1 / 44

Fyzika částic a současné experimenty na urychlovačích

Fyzika částic a současné experimenty na urychlovačích. Miloš Lokajíček. Plán. Základní síly fyziky částic Rozměry a jednotky Gravitační, elektromagnetická, slabá, silná Zkoumání vlastností částic Urychlovače a detektory Urychlovače Detektory Status LHC

cleave
Download Presentation

Fyzika částic a současné experimenty na urychlovačích

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Fyzika částica současnéexperimenty na urychlovačích Miloš Lokajíček EurOpen Chudenice

  2. Plán • Základní síly fyziky částic • Rozměry a jednotky • Gravitační, elektromagnetická, slabá, silná • Zkoumání vlastností částic • Urychlovače a detektory • Urychlovače • Detektory • Status LHC • Jak jsme stavěli hadronový kalorimetr ATLAS • Mnoho obrázků je z prezentací kolegů a připravované účebnice kolegy J. Dolejšího

  3. atom elektron naše tělo 103 1 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15 10-18 10-21 10-24 10-27 10-30 kg atomové jádro vlnová délka světla naše tělo elektron atom m 1 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15 10-18 Rozměry a jednotky Hmotnostní škála Délková škála

  4. Rozměry a jednotky “atomová hmotnostní jednotka” u, 1/12 hmotnosti atomu uhlíku (12C). 1 u = 1.660 538 7 × 10-27 kg Einsteinův vztah E = mc2 -> m = E/c2 Fyzika částic 1 eV, kinetická energie, kterou získá nabitá částice s nábojem 1e, která projde potenciálním rozdílem 1 V 1 eV = 1.602 176 46 × 10-19 J, 1 eV/c2 = 1.782 661 73 × 10-36 kg 1 u = 931.494 01 MeV/c2 Důležité hodnoty mproton ≈ u ≈ 1 GeV/c2, melektron ≈ 0,5 MeV/c2 1 eV ≈ 1,6 × 10-19 J, c ≈ 3 × 108 m/s • Obvykle využití jednotek, kde c=1 • Např.gravitační zákon F=konst. m1*m2/r2, jednotky známé • Změřit konstantu, je-li konst.=1, pak F v jednotkáchkg2/m2. • V dříve používaných jednotkách cgs byla např. jednotka kapacity cm-1

  5. naše tělo atom elektron 103 1 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15 10-18 10-21 10-24 10-27 10-30 TeV GeV MeV /c2 1012 109 106 103 1 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15 T G M k m m n p f tera giga mega kilo mili micro nano pico femto Rozměry a jednotky kg Dalsí běžné jednotky 1 Å = 10-10 m fermi 1 F = 1 fm = 10-15 m

  6. Energie fotonůve viditelném světle Klidová energie atomu Klidová energie komára Moje kinetická energie při chůzi Kinetická energie letícího komára Klidová energie elektronu Tepelná energie atomu 1joule 1030 1027 1024 1021 1018 1015 1012 109 106 103 1 10-3 eV (TeV) (GeV) (MeV) (keV) (eV) (meV) LHC Největší energie jednotlivéčástice pozorované v kosmickém záření Vazbová energie nukleonů v jádru Vazbové energie elektronů v atomech Lidská denní spotřeba energie Největší energie protonu ze současného urychlovače(Tevatron ve FNAL) Energie elektronu vtelevizní obrazovce Energie proto- nuz “příkladu o volném pádu” Energie obsažená v jedné sklenici piva (0.5 litr) Rozměry a jednotky

  7. Konstituenty hmotyFermiony + Bosony Fermiony – nositelé hmotnosti (poloviční spin)

  8. Konstituenty hmotyFermiony + Bosony • Bosony, zprostředkují síly (celočíselný spin)

  9. (Ne)elementární částice

  10. Základní síly • Síly mezi částicemi popisovány jako tzv. výměnné síly zprostředkované výměnnou určité částice • Slabá + elektromagnetická = elektroslabá (Maxwell v 19. století sjednotil elektřinu a magnetismus)

  11. Volné kvarky nebyly pozorovány – pouze vazané barevně neutrální objekty Při násilném vzdalování dvou kvarků, barevné pole zesiluje až vytvoří páry quarků a antiquarků, které opět vytvoří barevně neutrální objekty Tento jev se nazývá „quark confinement“ Volné kvarky nejsou

  12. Velké sjednocení (Grand unification) se pokouší o společný popis elektroslabá + silná Rozpad protonu (poločas > 1032 let) Supersymetrie Teorie v souvislosti s velkým sjednocením Každá existující částice má hmotného superpartnera partnera Tak by i neutrino mělo hmotného superpartnera stabilní neutralino – možné vysvětlení temné hmoty ve vesmíru Pokud by se podařilo společně popsat gravitační+elektroslabá+silná  tzv. teorie všeho Extra dimenze gravitace je ve skutečnosti silnější než se nám jeví v našem 3D prostoru, šíří se ve více dimenzích, které nejsou ploché -> v našich dimenzích je síla neúměrně menší Předpověděné efekty dosud nepozorovány Poznámky k základním silám

