Wstęp do fizyki cząstek - Indico
Transkrypt
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