takie ważne? Dobra teoria powinna spełniać dwa podstawowe warunki: - opisywać rzeczywistość, - przewidywać nowe zjawiska (które zostają potem odkryte). Teoria elektrosłaba wyjaśnia istnienie trzech pokoleń leptonów i kwarków oraz oddziaływanie poprzez wymianę bozonów, ale nie potrafi wyznaczyć masy cząstek. Teoria przewidziała istnienie bozonu Higgsa, ale nie pokazała, o jakiej masie należy go szukać! Peter Higgs 28
Rozpady bozonu Higgsa Bozon Higgsa może rozpaść się na kilkanaście sposobów, w zależności od swojej masy (której nie znamy). Poszukiwaliśmy go zatem w rozpadach, które można łatwo zidentyfikować: H γγ (dwa fotony) H 4 leptony (elektrony,miony) 29
Rozpady bozonu Higgsa Bozon Higgsa może rozpaść się na kilkanaście sposobów, w zależności od swojej masy (której nie znamy). Poszukiwaliśmy go zatem w rozpadach, które można łatwo zidentyfikować: H γγ (dwa fotony) H 4 leptony (elektrony,miony) 30
Rozpady bozonu Higgsa Bozon Higgsa może rozpaść się na kilkanaście sposobów, w zależności od swojej masy (której nie znamy). Poszukiwaliśmy go zatem w rozpadach, które można łatwo zidentyfikować: 𝐻 4 𝑙𝑒𝑝𝑡𝑜𝑛𝑦 (𝑒𝑙𝑒𝑘𝑡𝑟𝑜𝑛𝑦,𝑚𝑖𝑜𝑛𝑦) ATLAS Experiment 2014 CERN 𝐻 𝛾𝛾 Małopolska Chmura Edukacyjna A.Obłąkowska- Mucha, AGH, WFiIS 31
Odkrycie? Fizycy są bardzo ostożni. Przeprowadzono bardzo drobiazgową analizę, setki naukowców sprawdza analizę. Opublikowano wynik. Peter Higgs 2013 laureat nagrody Nobla for the theoreical discovery of a mechanism that contributes to our understanding of the origin of mass of subatomic paricles, and which recently was confirmed through the discovery of the predicted fundamental paricle, by the ATLAS and CMS experiments at CERN s Large Hadron Collider 32
Społeczność CERNu CERN jest również ośrodkiem edukacyjnym organizuje szkoły, kursy, szkolenia. Gromadzi społecznośc międzynarodową, umożliwia transfer wiedzy i technologii. Budowa i praca przy akceleratorach, zbieraniu danych przyczyniła się do znaczącego postępu w wilelu dziedzinach, głównie związanych z elektroniką i informatyką. Małopolska Chmura Edukacyjna A.Obłąkowska- Mucha, AGH, WFiIS 33
Dziękuję za uwagę! Zapraszam do dyskusji 34