1 . Úvod 2. Co je mikrosvět a jak do něj nahlédnout? 2.1 O platnosti teorie rozhoduje

1. Cesta do mikrosvěta aneb jak člověk poznával a poznává strukturu hmoty “Tento velký detektivní příběh dosud není vyřešen. Nemůžeme si být jisti, zda vůbec má konečné řešení. Četba nám již poskytla mnoho: naučila nás základům řeči přírody; umožnila nám porozumět mnohým z klíčů a byla často zdrojem radosti a povzbuzení v namáhavém a strastiplném pokroku vědy” A. Einstein, L. Infeld: “Fyzika jako dobrodružství poznání” Vladimír Wagner Ústav jaderné fyziky AVČR, 250 68 Řež, E_mail: WAGNER@UJF.CAS.CZ, WWW: hp.ujf.cas.cz/~wagner/ 1. Úvod 2. Co je mikrosvět a jak do něj nahlédnout? 2.1 O platnosti teorie rozhoduje experiment 2.2 Hierarchická struktura hmoty 2.3 Srážky – hlavní metody studia mikrosvěta 3. Urychlovače a experimenty na nich 3.1 Když to začalo 3.2 Jak urychlovače vypadají a fungují 3.3 Co nám řeknou? 3.4 Jak chytat a měřit částice 4. Urychlovač LHC 4.1 Standardní model 4.2 Urychlovač LHC a jeho první výsledky 5. Závěr

2. Fyzika mikrosvěta – jaké má metody? „Jediné, co mě zajímá, je najít soubor pravidel, která by souhlasila s chováním přírody, a nezkoušet jít příliš daleko za to. Zjistil jsem, že většina filozofických diskusí je psychologicky užitečná, ale nakonec, když se podíváte zpátky do historie, zjistíte, že to, co bylo kdysi řečeno s takovou pádností, je téměř vždy -- do jisté míry -- nesmyslné! “ R. Feynman v rozhovoru v knize P. Daviese a J. Browna „Superstrings: A Theory of Everything?“ Věda hledá popis reálného světa Nalezené zákonitosti umožňují dělat testovatelné předpovědi Každá vědecká teorie i hypotéza musí být falzifikovatelná - testovatelná Pravdivost různých interpretací lze řešit jen experimentálním pozorováním Úplné pochopení teorie ↔ úplné osvojení fyzikálního i matema- tického aparátu → spočtení předpovídaných fyzikálních veličin Richard Feynman Mikrosvět – neobvyklé vlastnosti popisované kvantovou fyzikou Přiblížení pomocí analogie – tato zjednodušení je třeba je brát velmi opatrně Použití pojmů z makrosvěta na vlastnosti mikrosvěta ↔ pozor opatrně při interpretaci Karl Popper v Praze v r. 1994

3. Složení hmoty Hmota je složena z částic - mezi nimi působí interakce Atomová fyzika, fyzikální chemie Jaderná fyzika Fyzika elementárních částic Superstrunové teorie? (rozměr 10-35 m)? RATOM/RJÁDRO ~ 105→ VATOM/VJÁDRO ~ 1015 Hustota vody 103 kg/m3 Hustota jádra ~1018 kg/m3 Důležité nástroje pro popis mikrosvěta: 1) Speciální teorie relativity - rychlosti blízké rychlosti světla, kinetická energie srovnatelná s klidovou 2) Kvantová fyzika - velmi malé hodnoty veličin  kvantový a pravděpodobnostní charakter, Heisenbergův princip neurčitosti

4. Počátek studia stavby atomu Diskuze okolo modelu atomu J.J. Thomsona – atom je kladně nabitá koule (3∙10-10m) uvnitř níž jsou elektrony. Studium chování záření α při průchodu kovovými foliemi – H. Geiger a E. Marsden pod vedením E. Rutherforda (1910). Pozorují: • Většina částic α letí přímočaře nebo se rozptýlí jen trochu • U několika málo pozorují velký odklon a výjimečně i odraz (velmi překvapivé). Vysvětlení: atom se skládá ze dvou rozdílných částí: atomového jádra (10-14 m) a elektronového obalu→ jaderný či planetární model atomu. Rutheford a Marsden u zařízení Přítomnost protonů (jader vodíku) v atomovém jádře prokázal E. Rutherford (1919). W. Bothe a H. Becker (1930) nový pronikavý typ záření (ostřelování Be, B nebo Li částicemi α). J. Chadwick (1932) - jsou to neutrální částice s hmotností blízkou hmotnosti protonu – neutrony Planetární model atomu:

