1/2

Co dalej z fizyką cząstek –
czy LHC udzieli na to
pytanie odpowiedzi?
9 stycznia, 2008
Marek Zrałek
Instytut Fizyki Uniwersytetu Śląskiego
1
Co dalej z fizyką cząstek –
czy LHC udzieli na to pytanie odpowiedzi?
W połowie przyszłego roku zostanie uruchomiony największy
akcelerator jaki kiedykolwiek został zbudowany na ziemi – LHC w CERN-ie.
Będzie on zderzać protony - każdy z energią 7 TeV oraz jąder ołowiu o łącznej
energii 1150 TeV, stwarzając warunki, jakie panowały we Wszechświecie w
momencie krótszym niż jedna bilonowa część sekundy po Wielkim Wybuchu.
Ta wielka energia i duża liczba zderzających się cząstek (świetlność) dadzą,
jak sądzimy, odpowiedź na kilka stawianych obecnie pytań. Dlaczego cząstki
elementarne mają masę, czy tzw. mechanizm Higgsa jest odpowiedzialny za
masy cząstek, czy istnieje cząstka Higgsa i jaką ma masę, czy supersymetria
jest następnym krokiem na drodze do zrozumienia budowy materii, czy
neutralne cząstki supersymetryczne (neutralina) stanowią ciemną materię we
Wszechświecie, dlaczego obserwujemy asymetrię pomiędzy materią i
antymaterią, czy Model Standardowy dobrze tłumaczy łamanie symetrii CP?
Odpowiedzi na te pytania pozwolą wytyczyć drogę poszukiwania
następcy Modelu Standardowego. Historia nauki pokazuje jednak, że
największe odkrycia były przypadkowe, przez nikogo nieoczekiwane. Czy LHC
też przyniesie takie niespodzianki? Już w niedługim czasie poznamy
2
odpowiedź na to pytanie.
Podstawowe
cząstki materii
Od elektronu (1897)
do neutrina typu tau (2000)
3
Andrzej
Wróblewski
„Historia
Fizyki”
NN 1906
Odkrycie elektronów
4
NN
1908
NN
1927
NN
1936
NN
1922
NN
1927
NN
1936
NN
1935
E. Rutherford (1911) ----- obserwacja rozpraszania
cząstek a na jądrach złota (a + Au).
C. Wilson (1912) –skonstuowanie komory Wilsona.
V. Hess (1912) ---- odkrycie promieniowania
kosmicznego.
Niels Bohr (1913) ----- hipoteza orbitalnego modelu
atomu.
E. Rutherford (1919) ----- obserwacja reakcji
jądrowych, wykrycie protonów (protony to jądra
atomów wodoru).
A. Compton (1922) ---- wykrycie fotonów w
rozpraszaniu Comptona.
C. Anderson (1932) – odkrycie pozytonu.
J. Chadwick (1932) ----- ciężkie fotony to nowe
cząstki nazwane neutronami, elektrycznie
5
obojętne o masie zbliżonej do masy protonu.
NN
1939
NN
1950
NN
1960
NN
1961
NN
1959
E. Lawrence (1932) ---- odkrycie cyklotronu.
C. Anderson i S. Neddermeyer (1934) ----- odkrycie
mezonów „m” z promieniowania kosmicznego i
początkowe mylne potraktowanie ich jako cząstki
Yukawy.
C.F. Powell (1947) ----- odkrycie pionów Yukawy
(mezonów pi).
A.Glaser (1952) ----- zbudowanie pierwszej komory
pęcherzykowej służącej do detekcji promieniowanie
kosmicznego.
R. Hofstadter (1954) ----- rozpraszanie elektronów
na jądrach, zbadanie rozmiarów jąder.
E. Segrè, O. Chamberlain(1955) ---- odkrycie
antyprotonu.
Odkrycie wielu nowych cząstek
( K, L, S, D, X, r.....).
6
NN(FR)
1995
NN
1988
NN(GM)
1969
NN
1992
NN
1990
F. Reines, C.L. Cowen (1956) ---- wykrycie neutrina
elektronowego.
L. Ledermann, M. Schwartz, J. Steinberger (1962) ---wykrycie drugiego rodzaju neutrin - neutrin
mionowych.
