Zagraj w naukę! Spotkanie 5 Obecny stan wiedzy Maciej Trzebiński Instytut Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk
Zamiast wstępu Spotkanie 1 dyskusja n/t pomiaru zależności kąta rozpraszania od parametru zderzenia. Spotkanie 2 modelowanie komputerowe. Spotkanie 3 techniki badań mikroświata. Spotkanie 4 podstawy programowania elektroniki cyfrowej. 2
Pierwsze pytania Ludzie od najdawniejszych czasów zadawali sobie podstawowe pytania: W jaki sposób i kiedy powstał świat? Czy jest on skończony czy nie? Z czego się składa? i wiele podobnych... Odpowiedzi były najczęściej natury filozoficznej (brak eksperymentu). Demokryt 3
Rozwój poglądów Roger Bacon (1214 1294) W celu poznania sekretów natury człowiek musi ją obserwować. metoda dedukcji oparta na doświadczeniu Przez wiele stuleci rozważania na temat atomów ograniczały się do czystych spekulacji, a fizycy i chemicy mieli różny stosunek do tego zagadnienia. Isaac Newton właściwości pierwiastków chemicznych zależą od ułożenia ich atomów. Antoine Lavoisier substancje zbudowane są z atomów, ale nie ma to znaczenia dla chemii. Rudjer Josip Bośković atomy to geometryczne punkty, centra sił przyciągających i odpychających. 4
Rozwój poglądów John Dalton (1766 1844) Cała materia złożona jest z atomów. Atomy nie mogą zostać stworzone lub zniszczone. Atomy tych samych substancji są identyczne. Atomy różnych substancji są różne. Reakcje chemiczne zachodzą, gdy atomy się reorganizują. Dmitrij Mendelejew (1834 1907) 5
Model atomu Joseph John Thomson (1856 1940) Ernest Rutherford (1871 1937) 6
Ewolucja poglądów Rutherforda Zaczynam sądzić, że centralny rdzeń [atomu] jest naładowany ujemnie, ponieważ w przeciwnym wypadku prawo absorpcji promieni beta byłoby inne od tego, które obserwujemy. w liście do W. H. Bragga, 9 II 1911 r. atom składa się z centralnego punktowego ładunku elektrycznego [ ] otoczonego przez równy co do wielkości ładunek przeciwnego znaku rozłożony równomiernie wewnątrz sfery... abstrakt artykułu, 7 III 1911 r. atom zawiera w środku ładunek ±Ne otoczony ładunkiem ±Ne rozłożonym równomiernie wewnątrz sfery o promieniu R... publikacja, V 1911 r. Zakładam, że atom składa się z dodatnio naładowanego jądra o małych rozmiarach... Jądro jest otoczone przez elektrony, aby atom był jako całość obojętny elektrycznie. publikacja, III 1914 r. 7
Promieniowanie kosmiczne Victor Francis Hess 1912 r. lot balonem na wysokości ponad 5 km Odkrycie promieniowania jonizującego docierającego do Ziemi z przestrzeni kosmicznej Skład promieni kosmicznych (dot. cząstek naładowanych) : - 90%: protony (jądra atomów wodoru), - 9%: jądra helu, - ok. 1%: jądra cięższych pierwiastków, śladowy strumień elektronów, pozytonów i antyprotonów... 8
Pozytron, neutron, neutrino,... Wolfgang Pauli 1930 propozycja neutrina Jądrowe rozpady β: (Z, A) (Z-1, A) + e+ + νe Teoria: brak neutrina rozpad dwuciałowy stała energia elektronu (pomijając odrzut ciężkiego jądra) Obserwacja: ciągłe widmo energii elektronów. Carl Anderson 1932 pozyton James Chadwick 1932 neutron - naświetlanie berylu cząstkami α: α + 9Be 12C + n - emisja promieniowania berylowego - bardziej przenikliwe niż zwykłe promieniowanie γ 9