  13. Standardní model • Standardní model = současná teorie fundamentálních částic a jejích interakcí • Silné interakce kvarků a gluonů pomocí barevných nábojů • Kombinovaná elektroslabá teorie s W a Z bozony jako výměnnými nositeli slabých sil a fotony jako prostředníky elektromagnetických sil • Nezahrnuje gravitační síly (velmi slabé) • Triumf fyziky částic 70. let, zahrnuje vše, co bylo známé a úspěšně předpověděl výsledek mnoha experimentů

  14. Standardní model • ALE • Neodpovídá na to otázku, co je důvodem, že fundamentální částice mají hmotu (kvarky ve Standardním modelu mají nulovou hmotu) • Higgsův mechanismus – nejjednodušší doplnění teorie, které „zhmotní“ konstituenty. Mechanismus obsahuje další částici – Higgsův bozon a další sílu jím zprostředkovanou • Higgsův bozon nebyl dosud nalezen, hmotnost 110 – 190 GeV  LHC

  15. Přesná měření top kvarku Objeven v 1995 ve FNAL Měření CP narušení Porušení symetrie mezi hmotou a antihmotou v některých srážkách – hledáním vysvětlení, proč je v přírodě nadbytek hmoty nad antihmotou Objevy Higgsův bozon Supersymetrie Extra – dimenze aj. Fyzikální program experimentů LHC

  16. Pomocí srážek částic Pružné srážky Částice před a po srážce stejné Nepružné srážky Většinou produkce nových částic Hluboké nepružné srážky Pohled do nitra částic Zákony zachování Energie Hybnosti Zkoumání struktury částic

  17. Urychlovače SLAC Linac+ PEP-II DESY HERA Dubna BNL RHIC CERN LHC Fermilab TEVATRON KEK KEKB J-PARC

  18. Urychlovače SLAC • Lineární • Stovky metrů až kilometry • Všude jako počáteční urychlovací stupně • Nová generace, ILC bude 30+30 km • Cíl 70 MV/m • Kruhové • TEVATRON obvod 6 km • LHC (od 2007) obvod 27 km Pevný terč LINAC Vstřícné svazky PEP-II Pevný terč Vstřícné svazky

  19. CERN - Meyrin

  20. Urychlovací komplex v CERN

  21. Urychlovač LHC • Urychluje pp, 7+7 TeV • 7* více než TEVATRON • Umožňuje hledat nové hmotné částice do hmoty až 5 TeV • Luminosita Ldesign=2*1034 cm-2s-1 • 100 krát více než Tevatron • Hledání vzácných procesů – malý účinný průřez σ(N = L σ ) • Srážky balíků protonů (1011 protonů/balík) každých 25 ns • Dojde současně asi ke 20 srážkám, každá srážka má v průměru 75 nabitých částic, tj. celkem přes 100 částic(včetně neutrálních) • Hledání vzácných případů srážek si vynucuje tuto nepříjemnost

  22. CERN – experiment ATLAS

  23. LHC

  24. Přehled konstrukce současných detektorů slibující zachycení téměř všech částic: Magneticképole zahýbá dráhy částic a pomáhá měřit jejich hybnosti. elektron Hadronovýkalorimetr: nabízí svůj materiál pro rozvoj hadronových spršek a měří energii, kterou v něm částice zanechají. mion Neutrina utíkají nezpozorována. hadrony Mionový detektor: nepokouší se miony zachytit, ale zazname- nává jejich dráhy. Vnitřní dráhový detektor: Minimum materiálu, jemná seg- mentace aby bylo možné měřit přesně body na drahách částic. Electromagnetickýkalorimetr: nabízí materiál pro rozvoj elektromagnetických spršek a měří absorbovanou energii.

  25. Interactions every 25 ns … In 25 ns particles travel 7.5 m 22 m Weight: 7000 t 44 m • Cable length ~100 meters … • In 25 ns signals travel 5 m Level-1 latency Total Level-1 latency = (TOF+cables+processing+distribution) = 2.5 msec For 2.5 msec, all signals must be stored in electronics pipelines

