Potera za božijom česticom

1. Odsek za fiziku PMF-a u Nišu Podružnica Društva fizičara Srbije - Niš Astronomsko društvo “Alfa” iz Niša Ministarstvo nauke Republike Srbije Potera za božijom česticom Dragan S. Popović Institut za fiziku Zemun Niš, 15 maj 2008.

2. Misterija mase Materija je sastavljena od molekula; molekuli od atoma; atomi od elektrona i jezgra; jezgro od protona i neutrona. Znamo zašto je jezgro tako malo, ali ne znamo kojim mehanizmom čestice stiču svoju masu i zašto imaju baš takvu masu. Potera za božijom česticom

3. Misterija mase • Većina ljudi misli da zna šta je masa! • Ali, oni znaju samo deo priče. • Masa je osnovni koncept u fizici i grubo je povezana sa idejom • koliko je materije sadržana u objektu. • U relativističkoj kinematici postoji više definicija mase • (masa u STR, masa u OTR) • Isak Njutn je dao najraniju naučnu definiciju mase 1687. godine: • “ The quantity of matter is the measure of the same, • arising from its density and bulk conjointly “ (Principia). • Ova bazična definicija mase je bila prihvaćena u naučnim krugovima više od 200 godina. • Ali, moderno razumevanje mase je mnogo složenije od Njutnove definicije i objašnjeno je • u Standardnom modelu, teoriji koja sumarizuje naša dosadašnja znanja o svim • elementarnim česticama i njihovim interkacijama. Potera za božijom česticom

4. Masa u Standardnom modelu Osnovne čestice materije u Standardnom modelu čine tri generacije kvarkova i leptona uređene po rastućim masama. Za razliku od leptona koji postoje kao slobodne čestice, kvarkovi su uvek vezani u hadrone (protone i neutrone, na primer). Sva vidljiva materija koja nas okružuje sastavljena je od čestica prve generacije: elektrona, koji su elementarne čestice, protona i neutrona, koji su vezana stanja u i d kvarkova. Pored čestica materije, Standardni model predviđa postojanje čestica – prenosiilaca interakcije: fotona (elektromagnetna interakcija), gluona (jaka interakcija), i teških W i Z bozona (slaba interakcija). Za razliku od protona i neutrona stvarno elementarne čestice, kvarkovi i elektroni, nemaju unutrašnju strukturu i način na koji one stiču masu je osnovno pitanje na koje Standardni model treba da odgovori. Potera za božijom česticom

5. Masa u Standardnom modelu Mase osnovnih čestica u Standardnom modelu Pitanja na koja treba da odgovori Standardni model: Zašto su mase kvarkova tako različite (0.003-175 GeV)? Zašto su mase leptona tako različite (0.000511-1.7771GeV)? Zašto su mase neutrina tako male? Zašto među česticima koje prenose silu W i Z bozon imaju vrlo veliku masu, a foton i gluon nemaju? Zašto su čestice materije, kvarkovi i leptoni, uređeni u tri generacije prema rastućim masama? Potera za božijom česticom

6. Potera za božijom česticom

7. Kratko podsećanje VII Solvejevski kongres Fizike (1933) (7th Solvay Physics Congress in Brussels (1933)) Max Born: ”Physics as we know it will be over in 6 months” !!! • elektron, foton, proton, neutron, pozitron • teorija relativnosti, kvantna mehanika, radioaktivnost... Potera za božijom česticom

8. Posle toga: • 1937 otkriven mion • 1947 otkriveni naelektrisani pioni • 1950 otkriven neutralni pion • 1953 otkriveni Λ i K mezoni • 1956 dokazano postojanje elektronskog neutrina • 1950-1960 otkriven veliki broj bariona i mezona • 1961 otkriven mionski neutrino • 1963 formulisana teorija kvarkova; postulirano postojanje tri kvarka: u, d i s • 1961-1968 Glashow,WienbergiSalam (GWS) su razvili teoriju po kojoj su slabe i elektromagnetne sile ujedinjene u jednu, elektroslabu silu. • 1970 u DIS eksperimentima potvrđena partonska struktura protona • 1974 c kvark otkriven u raspadu J/ψ rezonance • 1975 otkriven tau lepton i postulirano postojanje tau neutrina • 1979 u raspadu Υ mezona detektovan b kvark, predviđeno postojanje t kvarka • 1983 direktno izmerena masa W i Z bozona - potvrda SM! • 1989 merenjem širine Z bozona potvrdjeno da je broj neutrina 3 • 1995 direktno izmerena masa t kvarka (Tevatron kolajder) Potera za božijom česticom