M. Gell-Mann, G. Zweig (1964) ---- hipoteza, że
odkrywane cząstki składają się z kwarków (asów).
G. Charpak (1968) ---- odkrycie wielodrutowych komór
proporcjonalnych
I.J. Friedman, H. Kandall, R.E. Taylor (1968-70) ---eksperymentalne wykrycie kwarków i gluonów.
NN
1976
B. Richter, S. Ting (1974) ---- wykrycie czwartego
kwarku –powabnego „c”.
7
u = up, d = down, s = strange , c = charm
M. Perl (1975) ----- odkrył istnienie trzeciego
leptonu naładowanego „t”.
NN-1995
L. Lederman (1978) ----- odkrył piąty kwark
wykryty szósty kwark „t” (1995).
trzecie neutrino (2000).
W CERN-ie cztery
ν eksperymenty pracujące
τ
przy akceleratorze LEP pokazały, że istnieją
tylko trzy generacje kwarków i leptonów.
obla
ód N
nagr
20
W tym samym ośrodku zostało zaobserwowane
znie
W ośrodku Fermilab koło Chicago został
Łąc
piękny„b”.
8
Podstawowe
oddziaływania
Elektrodynamika( 1948),
Model Glashowa-WeinbergaSalama(1967),
Chromodynamika kwantowa (1973).
9
H. Yukawa (1935) ---- przewidział istnienia mezonów
na podstawie teorii sił jądrowych
NN
1949
Kwantowa wersja oddziaływań elektromagnetycznych powstała pod
koniec lat 20 poprzedniego stulecia, stworzona przez Heisenberga,
Diraca, Borna i Jordana. Pole elektromagnetyczne opisane w teorii
Maxwella dwoma wektorowymi polami E i B stało się zbiorem cząstek,
kwantów pola zwanych FOTONAMI.
Oddziaływanie pomiędzy dwoma ładunkami polega na wymianie
pomiędzy nimi ogromnej liczby fotonów.
elektron
R. Feynman, J.Schwinger,
S. Tomonaga,
elektron
Podstawowa
teoria tłumacząca
istnienie
ATOMÓW
wymieniany foton
NN 1965
elektron
elektron
10
D. Gross, H. Politzer, F.
Wilczek,
NN 2004
Oddziaływanie pomiędzy kwarkami jest przenoszone
przez osiem „kolorowych” GLUONOW
11
Odkrycie łamania symetrii odbicia
zwierciadlanego P oraz symetrii zamiany
cząstek na antycząstki, C.
Oddziaływania słabe nie są też
symetryczne ze względu na obydwie te
symetrie łącznie dokonane, CP.
J.W. Cronin
V.L. Fitch (1964)
[NN dla Fitcha 1980]
NN 1979
G.’t Hooft, M.Veltman pokazali w latach
1971 – 1972, że teoria elektrosłaba jest
renormalizowalna.
NN 1999
C.Rubia, S. van der Meer – odkrycie
cząstek W oraz Z.
NN 1984
R. Davis, M. Koshiba, wykryli iż neutrina
posiadają masę różną od zera.
NN 2002
12
Łącznie 9 nagród Nobla
Pełną teorię oddziaływań oddziaływań
słabych podali w 1967 roku Glashow,
Weinberg i Salam.
T.D.Lee, C.N.Yang (1956)
[NN 1957]
Wu (1957)
SLAC
Od 1962
Kwark c, J/psi
Rozpraszanie
głęboko
nieelastyczne kwarki
Lepton tau
Wiązka elektronów
20 GeV
13
FERMILAB (od 1967 roku)
Pomiar masy
W,Z
Kwark b
Kwark t
Neutrino tau
Poszukiwanie
czastek
egzotycznych
Poszukiwanie
cząstki Higgsa
14
6.3 km
Wykrycie cząstek W i Z
LEP
SPS
15
SuperKamiokande
50000 ton H2O , 11200 fotopowielaczy (każdy 50 cm średnicy)
41.4 m (wysoki) na 39.3 m (średnica), próg 5 MeV.
