1 / 32

Kvarkkiaineen tutkimus CERN:n ALICE-kokeessa

Kvarkkiaineen tutkimus CERN:n ALICE-kokeessa. SISÄLTÖ: Vahvojen vuorovaikutusten teorian (=QCD) historiaa Olomuodon muutos ydinaineesta kvarkkiaineeseen Kvarkkiaineen kokeellinen tutkimus, erityisesti ALICE-koe. Sami Räsänen. 29.8.2008. ”Alkeishiukkaset” vuonna 1932.

mala
Download Presentation

Kvarkkiaineen tutkimus CERN:n ALICE-kokeessa

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. Kvarkkiaineen tutkimusCERN:n ALICE-kokeessa • SISÄLTÖ: • Vahvojen vuorovaikutusten teorian (=QCD) historiaa • Olomuodon muutos ydinaineesta kvarkkiaineeseen • Kvarkkiaineen kokeellinen tutkimus, erityisesti ALICE-koe Sami Räsänen 29.8.2008

  2. ”Alkeishiukkaset” vuonna 1932 • valon kvantit, eli fotonit (Einstein 1905) • atomin ydin (Rutherford 1911) • atomin elektroniverho • kvanttimekaniikan kehitys ~1905-1927 • (Bohr, Heisenberg, Schrödinger, …) • neutroni löytyi 1932 (Chadwick)

  3. Positroni e+ Schrödingerin aaltoyhtälö (1925)  epärelativistinen kvanttimekaniikka kuvaa (esimerkiksi) valtaosan atomin elektroniverhon ominaisuuksista Paul Dirac löysi Schrödingerin aaltoyhtälölle relativistisen yleistyksen 1928 ENNUSTUS: jokaisella hiukkasella on oltava antihiukkanen • ANTIHIUKKASET: • sama massa kuin hiukkasella • vastakkainen varaus • hiukkanen ja anti-hiukkanen • annihiloivat toisensa törmätessään • positroni = elektronin antihiukkanen Andersson 1932

  4. Fotoni, g (1905) Sähkömagneettinen potentiaali SM vuorovaikutuksen kantama ääretön Einstein (1905): valo emittoituu ja absorboituu kvantteina (Compton todisti 1917) Sähkömagneettisen vuorovaikutuksen kuvaus massattoman hiukkasen, fotonin, vaihtona (1934-1948 QED: Feynman, Schwinger, …)

  5. Pioni, p (1934) Miten atomin ydin pysyy kasassa? Massiivisen hiukkasen vaihto  modifioitu Coulombin laki “vuorovaikutus” Vaihdettavan hiukkasen massa (m)  vuorovaikutuksen kantama Yukawa (1934)

  6. Myoni, m- (1937) Yukawan ennustuksen pohjalta etsittiin pioneja, m ~ 100-200 MeV Ei tarpeeksi tehokkaita kiihdyttimiä kosminen säteily Uusi hiukkanen löytyi täsmälleen oikealta massaväliltä, mutta kantama aineessa pitkä EI VOINUT OLLA YUKAWAN PIONI Myoni = ”raskas elektroni” I. Rabi: “WHO ORDERED THAT?”

  7. ”Alkeishiukkaset” 1948 Myös pioni löytyi ~10 vuoden etsimisen jälkeen kosmisesta säteilystä (Cecil Powell, 1947) (Neutriino, Pauli postuloi 1932, löydettiin kokeellisesti 1956) Cecil Powell

  8. Paljon uusia hiukkasia 1950-1968 Törmäysenergian kasvattaminen kiihdytinkokeissa • D-, D0, D+, D++ delta • L0 lambda • S-, S0, S+ sigma • X-, X0 eta • BARYONIT • p-, p0, p+ pioni • K-, K0, K+ kaoni • r-, r0, r+ rho • h eta • f fii • MESONIT Kaikki alkeishiukkasia?? Vai löytyykö sisäistä rakennetta??

  9. Kvarkkimalli 1963 u d s +2/3 e -1/3 e -1/3 e Gell-Mann, 1963 • Hadronit = mesonit + baryonit • hadronit koostuvat kvarkeista • baryoni = kolmen kvarkin sidottu tila • mesoni = kvarkin ja anti-kvarkin sidottu tila • kvarkit todennettiin kokeellisesti 1967 (SLAC)

  10. - Tätä nykyä hadroneita = baryonit (qqq) ja mesonit (qq) tunnetaan satoja HUOM! Kvarkkimallin kehitys pohjasi puhtaasti havaintoihin !! Havainto 1: yksittäisiä kvarkkeja tai gluoneja ei luonnossa vapaina Havainto 2: D++ baryonin kvarkkisisältö (uuu)  ristiriita Paulin kieltosäännön kanssa D++=(uuu) Greenberg postuloi värin 1964