Nowe teorie 1933 E. Fermi: jądrowy rozpad β - oddziaływanie słabe odpowiedzialne za rozpad swobodnego neutronu lub związanego (w jądrze) neutronu lub protonu: n p + e - + νe p n + e + + νe - pierwsza kwantowa teoria oddziaływań słabych sformułowana dla nukleonów i leptonów (w tym hipotetycznego neutrina) - oddziaływanie słabe zachodzi w jednym punkcie czasoprzestrzeni 1933 H. Yukawa: siły jądrowe - krótki zasięg (~1 fm) silnych oddziaływań jądrowych wiążących nukleony w jądrze wynika z kwantowej wymiany cząstek obdarzonych masą - mezon Yukawy o masie rzędu 100 MeV 10
Mion, pion... 1937 - odkrycie mionów C. Anderson S. Nedermeyer - obserwacja w promieniowaniu kosmicznym za pomocą komory mgłowej - początkowo uważano, że miony są przewidzianymi przez Yukawę mezonami - ALE, jak na cząstki Yukawy zbyt słabo oddziałują z materią i w spoczynku rozpadają się na elektrony, zamiast podlegać absorpcji w jądrach 1947 - odkrycie pionów (C. Powell) 11
Cząstki dziwne 1947 - C. Butler i G. Rochester K + rozpad naładowanego kaonu: K+ μ+ + νμ Promieniowanie kosmiczne: pierwsza obserwacja długożyciowych cząstek (rejestracja w komorze mgłowej). Eksperymenty akceleratorowe: cząstki takie produkowane są tylko w parach µ + 1953 nowa liczba kwantowa dziwność 12
Elektrodynamika kwantowa J. Schwinger R. Feynman S. Tomonaga QED (1948) kwantowa teoria pola opisująca oddziaływanie cząstek naładowanych elektrycznie poprzez wymianę kwantów pola elektromagnetycznego - fotonów 13
Odkrycie neutrin 1956 - eksperyment Reinesa-Cowana detekcja oddziaływań antyneutrin elektronowych z reaktora Savannah River w zbiorniku (H2O + CdCl2) otoczonym licznikami scyntylacyjnymi 1962 odkrycie neutrina mionowego - wiązka neutrin z rozpadów π μ+ν - w wyniku oddziaływań neutrin z materią produkują się głównie miony - neutrino z rozpadu π (νμ) różne od neutrina (νe) z rozpadu jądrowego β 14
15
Sytuacja na początku lat sześćdziesiątych - bardzo duża ilość cząstek elementarnych - brak teorii wyjaśniającej prawidłowości i porządkującej wiedzę 1964 M. Gell-Man i G. Zweig: idea kwarków (u, d, s) bariony: trzy kwarki mezony: kwark-antykwark kwarki mają ułamkowe ładunki elektryczne 16
Odkrycie cząstki Ω1964 odkrycie w Brookhaven National Laboratory cząstki składającej się z trzech kwarków dziwnych 17
Dalszy rozwój fizyki cząstek 1973 chromodynamika kwantowa (QCD): kwantowa teoria pola opisująca oddziaływania między kolorowymi kwarkami poprzez wymianę gluonów 1974 odkrycie cząstki J/Ψ: na akceleratorach SLAC i Brookhaven odkryto stan związany czwartego kwarka (charm, c) 1975 odkrycie leptonu τ: na akceleratorze w SLAC odkryto cięższego brata elektronu i mionu (masa ~ 3380 me) 1977 odkrycie kwarku b: na akceleratorze w Fermilab odkryto rezonans Y stan związany kwarku b i anty-b 1979 odkrycie gluonów: na akceleratorze PETRA w DESY zaobserwowano przypadki produkcji trzech dżetów 1995 odkrycie kwarku t: na akceleratorze Tevatron w Fermilab (masa ~170 mp, czas życia t ~ 10-25s) 2000 odkrycie neutrina taonowego: eksperyment DONUT (Direct Obserwation of Nu Tau) w Fermilab 18
19
Co wiemy obecnie o strukturze naszego świata? 20
Rozpraszanie elastyczne
Rozpraszanie elastyczne w zderzeniach proton-proton p p p p - zderzamy dwie wiązki protonów, - w części zderzeń protony ulegną zniszczeniu wyprodukowane zostaną nowe cząstki, - dość często (~30% przypadków) zdarza się, że protony nie ulegają zniszczeniu i w zderzeniu nie są produkowane nowe cząstki; takie zderzenie nazywamy rozpraszaniem elastycznym - w zderzeniu elastycznym energia protonów nie ulega zmianie; zmienia się natomiast ich pęd - jeżeli proton uzyska pęd rzędu 1 GeV w kierunku poprzecznym, to zakładając energię wiązki E = 3500 GeV można obliczyć kąt rozproszenia: 286 mikroradianów - ponieważ kat ten jest niewielki, to w celu zmierzenia protonów rozproszonych elastycznie istnieje potrzeba posiadania specjalnych detektorów umieszczonych daleko od punktu oddziaływania 22