5. Větší detaily, energie a teploty, produkce těžších částic Experimentální pozorováníje rozhodujícím kritériem pro uznání platnosti hypotézy a její přeměnu v teorii E = mc2 Stěžejní nástroj – srážka urychlených částic 1) Nárůst energie → větší detaily Zatím největší urychlovače E ~100 GeV→10-18m 2) Produkce částic s vyšší klidovou energií (hmotností) Klidová hmotnost protonu:~ 1 GeV LHC – srážka protonů s energiemi 7000 GeV Jádra olova (208 nukleonů) na každý 2700 GeV 1 123 200 GeV = 1,8∙10-4 J 3) Dosažení co nejvyšších hustot a teplot 1 eV = 1,602∙10-19J Celkové energie už přímo makroskopické– pád 0,02 g z výšky 1 m  srážka dvou menších much nebo větších komárů Stejná energie Rozdíl rozměrů 1014 V současné době už se sráželi Hmotnost 1 g se stejnou rychlostí  51017 J (10 000 hirošimských bomb)

6. !!! Potřebujeme urychlovač !!! Potřeba urychlovat částice na vyšší energie – produkce a hledání nových částic Existence kosmického záření – jeho doplnění umělým zdrojem První urychlovač – E.O. Lawrence v roce 1930 typ – cyklotron Nobelova cena za fyziku 1939 nyní více než 10 000 urychlovačů různých typů Princip urychlovače typu cyklotron zdroj částic magnetické pole – kruhová dráha částice elektrické VF pole pro urychlení Historické stránky Americké fyzikální společnosti (AIP) http://www.aip.org/history/lawrence/larger-image-page/epa-20.htm

7. Původní patentový nákres a model prvního urychlovače (průměr okolo 11 cm, V = 1800 V) Současné urychlovače – obrovské množství různých typů. Od malých produkčních pro medicínu (japonský R = 1 m) až po giganty v CERNu (R = 4 km)

8. Z čeho se urychlovač skládá: Iontový zdroj – produkce nabitých částic Elektrostatické nebo proměnné elektrické pole – urychlení částice – urychlovací systém Zdroj plazmy – elektrický výboj Magnetické pole – určuje dráhu částice, provádí fokusaci svazku – magnetické čočky vedou svazek a snaží se co nejvíce jej zúžit Vakuový systém – částice se při urychlování musí pohybovat ve vysokém vakuu – nutný systém vývěv Chlazení – supravodivé magnety potřebují heliové teploty Radiační ochrana – zajištění bezpečnosti pomoci stínění Urychlovací prvky LHC Řídící systém – ovládání, řízení a kontrola práce urychlovače Dipólové magnety LHC Kryogenní systém pro LHC Řídící centrum urychlovače LHC

9. V současnosti už tři roky funguje největší urychlovač na světě

10. Obvod 27 km – slušná linka metra - čtyři experimenty  čtyři zastávky  čtyři křížení dvojice rour Spouštění magnetu do podzemního tunelu 1700 supravodivých magnetů z nich 1232 největších dipolových 200 teplých magnetů Tedy 1700 kryogenních propojení. Tedy 50000 kryogenních svarů 200 000 m2 vícevrstevné izolace 120 tun supravodivého a supratekutého helia Spojovací část mezi jednotlivými sekcemi

11. ALICE CMS ATLAS LHCb

12. Nejen připravit hmotu z počátku vesmíru, ale i si ji prohlédnout • Máme na to detektory – a tu jsou jejich úkoly: • Zachytit co nejvíce částic a určit jejich vlastnosti • Zachytit a určit energii i těch nejenergetičtějších částic • Zachytit dráhu krátce žijících částic nebo dráhy jejich produktů rozpadu • Určit hybnosti částic • Určit náboje částic Hadronové kalorimetry Vnitřní dráhové detektory Elektromagnetické kalorimetry Velké dráhové komory (umístěné v magnetickém poli)