9. Elektroslaba sila Electromagnetnesile –dugodometne, odgovorne za vezivanje atoma i molekula; prenosilac: foton (masa = 0) Slabe sile –kratkodometne,odgovorne za spore radioaktivne raspade jezgara, β raspad, prenosioci: W+,W-, Z0(masa ~ 80-90 GeV) Za dva protona u jezgru elektromagnetna sila je 107 puta jača od slabe sile, ali, na mnogo manjim rastojanjima (~10-18 m) jačine slabe i elektromagnetne sile postaju uporedive. 1961-1968 Glashow,WienbergiSalam (GWS) su razvili teoriju po kojoj su slabe ielektromagnetne sile ujedinjene u jednu, elektroslabu silu. GWS teorija pretpostavlja da postoje 4 bezmasena prenosioca elektroslabe sile: Wμ1,2,3 and Bμ. . Wμ1,2,3, BμW+, W-, Z0, γ W’s W+ W- Z0 koji se preko mehanizma spontanog narušenja simetrije transformišu u masene čestice W+, W-, Z0 i bezmaseni γ. Mehanizam pomoću koga W+, W-, Z0 stiču masu zove se Higsov mehanizam. Potera za božijom česticom

10. Spontano narušenje simetrije • Spontano narušenje simetrije u fizici se dešava kada sistem koji je • simetričan u odnosu na neku grupu simetrije prelazi u stanje vakuuma • (stanje sa najnižom mogućom energijom) koji nije simetričan. • To je fenomen koji se u prirodi dešava vrlo često. • Primer za spontano narušenje simetrije je lopta na vrhu brda: • ta lopta je u potpuno simetričnom stanju ali nije stabilna jer vrlo lako može da se skotrlja. • U nekom trenutku lopta će se spontano skotrljati niz brdo u jednom ili drugom pravcu. • Simetrija je narušena jer je pravac u kome se lopta skotrljala izdvojen od drugih. • U Standardnom modelu mehanizam kojim se spontano narušava simetrija je • Higsov mehanizam koji podrazumeva postojanje Higs polja i odgovarajuće Higs čestice, • i odgovorno je za mase W i Z bozona i ostalih elementarnih čestica. “Meksički šešir”: Grafički prikaz potencijala skalarnog polja sa spontanim narušenjem simetrije. Potera za božijom česticom

11. Higsov mehanizam kroz jednačine Zahtevamo da Lagranžijan kompleksnog skalarnog polja φ bude U(1) invarijantan u odnosu LOKALNE transformacije. Da bismo generisali masu spontanim narušenjem simetrije, potrebno je naći minimum energiije u slučaju kada je µ2<0. Potera za božijom česticom

12. Higsov mehanizam kroz jednačine Izaberemo tačku v i oko nje izvršimo razvoj po η i ρ. Kao rezultat dobijamo invarijantan Lagranžijan. Iz ovog Lagranžijana sledi da postoje skalarna masena čestica mη, bezmasena čestica ρi maseno vektorsko polje A. Bezmaseno vektorsko polje ρ (Goldstonov bozon) ne može postojati u prirodi. Kako u dobijenom lagranžijanu postoji 1 stepen slobode više potrebno je izvršiti dodatne transformacije. Potera za božijom česticom

13. Higsov mehanizam kroz jednačine Gradijentni bozon Aµ sada ima masu mA=gv. Postoji skalarno Higsovo polje mase mh, dok je bezmaseno polje nestalo. Teorija je lokalno invarijantna! Potera za božijom česticom

14. Higsovo polje i Higsov mehanizam Higsov mehanizam koji daje masu vektorskim bozonima predložio je 1964. godine Peter Higgs. Steven Weinberg i Abdus Salam su prvi primenili Higsov mehanizam na elektroslabo narušenje simetrije i objasnili kako W+, W-, Z0bozoni dobijaju masu. Higsov bozon je hipotetička masivna skalarna čestica čije postojanje predviđaStandardni model. To je JEDINA čestica u Standardnom modelu koja još uvek nije otkrivena ali objašnjava poreklo masa i razlike u masama drugih čestica. . W’s W+ W- Z0 Potera za božijom česticom

15. Testiranje teorije:Traženje Higs bozona • Standardni model ne predviđa kolika je masa Higs bozona. • Teorijska ograničenja mΦ>1 TeV • narušava perturbativni režim stabilnost vakuuma • Eksperimentalna ograničenja • Precizna merenja na LEP2: mH< 202 GeV sa 95% CL • Direktna merenja na LEP2: mH≥114.4 GeV • Šta ćemo znati kada/ako otkrijemo Higs bozon? • Detekcija Higs bozona će protvrditi eletroslabu teoriju i upotpuniti Standardni model. • Merenje konstanti sprezanja sa Higs bozonom će potvrditi mehanizam generisanja masa. • Higs bozon lakši od od 130 GeV potvrdio bi teoriju izvan Standardnog modela, • poznatu kao Supersimetrija. • Ako ne bi bio pronađen Higs bozon sa masom manjom od 1 TeV, to bi značilo da se • elektroslaba simetrija narušava nekim drugim mehanizmom. Potera za božijom česticom