Eksperyment TOTEM 23
Program modele rozpraszania elastycznego Program dostępny jest na stronie: http://zagrajwnauke.ifj.edu.pl/materials/wyk5_program.cpp Kod zawiera funkcje dyskutowane na poprzednich zajęciach: a) double rozpraszanie1 (double b) obliczenie kąta rozpraszania dla kul bilardowych b) double rozpraszanie2 (double b) obliczenie kąta rozpraszania dla rozpraszania ładunków while (x*x + y*y <= x0*x0 + y0*y0) automatyczne ustalenie zakresu dt = 100.*r*r automatyczne dobranie przedziału czasu (tym mniejszy im większa siła) c) double losuj (double xmin, double xmax) losowanie liczby z zadanego przedziału d) void wypelnij (double v) wypełnienie histogramu e) void wyswietl () wyświetlenie histogramu f) void zapisz(const char nazwa[]) - zapisanie histogramu g) void czesc1() - tworzenie histogramów zależności kąta rozproszenia od parametru zderzenia 24
Zależność kąta rozproszenia od parametru zderzenia 25
Program porównanie do wyników LHC linia 71: const double vmax = 180.; linia 135: fi = rozpraszanie1(b); linia 71: const double vmax = 1.8; linia 135: fi = rozpraszanie1(b); 26
Program porównanie do wyników LHC linia 128: a<10000; linia 71: const double vmax = 180.; linia 135: fi = rozpraszanie2(b); linia 71: const double vmax = 1.8; linia 135: fi = rozpraszanie2(b); 27
Wyniki eksperymentu TOTEM 28
Wyniki eksperymentu TOTEM 29
Fizyka na LHC
Z czego składa się proton? kwarki walencyjne + skomplikowana mieszanina ( morze ) kwarków i gluonów Na LHC zderzamy partony! 31
Zderzenie protonów Nie można bezpośrednio badać, co się stało w punktcie oddziaływania ALE badając zachowanie i właściwości stabilnych wyprodukowanych cząstek możemy o tym wnioskować. 32
Analiza danych przed selekcją po selekcji 33
Liczba przypadków wszystkie przypadki produkcji cząstek Przekrój czynny prawdopodobieństwo wystąpienia danego procesu. przypadki, w których produkowany jest bozon Higgsa energia zderzenia 34
Produkcja bozonu Higgsa na LHC 35 Przekrój czynny prawdopodobieństwo wystąpienia danego procesu.
Sposoby (kanały) rozpadu bozonu Higgsa Podstawowe wielkości w analizie: + zdolność rozdzielcza: ΔM/M + czystość próbki: sygnał / tło lub sygnał / (sygnal + tło) + znaczącość statystyczna: sygnał / (sygnał+tło) Duża zdolność rozdzielcza ΔM/M ~ 1-2% H γγ : rzadki, S/B < 1 H ZZ* 4l : b. rzadki, S/B >> 1 Średnia zd. rozdzielcza ΔM/M ~ 10-20% H bb : częsty, S/B << 1 H ττ : częsty, S/B < 1 Mała zdolność rozdzielcza ΔM/M > 30% H WW* 2l 2νν : b. częsty, S/B < 1 36
Ewidencje na istnienie bozonu Higgsa: H ZZ* 4l zdolność rozdzielcza: duża (1-2%) czystość próbki: bardzo duża (S/B >> 1) częstość występowania: bardzo mała 37
Ewidencje na istnienie bozonu Higgsa: H γγ zdolność rozdzielcza: duża (1-2%) czystość próbki: średnia (S/B < 1) częstość występowania: mała 38
Ewidencje na istnienie bozonu Higgsa: H WW* lvlv zdolność rozdzielcza: mała (> 30%) czystość próbki: średnia (S/B < 1) częstość występowania: bardzo duża 39
Ewidencje na istnienie bozonu Higgsa: H WW* lvlv zdolność rozdzielcza: średnia (10 20%) czystość próbki: średnia (S/B < 1) częstość występowania: średnia 40
Nie tylko Higgs! - poszukiwania supersymetrii 41
Nie tylko Higgs! - poszukiwania przypadków egzotycznych 42
Nie tylko Higgs! - testy Modelu Standardowego 43