Wstęp do fizyki cząstek - Indico

Wstęp do fizyki cząstek
Piotr Traczyk
UNITO/CERN
Co to jest fizyka cząstek?
●
●
Fizyka cząstek to nauka o tym z czego składa się świat,
który nas otacza.
Fizyka cząstek zajmuje się:
–
podstawowymi składnikami z którch zbudowana
jest materia – cząstkami elementarnymi
–
oddziaływaniami pomiędzy tymi cząstkami
2
Z czego składa się materia?
●
Tales, 600 p.n.e. - cztery żywioły
●
Demokryt, 400 p.n.e. - atomy
●
Arystoteles, 350 p.n.e. - pierwiastki
●
Boyle, 1689 – pierwiastki
●
Dalton, 1808 – atomy, niepodzielny składnik
pierwiastków
●
Thomson, 1897 – elektron, 1904 – model atomu
●
Kolejny krok –> fizyka jądrowa
3
Fizyka jądrowa
●
●
Marzenie alchemików – zamiana jednych pierwiastków
na inne
Ale nie tylko:
Rozszczepienie uranu
Cykl reakcji termojądrowych
dzięki którym Słońce świeci
4
Z czego składa się materia?
●
Stan na początek XX wieku – 5 cząstek
wystarczy żeby opisać „prawie wszystko”:
–
Elektron
–
Proton i Neutron
–
Neutrino
(postulowane przez Pauliego w 1930, zaobserwowane w 1956)
–
●
Foton
Ale
–
1936 – odkrycie mionu
(choć dopiero w okolicach 1950 zrozumiano co właściwie odkryto...)
5
Nowe cząstki
●
●
●
●
●
Z początku szukano nowych cząstek używając „żródeł
naturalnych” - głównie w oddziaływaniach
promieniowania kosmicznego z atmosferą
Kolejny krok: przyspieszanie i zderzanie jąder –
tworzenie nowych pierwiastków „na żądanie”
W latach powojennych odkryto całe „zoo” nowych
cząstek
Gell-Mann (1964) Hipoteza kwarków – kilka składników z
których można „budować” inne cząstki jak z klocków
Proton i neutron -> cząstki elementarne złożone
6
Proton i Neutron
2/3+2/3-1/3 = 1
2/3-1/3-1/3 = 0
7
Klasyfikacja cząstek
(stan na dziś)
?
Bariony
Bozony
Fermiony
Hadrony
Kwarki
Leptony
Mezony
8
Pierwsze kryterium
●
Podział ze względu na spin* – całkowity czy
połówkowy
●
Spin całkowity – bozony
●
Spin połówkowy – fermiony
(*) spin – kwantowa własność cząstek zachowująca się jak „wewnętrzny
moment pędu”
9
Klasyfikacja cząstek
Fermiony vs Bozony
10
Bozony - nośniki oddziaływań
●
●
●
●
Jak opisujemy oddziaływania w świecie cząstek?
Przykład: rozpraszania elektronów
zachodzi przez wymianą fotonu
Pytanie: skąd elektron wie, że ma
wysłać foton?
Odpowiedź: nie wie, więc robi to bez przerwy...
11
Oddziaływania elementarne
●
●
●
●
Silne
8 gluonów
Elektromagnetyczne
1 foton
Słabe
3 bozony W+ W- Z0
Grawitacja
1 grawiton (?)
12
Klasyfikacja cząstek
Fermiony vs Bozony
13
Drugie kryterium – czy oddziałują silnie
Nie
Tak
14
Hadrony – cząstki zbudowane z kwarków
●
●
●
Ładunek silny kwarków – Kolor (RGB)
Cząstki utworzone z kwarków muszą być
„kolorowo neutralne” - białe
Dwie możliwości:
–
Trzy kwarki o różnych kolorach – bariony. Np. Proton,
neutron.
–
Para kwark-antykwark – mezony.
Uwaga – mezony mają spin całkowity więc są
bozonami. Ale nie są to już cząstki elementarne.
15
Klasyfikacja - podsumowanie
Fermiony
Bozony
kwarki
nośniki
leptony
oddziaływań
bariony
(3 kwarki)
mezony
(kwark - antykwark)
hadrony
16
Klasyfikacja - podsumowanie
Fermiony
Bozony
kwarki
nośniki
leptony
oddziaływań
bariony
(3 kwarki)
mezony
(kwark - antykwark)
hadrony
17
Model Standardowy
●
●
●
●
Matematyczny opis oddziałwyań
elektromagnetycznych, słabych i silnych, w
języku „kwantowej teorii pola”
Rozwinięty w latach '70 poprzedniego stulecia
Bardzo dobrze zgodny z doświadczeniem, kilka
spektakularnych sukcesów – odkrycie bozonów W
i Z (1983 CERN), kwarku top (1995 Fermilab)
oraz 2012 – bozon Higgsa (?)