16. Sada: Veliki Hadronski sudaraču CERN-u • LHC, Veliki hadronski proton-proton kolajder: • 27 km u obimu • 6700 magneta; 1630 superprovodnih ohlađenih do temperature -271.3°C (1.9 K); pritisak 10-13 atm. • brzina protona 0.999999991 c • ukrštanje snopova svakih 25ns(40 MHz) • 25p-pinterakcija po ukrštanju (najviše 10-100 interesantnih) • Energija centra mase : √s= 14 TeV • Projektovana luminoznost:1034 cm-2s-1 Potera za božijom česticom

17. Potera za božijom česticom

18. ATLAS kolaboracija Oko 1900 istraživača i inženjera iz 165 laboratorija i 35 zemalja. • Projekat je osmišljen1992.godine kada je formirana ATLAS kolaboracija (grupa fizičara koja radi na ATLAS eksperimentu). • Sadašnja konstrukcija ATLAS detektora je predložena 1994.godine. • Finansiranje izgradnje ATLAS detektora započele su zemlje članice • CERN-a 1995.godine. •  Pridruživanje novih članova kolaboracije nastavljase sve do danas. • Komponente detektora izrađene su u laboratorijama učesnika kolaboracije, • a zatim transportovane uCERN gde je 2003.godine otpočela instalacija • ATLAS-a. • Iskopavanje podzemne hale 100m ispod zemlje, gde je smešten ATLAS • detektor počelo je 2000. godine, i predstavljalo je jedan od najvećih • poduhvata u građevinarstvu. • Instalacija ATLAS detektora biće završena sredinom 2008.godine. Potera za božijom česticom

19. ATLAS detektor Mionski spektrometar Identifikuje mione i meri njihove impulse. |η|<2.7, B=0.5T air-core toroidi i mionske komore Unutrašnji detektor |η|<2.5, B=2T Određuje putanje i meri impulse naelektrisanih čestica Kalorimetri Mere energije čestica. Elektromagnetni: Pb+LAr Hadronski: Fe/sci (barel) LAr (fwd) Magnetni sistem Savija putanje naelektrisanih čestica i omogućava merenje impulsa. Solenoid obavija ID Toroidni magneti u MS Potera za božijom česticom

20. Instaliranje ATLAS detektora jun 2003. decembar 2007. Potera za božijom česticom

21. Spuštanje malog točka u ATLAS-ovu podzemnu halu Potera za božijom česticom

22. Fizika na ATLAS detektoru Antimaterija Sasvim je izvesno da je Veliki prasak proizveo jednaku količinu materije i antimaterije. Međutim, današnja posmatranja ukazuju da je naš univerzum sastavljen gotovo samo od materije. ATLAS bi mogao da odgovori na pitanje kako je nastala asimetrija između materije i antimaterije istražujući tananu razliku koja postoji između njih. Poreklo maseStandarni model ne objašnava poreklo mase čestica, ni zašto neke čestice imaju masu a neke ne. Moguć odgovor daje Higsov mehanizam po kome je ceo prostor ispunjen Higsovim poljem i čestice stiču masu interagujući sa tim poljem. Čestice koje jače interaguju su teže i obrnuto. Higsovo polje podrazumeva postojanje Higs čestice, za kojom će tragati ATLAS eksperiment. Energija LHC-a će biti dovoljna za otkriće i izučavanje Higs-a ako ima masu u pretpostavljenom opsegu od 114.4 GeV do 1TeV. Nove dimenzije Teorija struna je vodeća teorija u fizici čestica koja daje jedinstven opis čestica i sila uključujući i gravitaciju. Ona predviđa postojanje sedam novih dimenzija i njeno testiranje zahteva traganje za novim dimenzijama i izučavanje njihovih svojstava. ATLAS će pokušati da odgovori na mnoga pitanja o novim dimnzijama: koliko ih ima, kakav im je oblik i veličina, kako su skrivene i koje su nove čestice povezane sa njima. Takođe postoji i mogućnost da bi zbog postojanja novih dimenzija na ATLAS-u mogle da budu detektovane mikroskopske crne rupe. Druge mogućnosti ATLAS će takođe tragati i za potuno novim signalima i fenomenima. Neka od najvažnijih otkrića u fizici u prošlom veku su bila potpuno neočekivana, i mnogi naučnici se nadaju da će na energijama Velikog hadronskog sudarača biti otkriveno nešto sasvim novo. Čestice u  Standardnom modelu ATLAS će izučavati ponašanje osnovnih čestica u Standardnom modelu: W i Z bozona kao i top i botom kvarkova. Bilo koje neslaganje sa postojećim merenjima će ukazati na slabost Standardnog modela. Potera za božijom česticom

23. Traženje Higs bozona na ATLAS-u • LHC će razrešiti pitanje • postojanja Higs bozona i • izmeriti njegova svojstva!! ATLAS će tragati za Higsom od LEP2 granice do 1 TeV. Potera za božijom česticom

24. Prvi Higgs na ATLAS-u4. april 2008. Tuesday, 8 April 2008 The Independent: “Peter Higgs convinced LHC will see Higgs boson particle” Potera za božijom česticom