16
DESY w HAMBURGU
6.3 km
Protony –
920 GeV
Elektrony,
Pozytrony –
27.5 GeV
2.3 km
10 – 20 m pod ziemią
17
Standardowy
model oddziaływań
cząstek
elementarnych
QED + GWS + QCD
18
Obecna wiedza o cząstkach i ich
oddziaływaniach
19
Problemy
Standardowego
Modelu Cząstek
20
Pomimo, że mamy w tej chwili zadawalająca teorię
opisującą najdrobniejsze składniki materii nie
uważamy ja za satysfakcjonującą. Wiele pytań
pozostaje bez odpowiedzi.
Dlaczego są trzy rodziny?
Dlaczego kwarki posiadają trzy kolory?
Jak wyjaśnić masy kwarków i leptonów?
Dlaczego stałe fizyczne mają takie wartości jakie mają?
Dlaczego łamana jest symetria CP?
Dlaczego mamy mieszanie pomiędzy kwarkami i
leptonami?
Problem kwantowej grawitacji,
W jaki sposób teoria cząstek wyjaśni powstanie
Wszechświata.
21
Pytania o początki – pytania teoretyczne:
¾Co spowodowało naruszenie symetrii materia- antymateria?
¾Czy była inflacja, a jeśli tak to jaki był jej mechanizm?
¾Co stanowi ciemną materię?
¾Jaka jest natura ciemnej energii?
¾Dlaczego energia próżni jest tak olbrzymia?
Jaka teoria zastąpi Model Standardowy?
¾Jaka jest masa neutrin?
¾Czy są dodatkowe wymiary czasoprzestrzenne?
¾Czy proton jest niestabilny?
¾Czy Ogólna Teoria Względności jest teorią ostateczną?
¾Jak wygląda Mechanika Kwantowa dla energii w skali
Plancka?
22
23
20 krajów europejskich należy do CERN
Kraje członkowskie (data przystąpienia)
24
25
lhc_atlas.swf
26
Large Hadron Collider (LHC)
Od 2008:
Największy
zbudowany przez
człowieka
zderzacz cząstek
CERN,
Geneva
Najszybszy tor na planecie dla protonów
Protony osiągną
99.9999991%
prędkości
światła, w ciągu
sekundy tunel o
długości 27 km
obiegną 11245
razy.
LEP (107 GeV) był szybszy dla elektronów: v/c => 99.9999999988596%
Największa próżnia w układzie
słonecznym
Na księżycu ciśnienie atmosferyczne jest 10
razy większe (wewnątrz rur akceleracyjnych
ciśnienie wynosi 10-13 atm, objętość 6500 m3).
Najzimniejsze miejsce we
Wszechświecie
LHC pracuje w
temperaturze
- 271.40C (1.9 K).
Zimniej niż w
przestrzeni
międzygwiezdnej
(2.7 K).
36,800 ton musi być
schłodzone do tej
temperatury (10080
ton ciekłego azotu +
96 ton ciekłego
helu)
Największa lodówka
kiedykolwiek zbudowana
Silne pole magnetyczne w dużej
objętości.
Nadprzewodzące
magnesy
produkują
pole
magnetyczne
8.4 Tesli
– prąd
nadprzewodzący
11700 Ampera
Długość każdego = 14.3 m , waga 35 ton
Cena - 0.5 mln CHF x 1232 sztuki
Najgorętsze miejsce w galaktyce
Dwie wiązki protonów
są przyspieszane do
energii 14 TeV, co
odpowiada
temperaturze
ponad 10 miliardów
razy większej niż
panuje wewnątrz
słońca.
Taka temperatura panuje w
małej objętości.
1010 K => 0.86 MeV stąd 14 TeV = 1.63 ƒ1017 0C.
Temperatura wnętrza słońca 1.4 ƒ107 0C.
Powstał największy jak do tej pory
detektor na świecie
W każdej wiązce
protonów – jest
2808 pęków.
W każdym pęku
jest 1.15 1011
protonów.
Pęki obiegają
cały pierścień
11245 razy na
sekundę
Spodziewamy się około 600
milionów zderzeń na sekundę
Przekrój wiązki 1/3
włosa ludzkiego
Rozległy system komputerowy
Każdy z 600 milionów
wygląda tak:
Dane eksperymentalne
produkowane w ciągu roku
przez każdy eksperyment
zajmą 100 000 DVD.
Aby przeanalizować dane ~10
tysięcy komputerów w wielu
krajach świata będzie
wykorzystanych.