A jednak fizycy wciąż szukają dziury w całym...
18
Problemy Modelu Standardowego
Typ I – opisuje ale nie wyjaśnia
●
Masy cząstek, siły oddziaływań itp.
●
Dlaczego trzy rodziny fermionów
●
ładunek protonu = - ładunek elektronu
19
Problemy Modelu Standardowego
Typ II – braki i niezgodności
●
Masy cząstek – nie potwierdzony jeszcze do
końca doświadczalnie mechanizm Higgsa
●
Ciemna materia
●
Asymetria materia-antymateria
●
Grawitacja – całkowicie pominięta
20
Problemy Modelu Standardowego
Typ III – pasuje do danych
●
●
Bezpośrednie pomiary jak dotąd całkowicie
zgodnie z modelem
Próby zaobserwowania procesów/cząstek
wykraczających poza Model Standardowy – jak
dotąd bezskuteczne
Silne przesłanki, że coś chowa się tuż za rogiem... 21
Najnowszy sukces modelu
standardowego odkrycie bozonu Higgsa
22
●
Pole Higgsa:
23
●
Pole Higgsa:
●
Cząstka Higgsa:
24
Jak odkryć bozon Higgsa?
1) Produkcja w zderzeniu protonów
2) Rozpad na znane cząstki (w zależności od tego
jak cząstka Higgsa się rozpadnie będzie ją
łatwiej lub trudniej „zobaczyć”)
3) Rejestracja produktów rozpadu w detektorze
4) Analiza danych – zderzenia zawierające rozpad
Higgsa trzeba oddzielić od „tła”
25
Przykład: rozpad na parę fotonów
●
●
●
Jak zobaczyć Higgsa? - szukamy zderzeń w
których detektor zarejestrował dwa fotony
Ale (oczywiście) para fotonów może pojawić się
w detektorze na wiele sposobów (niekoniecznie
pochodzić z rozpadu Higgsa)
Do odróżnienia SYGNAŁU od TŁA stosujemy
różne metody, w szczególności patrzymy na masę
niezmienniczą pary fotonów
26
Masa niezmiennicza
●
Wielkość zachowana przy zmianie układu
odniesienia, ale również przy rozpadzie:
w spoczynku:
E = mc2 → m = E/c2

w ruchu:
E2 = m2c4 + p2c2 → m = 1/c2 sqrt( E2 - |p|2c2 )
dla wielu cząstek:
m = 1/c2 sqrt( (ΣEi)2 – (Σpi)2c2 )
27
The H → γγ channel
One of these plots contains the (simulated) Higgs boson signal.
Can you spot it?
28/25
The H → γγ channel
One of these plots contains the (simulated) Higgs boson signal.
Can you spot it?
29/25
The H → γγ channel
One of these plots contains the (simulated) Higgs boson signal.
Can you spot it?
30/25
The H → γγ channel
One of these plots contains the (simulated) Higgs boson signal.
Can you spot it?
31/25
The H → γγ channel
One of these plots contains the (simulated) Higgs boson signal.
Can you spot it?
32/25
The H → γγ channel
One of these plots contains the (simulated) Higgs boson signal.
Can you spot it?
33/25
The H → γγ channel
One of these plots contains the (simulated) Higgs boson signal.
Can you spot it?
34/25
Jak zmierzyć czy coś widzimy czy nie?
●
●
Statystyka matematyczna powala nam
odpowiedzieć na pytanie:
jakie jest prawdopodobieństwo, że obserwowana
przez nas w którymś miejscu wykresu nadwyżka
przypadków jest tylko dziełem przypadku?
Standardowo wynik
wyrażamy w odchyleniach
standardowych czyli
„sigmach”
35
Wynik poszukiwania H->γγ (CMS)
Sygnał na poziomie 4,1 sigma
36
Wynik poszukiwania H->4l (CMS)
Sygnał na poziomie 3,2 sigma
Znane tło
37
Połączenie dwóch kanałów
5,0 sigma otrzymane
poprzez połączenie
wyników z dwóch
kanałów.
Prawdopodobieństwo
tego, że widzimy to co
widzimy jedynie
w wyniku czystego
przypadku, to około
1 : 3 000 000
Czyli z grubsza tyle co
prawdopodobieństwo
wyrzucenia 8 razy
6 oczek na kostce
38
Co dalej?
39