Hvordan skal vi finne svar på alle spørsmålene?

1. Eirik Gramstad, Farid Ould-Saada, Maiken Pedersen - Universitetet i Oslo Hvordan skal vi finne svar på alle spørsmålene? Vi trenger et instrument til å: • studere de minste bestanddelene i naturen (partiklene) • gjenskape forholdene rett etter at universet ble skapt • lære om det tidlige univers og dets utvikling Hvordan får vi til det?

2. Hvordan studere små partikler? • slik lys er bølger, har vi også ”stoffbølger” • kinetisk energi: Ek = p2/2m • bølgelengde: λ = h/p • jo høyere energi, jo mindre ting kan sees • optisk mikroskop: λ ~ 2*10-7 m • elektronmikroskop: λ ~10-12 m • høyenergi partikkelakseleratorer: λ ~10-20m

3. Den kunnskapen vi har pr. i dag gir oss et helhetlig bilde av Universet: Fra tidenes morgen… …til i dag Astronomi: v=Hd Statistikk: E=kT Relativitets-teori: Kvantemekanikk: E=hν=hc/λ …og en rekke faseoverganger

4. The Large Hadron Collider (LHC) bruker 100μs på en runde! 10.000 runder i sekundet! • 27km i omkrets • 100m under bakken • proton-klumper med 1000 milliarder protoner hver går rundt og rundt i en hastighet på 0.99999991 av lysets hastighet • hvert 0.000000025s kolliderer to protonklumper mot hverandre • all denne energien i et lite punkt gjør det mulig å danne nye partikler

5. Før kollisjonen proton proton Energi: E1 Energi: E2 Etter kollisjonen …nye partikler – kjente og ukjente – blir skapt av energien i kollisjonene … jo mer energi jo større sannsynlighet er det for å skape tunge partikler … egentlig er det partiklene inni protonet (kvarker og gluoner) som kolliderer

6. Hvordan kan vi vite hvilke partikler som kommer ut av kollisjonen? Vi har noen grunnleggende fysiske lover som alltid må være oppfylt: • bevaring av energi/masse • vi kan bare lage partikler som har en masse som er mindre enn energien vi kolliderer med • totalenergien før må være lik totalenergien etter kollisjonen • bevaring av ladning • den totale ladningen skal være den samme før og etter kollisjonen • bevaring av bevegelsesmengde • vi må ha like mye bevegelsesmengde før som etter kollisjonen disse lovene er alltid oppfylt, til enhver tid, overalt i universet

7. Egentlig består protonet av enda flere partikler Det som egentlig skjer i en kollisjon er at partiklene inni protonene kolliderer med hverandre: ladning +1 ladning +1 q = +1 q = 0 q = 0 HUSK: ladningen må være den samme før som etter! q = +1 q = +1 q = -1 q = +1 q = 0 q = -1 alle kollisjonene er interessante å studere, men vi ser nærmere på en av de….

8. Og det gjør vi med en kjempestor detektor bygget opp akkurat som en løk

9. Hvordan virker den? – del 1 Sporingsdetektoren proton proton • den innerste delen av detektoren kalles sporingsdetektoren • ladde partikler vil legge igjen spor (f.eks. muonet, protonet, elektronet …) • nøytrale partikler vil gå rett gjennom uten å etterlate spor (f.eks. nøytrinoet, fotonet, nøytronet …) • hele denne delen av detektoren befinner seg inne i et magnetfelt • banen til ladde partikler vil bøyes og vi kan måle ladning og bevegelsesmengde

10. Hvordan virker den? – del 2 Det elektromagnetiske kalorimeteret • i det elektromagnetiske kalorimeteret vil alle partikler som vekselvirker elektromagnetisk stoppe (f.eks. elektronet, fotonet) • gjør at vi kan måle energien til partikkelen

11. Hvordan virker den? – del 3 Det hadronske kalorimeteret og muon-spektrometeret • i det hadronske kalorimeteret vil alle partikler som vekselvirker via den sterke kjernekraften stoppe (f.eks. protonet, nøytronet) • gjør at vi kan måle energien til partikkelen • den ytterste delen er muon spektrometeret • her legger muoner igjen spor som gjør at vi kan måle bevegelsesmengde og ladning

12. Hvordan virker den? – del 4 • nøytrinoer går gjennom detektoren uten å etterlate seg noen spor • umulig å ”se” i ATLAS • eneste måten vi kan ”se” de på er at det mangler litt energi • for vi vet at energien før kollisjonen skal være lik energien etterpå • dette kaller vi ”manglende energi” nøytrino

13. Hvordan virker den? - oppsummering

14. … og sånn vil det se ut for dere hadronske kalorimeteret elektromagnetiske kalorimeteret innerste delen - sporingsdetektoren muon-spektrometeret