System GRID
35
Wykorzystując zderzacz LHC planowane są
cztery duże i dwa mniejsze eksperymenty
przeznaczone do badanie różnych aspektów
Modelu Standardowego
Duże eksperymenty
ATLAS
CMS
ALICE
Dwa mniejsze eksperymenty
TOTEM
LHCf
LHCb
36
ATLAS = A large Toroidal LHC ApparatuS
W zderzeniu p + p poszukiwanie:
cząstek Higgsa,
cząstek supersymetrycznych, cząstek ciemnej materii,
dodatkowych wymiarów.
Identyfikacja cząstek, pomiar ich trajektorii (pęd) i energii.
Długość - 46 m, szerokość = wysokość – 25 m, waga - 7000 ton,
detektor o największej objętości do tej pory zbudowany na świecie.
Protony z wodoru po usunięciu elektronów do Linac2 , przyspieszane
do 50 MeV ─ do PSB, przyspieszane do 1.4 GeV ─ do PS,
przyspieszane do 25 GeV ─ przechodzą do SPS, przyspieszane do 450
GeV (wszystko trwa to 4 min 20 sek), przechodzą do LHC gdzie po 20
min uzyskują energię 7 TeV.
Ponad 1700 uczestników z 159 instytucji z 37 krajów.
37
ATLAS = A large Toroidal LHC ApparatuS
38
39
40
CMS =
The Compact Muon Solenoid an Experiment
for the Large Hadron Collider at CERN
Przeznaczenie ==== takie samo jak ATLAS, przy
innym systemie detekcji.
Wymiary ====
(długość 21 m) ƒ (szerokość 15 m) ƒ (wysokość 15 m),
waga ==== 12500 ton.
Uczestnicy eksperymentu ==== 2000 osób z 182
instytucji z 38 krajów.
41
CMS = The Compact Muon Solenoid an Experiment for the Large Hadron Collider
at CERN
42
The Compact Muon Solenoid
ATLAS
CMS
43
ALICE =
= A Large Ion Collider Experiment at CERN LHC
Przeznaczenie === w zderzeniach jonów ołowiu Pb82+ badana będzie
plazma kwarkowo – gluonowa, stan materii, w którym przypuszczalnie
był nasz Wszechświat zaraz po Wielkim Wybuchu.
Energia === (2.76 TeV/nukleon) ƒ (207 nukleonów) ƒ (2 jony) ª
1150 TeV ( odpowiada to temperaturze 1000 miliardów razy większej
niż w rdzeniu słońca).
Opary ołowiu o temperaturze 5500C ─ średnio ołów Pb27+ ─ te jony są
przyspieszane do energii 4.2 MeV/nukleon – przepuszczane przez folie
węglową ─ wychodzą jony Pb54+ przyspieszane do energii
72 MeV/nukleon w LEIR ─ przechodzą do PS ─ tu są przyspieszane do
5.9 GeV/nukleon ─ następna folia węglowa, pełna jonizacja Pb82+ ─
przechodzą do SPS – przyspieszane do 177 GeV/nukleon ─ przechodzą
do LHC gdzie są przyspieszane do końcowej energii 2.76 TeV/nukleon.
Wymiary == (długość 26 m) ƒ ( szerokość 16 m) ƒ (wysokość 16 m),
Waga == 10 000 ton.
44
W zespole pracuje ponad 1000 osób z 94 instytucji z 28 krajów.
ALICE = A Large Ion Collider Experiment at CERN LHC
45
LNCb = Large Hadron Collider beauty experiment
Przeznaczenie === badanie łamania symetrii odbicia zwierciadlanego P
(Parity) i zamiany cząstek w antycząstki C (Charge) poprzez
obserwacje oddziaływań cząstek B zawierających kwark b (piękny). Po
wielkim wybuchu materia i antymateria anihilowała zostawiając
materialny Wszechświat. To może nastąpić jedynie pod warunkiem, że
symetria CP jest złamana.
Układ detektorów będzie badać produkowane cząstki „do przodu”
(w kierunku lotu protonów), tam są produkowane mezony B.
Wymiary ==(długość 21 m) (szerokość 13 m) (wysokość 10 m),
waga == 5600 ton
We współpracy zaangażowanych jest 650 naukowców z 48 instytucji
46
z 13 krajów.