  26. Higgs ->4m +30 MinBias The challenge How to extract this… … from this …

  27. ARCHITECTURE(Functional elements and their connections) 40 MHz RoI ROD ROD ROD 75 kHz 120 GB/s ROB ROB ROB ROIB L2SV L2N ~2+4 GB/s L2P ~2 kHz Dataflow Manager EB Event Building N/work EBN ~ sec Event Filter Sub-Farm Input ~4 GB/s SFI Event Builder DFM Event Filter Processors Event Filter N/work EFN EFP EFP EFP EFP Sub-Farm Output EFacc = ~0.2 kHz SFO ~ 200 Hz ~ 300 MB/s Trigger DAQ Calo MuTrCh Other detectors 40 MHz D E T RO LV L1 FE Pipelines 2.5 ms Lvl1 acc = 75 kHz Read-Out Drivers RoI data = 1-2% 120 GB/s Read-Out Links D A T A F L O W H L T ~ 10 ms Read-Out Buffers LVL2 RoI requests ROS RoI Builder L2 Supervisor L2 N/work L2 Proc Unit Read-Out Sub-systems Lvl2 acc = ~2 kHz TDR Ch.2-5-app.A

  28. Barrel coil toroid transport and installation Barrel Toroid: 8 separate coils

  29. CABLING!

  30. 300+ racks of read-out electronics underground

  31. ATLAS Collaboration 34 Countries 151 Institutions 1770 Scientific Authors (more are joining…) Albany, Alberta, NIKHEF Amsterdam, Ankara, LAPP Annecy, Argonne NL, Arizona, UT Arlington, Athens, NTU Athens, Baku, IFAE Barcelona, Belgrade, Bergen, Berkeley LBL and UC, Bern, Birmingham, Bonn, Boston, Brandeis, Bratislava/SAS Kosice, Brookhaven NL, Bucharest, Cambridge, Carleton, Casablanca/Rabat, CERN, Chinese Cluster, Chicago, Clermont-Ferrand, Columbia, NBI Copenhagen, Cosenza, INP Cracow, FPNT Cracow, Dortmund, JINR Dubna, Duke, Frascati, Freiburg, Geneva, Genoa, Glasgow, LPSC Grenoble, Technion Haifa, Hampton, Harvard, Heidelberg, Hiroshima, Hiroshima IT, Indiana, Innsbruck, Iowa SU, Irvine UC, Istanbul Bogazici, KEK, Kobe, Kyoto, Kyoto UE, Lancaster, Lecce, Lisbon LIP, Liverpool, Ljubljana, QMW London, RHBNC London, UC London, Lund, UA Madrid, Mainz, Manchester, Mannheim, CPPM Marseille, Massachusetts, MIT, Melbourne, Michigan, Michigan SU, Milano, Minsk NAS, Minsk NCPHEP, Montreal, FIAN Moscow, ITEP Moscow, MEPhI Moscow, MSU Moscow, Munich LMU, MPI Munich, Nagasaki IAS, Naples, Naruto UE, New Mexico, Nijmegen, BINP Novosibirsk, Ohio SU, Okayama, Oklahoma, LAL Orsay, Oslo, Oxford, Paris VI and VII, Pavia, Pennsylvania, Pisa, Pittsburgh, CAS Prague, CU Prague, TU Prague, IHEP Protvino, Ritsumeikan, UFRJ Rio de Janeiro, Rochester, Rome I, Rome II, Rome III, Rutherford Appleton Laboratory, DAPNIA Saclay, Santa Cruz UC, Sheffield, Shinshu, Siegen, Simon Fraser Burnaby, Southern Methodist Dallas, NPI Petersburg, Stockholm, KTH Stockholm, Stony Brook, Sydney, AS Taipei, Tbilisi, Tel Aviv, Thessaloniki, Tokyo ICEPP, Tokyo MU, Tokyo UAT, Toronto, TRIUMF, Tsukuba, Tufts, Udine, Uppsala, Urbana UI, Valencia, UBC Vancouver, Victoria, Washington, Weizmann Rehovot, Wisconsin, Wuppertal, Yale, Yerevan

  32. Status 25.4.2006 ATLAS CMS LHCb ALICE

  33. Hadronový kalorimeter, červen 2005 Vnitřní drahový detektor (křemíkový stripový a TRT) květen 2006 Kosmické testy miony po instalaci

  34. FERMILAB (CHICAGO) Experiment D0 Tevatron p+antip 2 TeV Obvod TEVATRON 6 km Main Injector Více funkcí Skladování antip po beam dump Chicago  Booster CDF DØ Tevatron p source Main Injector (new)

  35. Závěr • Výzkum ve fyzice částic probíhá v rozsáhlé mezinárodní spolupráci • Moderní urychlovače a detektory jsou unikátní zařízení • Výsledky fyziky částic mají úzkou návaznost na kosmologii a zvláště Big Bang (schopny zkoumat jevy zlomky sekund po něm) • LHC přináší novou, dychtivě očekávnou generaci experimentů • Na explicitní přání organizátorů jsem nezmínil zpracování 1 PB produkovaných dat ročně na mezinárodním gridu fyziky částic

More Related