15. Hvordan fungerer dette i praksis I? det er altså disse partiklene vi måler i detektoren vår jo tyngre ?-partikkelen er jo fortere går den over til nye partikler (henfaller) den henfaller til partikler som vi kjenner (elektroner, muoner, fotoner etc.) ? ? ? vi bruker detektoren vår, som gir oss all informasjonen vi trenger: … og etter en del ”detektivarbeid” kan vi identifisere disse partiklene: µ+ µ-

16. Hvordan fungerer dette i praksis II? µ+ vi ønsker å finne ut hvilken partikkel vi fikk lagd rett etter kollisjonen den lever ikke lenge nok til at vi kan måle den (henfaller etter ~10-25 sek.) hvordan finner vi ut hva det var som ble lagd? de fleste partikler har en bestemt masse hvis vi kan regne ut massen (kalt invariant masse) vet vi også hvilken partikkel det er ? µ- heldigvis vet vi hvilke partikler den henfalt til (det har vi jo målt i detektoren vår) vi kjenner dermed energien, massen, ladning og bevegelsesmengden til henfallsproduktene til den ukjente partikkelen fra dette kan vi regne ut den invariante massen, energien, bevegelsesmengde og ladningen til den ukjente partikkelen…, og finn ut hvilken partikkel det er dette skal dere gjøre i dag

17. Formel for den invariante massen til den tunge partikkelen • etter litt manipulering, enkel algebra, bruk av bevaringslovene og kommer vi fram til: • Følgende egenskaper til de 2 kjente partiklene inngår i denne formelen • masse • energi • bevegelsesmengde   

18. Dette er akkurat slik vi leter etter nye partikler • ved å regne ut den invariante massen til to muoner finner vi ut hvilken tung partikkel som ble lagd i kollisjonen • dette er også måten vi leter etter nye ”ukjente” partikler på • dette er det dere skal gjøre senere i dag • vi håper å finne en slik ”topp” et nytt sted – det betyr at vi har oppdaget en nye partikkel!

19. Kan også få 4 partikler! kan regne ut den invariante massen for hver av de to ukjent partiklene (på samme måte som for to partikler) ? må identifisere alle 4 partiklene ? ? og så legge de sammen tilslutt for å finne massen til den første partikkelen…

20. Kan også få 4 partikler! for eksempel 2 muoner og 2 elektroner (... eller 4 muoner) (... eller 4 elektroner) µ+ Z µ- Z, foton, (Higgs) H Z e+ e-

21. … og vi er allerede i gang med å lete etter nye partikler Invariant masse til to fotoner Higgs-bosonet

22. … og vi er allerede i gang med å lete etter nye partikler Invariant masse til fire leptoner Higgs-bosonet

23. I følge teoriene kan Higgs henfalle på mange forskjellige måter: to fotoner to Z-partikler (4 leptoner)

24. … vi må altså undersøke alle mulighetene før vi kan si at vi har funnet Higgs • før vi kunne være sikre på at dette er Higgs måtte vi måle alle henfallsmåtene, og se at de stemte med teorien vår • til mange av målingene er det fortsatt knyttet stor usikkerhet (pga. for lite data) dersom 1: stemmer med teorien vår

25. … ikke bare Higgs, hva med en kjempetung Z’? en av disse håper vi å finne etter hvert… … eller kanskje dere finner de allerede senere i dag?? Z-partikkelen

26. LHC har gjort en god jobb! ATLAS NÅ! Til nå har vi kollidert protoner mot protoner 1 800 000 000 000 000 ganger !

27. …et lite utvalg

28. … og det er dette dere skal bidra med i dag • vi har mange teorier som kan svare på disse spørsmålene • forutsier eksistensen til nye partikler • eksperimentalfysikere er de som sitter igjen med jobben med å finne bevis for at disse nye partiklene eksisterer • i dag skal dere jobbe som en eksperimentalfysikere og analysere ekte data fra ATLAS-eksperimentet på jakten etter nye partikler • dette er velidig likt måten vi jobber på ved CERN • LYKKE TIL MED JAKTEN PÅ DET UKJENTE!

29. Hvordan bli fysiker? • Fysisk institutt ved Universitetet i Oslo har tre bachelorprogrammer: • Elektronikk og datateknologi (ELDAT) • Fysikk, astronomi og meteorologi (FAM) • Materialer, energi og nanoteknologi (MENA)

30. Hvordan bli partikkelfysiker? • Fysisk institutt ved Universitetet i Oslo har tre bachelorprogrammer: • Elektronikk og datateknologi (ELDAT) • Fysikk, astronomi og meteorologi (FAM) • Materialer, energi og nanoteknologi (MENA)