LNCb = Large Hadron Collider beauty experiment
47
Dwa mniejsze eksperymenty:
TOTEM = TOTal Elastic and diffractive cross section
Measurement
Przeznaczenie == pomiar cząstek, które się nie rozproszyły (lecą dalej w
padających protonów), wiedząc ile się rozproszyło a ile padało można
oszacować rozmiary protonu (całkowity przekrój czynny).
Detektory umieszczone 200 m od centrum zderzenia CMS.
Wymiary == długość 440 m, szerokość 5 m, wysokość 5 m,
waga == 20 ton.
Uczestnicy == 50 osób z 10 instytucji z 8 krajów.
LHCf = Large Hadron Collider forward
Przeznaczenie == symulować promieniowanie kosmiczne w warunkach
laboratoryjnych, rozpraszanie protonów o energii 1014 eV na cząstkach
atmosfery.
Dwa detektory o wadze 40 kg, rozmiarach 30 cm 20 cm 10 cm
umieszczone 140 metrów od punktu centralnego detektora ATLAS.
Uczestnicy == 22 osoby z 10 instytucji z 4 krajów.
48
Problemy
Standardowego
Modelu Cząstek,
które LHC ma
szansę rozwiązać.
49
1
Jak wyglądał Wszechświat
chwilę po Wielkim Wybuchu?
LHC pozwoli zobaczyć jak zachowywał się Wszechświat
po 1 miliardowej części sekundy po Wielkim Wybuchu.
Sadzimy że Wszechświat był wtedy gorącą mieszanką
wszystkich kwarków i gluonów. Spodziewamy się, że
podobne warunki zostaną stworzone przy zderzeniu
dwóch jonów ołowiu, efekty którego będą widoczne w
eksperymencie ALICE.
Powstanie tzw. plazma kwarkowo gluonowa
50
51
Era Plancka
t < 10
−43
T > 10
sek
32 0
K
Pianka czasoprzestrzenna,
Mini czarne dziury,
Tunele czasoprzestrzenna
52
Na początku tej ery INFLACJA
Wszechświat rozszerza się
przynajmniej 1030 razy
W tym okresie uformowała się asymetria materia antymateria (BARIOGENEZA) – na miliard par jedna
cząstka więcej
Mamy stan plazmy kwarkowo
– gluonowej + leptony, z małą
przewagą cząstek
Pod koniec tej ery oddzielają się oddziaływania
słabe od elektromagnetycznych
53
Era hadronowa
Kwarki i gluony przestają
być swobodne powstają
hadrony
Materia przestaje być
w równowadze z
antymaterią
Nieliczne zachowane hadrony tworzą obecny Wszechświat54
2
Czemu grawitacja jest taka
słaba?
Grawitacja jest ponad 30 rzędów wielkości słabsza
niż oddziaływania słabe. Wielu fizyków sądzi, że
odpowiedź na pytanie czemu tak jest, tkwi w
czasoprzestrzeni.
Wszechświat ma więcej niż cztery wymiary.
Grawitacja działa w dodatkowych wymiarach, w
naszej czasoprzestrzeni ujawnia się szczątkowo i
dlatego jest taka słaba.
Jest szansa, że LHC zobaczy „dodatkowe wymiary”
ATLAS oraz CMS
55
Propozycja „Dodatkowych wymiarów”
z
Zwykłe cząstki propagują się w znanych
3 – wymiarach („3-brane”),
z
Prawoskrętne neutrina propagują się w
dodatkowych wymiarach („bulk”)
z
Słabe oddziaływanie neutrin prawoskretnych
daje małą masę neutrin (Przy jednym
dodatkowym wymiarze m ~ 1/R,
wtedy R~10μm)
z
Różne wersje modelu
56
3
Co się stało z antymaterią?
W czasie Wielkiego wybuchu powstała równa ilość materii i
antymaterii. Obecny Wszechświat składa się jedynie z
cząstek materii. Antymateria zniknęła. Jak to się stało?
Obecnie wiemy, że pewne cząstki rozpadają się inaczej niż
ich antycząstki.
Czy ta różnica w rozpadach może wyjaśnić zanik
antymaterii we wczesnych etapach ewolucji Wszechświata?