13. !!! Velký experiment – potřeba hodně lidí !!! Jeden z posledních snímků ALICE před uzavřením jeskyně před čtyřmi lety (nejmladší „fyzik“ na obrázku pochází z české ALICE komunity)

14. Čekání na ALICI – čekali a čekají i čeští fyzikové Účast našich studentů na instalaci křemíkových driftových detektorů a jejich elektroniky

16. První případy srážek dvou jader olova z experimentu ALICE (místo 10 až 100 částic se ve srážce produkuje až 10 000 částic)

17. Standardní model Hmota je tvořena částicemi (fermiony s=1/2), mezi kterými působí interakce, které jsou zprostředkovány výměnou částic (bosony s=celé číslo) barevný náboj 1) Silná - kvantová chromodynamika (působí pouze na kvarky a z nich složené hadrony – baryony a mezony) 2) Elektromagnetická - kvantová elektrodynamika 3) Slabá - elektroslabá teorie Tři druhy interakcí: elektrický náboj baryony – tři kvarky mezony – kvark a antikvark výměnný charakter interakcí Tady je Higgs + antičástice Je spojený s generací části hmotnosti tvoří běžnou hmota za normálních podmínek Gravitace stojí mimo standardní model – je velmi slabá a v mikrosvětě se neprojevuje

18. Jak získat nejhustší a nejteplejší hmotu v laboratoři Proč: Studium hmoty existující ve vesmíru Pochopení vlastností sil, které v přírodě působí Jak: Urychlovač – produkce husté a horké hmoty (možnost prokázal urychlovač BEVALAC) Experimentální zařízení – studium této hmoty Dosažená teplota:~2,1×1012 K Dosažená hustota:~ 4 ρ0 = 1018 kg/m3 Soustava s neutronovou hvěz- dou v představách malíře 80. léta – začátek studia horké a husté jaderné hmoty Začátek 21. století – studium extrémně horké hmoty Budovaný urychlovač LHC RHIC a LHC jsou kuchyně pro vaření velmi horké polévky

19. Jak identifikovat částici detekcí produktů rozpadu? Určit hybnosti a energie produktů rozpadu a z nich spočítat klidovou hmotnost původní částice

20. Existence nové částice ?higgse? potvrzena ! 1) Potvrzen přebytek pro γγ a ZZ rozpady v oblasti hmotnosti 125 GeV 2) Pravděpodobnosti produkce a rozpadu odpovídají standardnímu higgsi 3) Jedná se o boson se spinem 0 4) Větší statistika a studium dalších reakcí potvrdí, zda jde opravdu o standardního higgse

21. LHCb – studium rozdílu mezi hmotou a antihmotou Rozpad Bd0 částic a antičástic

22. Není černá díra jako černá díra Mikroskopická černá díra Klasická černá díra Je ve vesmíru pozorována Zatím jen hypotetický objekt v exotických teoriích Rozměr i hmotnost hvězdná Hmotnost atomového jádra Rozměr 1000 x menší než proton Hned se vypaří Do atmosféry Země dopadá kosmické záření ještě s většími energiemi než mají protony a jádra na LHC !!! Mikroskopická černá díra (pokud existuje) je neškodná !!!

23. Závěr • Fyzikové vypracovávají teorie, které nám umožňují předpovídat budoucí děje. Správnost těchto teorií se dá ověřovat jedině experimentem a srovnáním předpovědí s pozorováním. • Nejběžnějším typem experimentu v jaderné a částicové fyzice jsou srážky • Pro srážky s vysokou energií potřebujeme urychlovače – stále větší a větší urychlovače • Měří se stejné nebo podobné fyzikální veličiny, které znáte.Jen je k tomu třeba mít složitější přístroje. • Vidíme stále větší detaily a produkujeme stále těžší částice. • Také horkou a hustou hmotu, jaká byla na počátku vesmíru můžeme dostat i v laboratoři pomocí srážek těžkých jader urychlených na rychlosti blízké rychlosti světla. • Nový urychlovač znamená i objev nových částic a potvrzení teorií. • Koncem roku 2009 začal pracovat největší urychlovač na světě LHC, už třetí rok poskytuje první informace • Účast českých fyziků - příležitost i pro studenty VŠ a tedy i pro Vás