Jeden z eksperymentów LHC (LHCb) będzie
śledzić różnice w rozpadach cząstek i antycząstek
dla cząstek zawierających kwark b.
57
4
Dlaczego cząstki posiadają
masę?
Dlaczego jedne cząstki posiadają masę a inne nie?
Co powoduje tą różnicę?
Jeśli LHC odkryje cząstkę Higgsa przewidywaną przez teorię
zbliży to nas do odpowiedzi na takie pytania.
Fizyk brytyjski P. Higgs zaproponował istnienie pola (które
teraz nosi jego nazwę) wszechobecnego w całym
Wszechświecie. Gdy cząstka nie oddziałuje z tym polem –
masy nie posiada i odwrotnie, oddziaływanie daje cząstką
masę tym większą, im silniejsze jest to oddziaływanie. Do tej
pory mieliśmy zderzacze o zbyt małej energii. Duża energia
LHC powinna dać możliwość wyprodukowanie takiej ilości
cząstek Higgsa, że ich detekcja stanie się możliwa.
58
Dlaczego niektóre cząstki
posiadają dużą masę, inne
natomiast są bezmasowa albo
mają bardzo małą masę.
59
Obecna sytuacja
Hierarchia
mas
Odwrotna
hierarchia
mass
60
Cząstki nabywają masę na skutek
oddziaływania z polem Higgsa
Pusta przestrzeń ==== pole Higgsa
Cząstki oddziałują z polem Higgsa, foton nie oddziałuje
0.511 MeV/c2
105 MeV/c2
176 000 MeW/c
61
5
Z czego zbudowany jest
Wszechświat?
Obserwacje astrofizyczne pokazuję, że nie wiemy co stanowi
96% Wszechświata. Nazywamy to „ciemna materią” i
„ciemną energią”. LHC ma szansę rozwikłania tej pierwszej
zagadki.
Istnieje podejrzenie, że ciemną materię stanowią cząstki
przewidziane przez supersymetryczne uogólnienie Modelu
Standardowego. Byłyby to tzw. neutralina, stabilni partnerzy
neutralnych bozonów oddziaływanie i cząstek Higgsa.
Rozwikłanie zagadki ciemnej materii byłoby największym
osiągnięciem LHC.
62
Ciemna materia
Widoczna materia
63
The Energy Budget
of the Universe
http--www.hep.phys.soton.ac.uk-~evansMasterclass-future.ppt
64
Cząstki
Supersymetryczne „cienie” cząstek
65
Bardzo popularną teorią jest teoria z nową symetrią łączącą fermiony z bozonami. Ta
nowa symetria nazywa się SUPERSYMETRIĄ. Supersymetria transformuje funkcje
falowe zwykłych cząstek w hipotetyczne supercząstki zwane „scząstkami”. Każda
scząstka posiada spin różniący się o1/2 od spinu zwykłej cząstki.
zwykłe
cząstki
Bozon
foton
Bozon
gluon
Bozon
W, Z
Bozon
grawiton
Bozon
Higgs
Fermion
kwarki
Fermion
elektron
Fermion
mion
Fermion
tau
Fermion
neutrino
1
1
1
1
0
½
½
½
½
½
fotino
gluino
wino,zino
grawitino
Higgsino
skwark
slektron
smion
stau
sneutrino
1/2
1/2
1/2
3/2
1/2
0
0
0
0
0
Supersymetryczni
partnerzy
66
1)
Czym jest ciemna materia?
2)
Jaki jest mechanizm generowania masy cząstek?
3)
Czy są dodatkowe wymiary czasoprzestrzenne?
4)
Jaka jest natura ciemnej energii?
5)
Czy proton się rozpada?
6)
Jak Wszechświat ewoluował po okresie bariogenezy?
7)
W jaki sposób Ogólna Teoria Względności przechodzi w
teorię kwantową ?
8) Jakie jest źródło powstawania w kosmosie cząstek o
niezwykle dużych energiach?
9)
Czy istnieje nowy stan materii przy wielkich ciśnieniach i
temperaturach?
10) Czy światło i materia zachowują się inaczej przy bardzo
wielkich energiach?
11) Jak powstały pierwiastki od żelaza do uranu?
12) Dlaczego obserwowany Wszechświat jest materialny?
67
Dziękuję za uwagę
68