  11. Kvanttiväridynamiikka (QCD) 1973 (= vahvan vv perusteoria) • Kvarkeilla on värivaraus (r, g, b) • Kvarkkien välistä vuorovaikutusta • välittävät massattomat gluonit • (löydettiin kokeissa 1979) Keskeinen ero SM teoriaan (QED) gluoneilla on värivaraus: g ~ (väri) x (vastaväri) Gluonien itseisvuorovaikutukset potentiaali kasvaa suurilla r Yksittäisiä kvarkkeja ja gluoneja ei luonnossa vapaina = värivankeus Havaittavat hiukkastilat (=hadronit) ovat ”valkoisia”, yksinkertaisimmat: baryoni ~ (qrqgqb) ja mesoni ~ (qväriqvastaväri)

  12. Alkeishiukkaset 2008 http://pdg.lbl.gov/ (=melkoinen hyppy edellisestä) Tässä esityksessä vain vahvat vuorovaikutukset: kvarkit: (u,d) (c, s) (t, b) gluonit: g POINTTI: Koetulokset Teoriat ”Who ordered that?” –toistunut LEP@CERN 1992: keveitä neutriinoperheitä on kolme

  13. OSA II Relativistiset raskasionitörmäykset

  14. Atomin koko ~ 1 Å = 10-10 m • Ytimen säde ~ 10 fm = 10-14 m • Nukleonin (= p tai n) säde ~ 1 fm • Kvarkit pistemäisiä (r < 10-19 m) • Elektroni pistemäinen (r < 10-18 m) Kertaus: Kultaytimen tiheysjakauma Kultaytimen säde RA~6.5 fm

  15. KVARKKI-GLUONI PLASMA (QGP) (Toisinaan nimitys ”kvarkkiaine”) Puristus Lämmitys Nukleonitiheys kultaytimessä n ~ 200 kpl / [4/3  (6.5 fm)3] ~ 0.17 kpl / fm3 n ~ 1 kpl / fm3 Nukleonit eivät ole ”kovakuorisia biljardipalloja”

  16. t=0 Yhteys kosmologiaan Kvarkki-gluoni plasma QGP (kvarkkiaine) t~10 µs t~1 ms

  17. Vahvasti vuorovaikuttavan aineen olomuodot QCD: ON OLEMASSA FAASITRANSITIO (eli olomuodonmuutos) hadronikaasu ↔ kvarkki-gluoniplasma (QGP) ! Luonnollinen yksikköjärjestelmä: c = ħ = kB = 1 Kriittinen lämpötila Tc ~ 1012 K ~ 170 MeV ja – energiatiheys c ~ 1 GeV / fm3

  18. Suurenergiaiset raskasionitörmäykset • - Kokeellispainotteista perustutkimusta, jonka tavoitteena • 1. Todentaa QGPn – aineen uuden olomuodon - olemassaolo • 2. Selvittää QGPn ominaisuudet eli tutkia vahvasti • vuorovaikuttavan QCD-aineen termodynamiikkaa • Tämä onnistuu, etenkin ydinten nokkakolareissa, kun • * A~200 = raskas • * törmäävien suihkujen E ≥ 10 GeV/n » mp ; ultrarelativistinen • * voidaan tutkia useita QGP-signaaleja • Alalla 1500-2000 fyysikkoa – hyvin kansainvälinen ala! • - Suomessa: perinteikkäät teoriaryhmät Jyväskylässä ja Helsingissä, • nyt myös kokeellinen ALICE-ryhmä JKL/HKI • www.urhic.phys.jyu.fi www.hip.fi

  19. Raskasionitörmäyksen dynamiikkaa Keskeinen Au+Au törmäys = ydinten nokkakolari - tihein mahdollinen systeemi syntyy; edullisin QGPn muodostumiselle - maksimaalinen määrä hituja lopputilassa - törmäystapahtuma kestää kokonaisuudessaan ~ 10-22 s !! Simulaation tekijä J. Mitchell: www.bnl.gov/rhic/

  20. Raskasionitörmäyksen dynamiikkaa Laskut ja simulaatio: Harri Niemi, JYFL

  21. Au + Au törmäys Brookhaven National Laboratorion RHIC –törmäyttimessä (RHIC = Relativistic Heavy Ion Collider)

  22. Esimerkki kokeellisesti mitattavasta suureesta: • Tuotetun poikittaisenergian määrä • - saadaan kalorimetrista tai hitujakaumista eli ”spektreistä” • → energiatiheydet heti tuoton jälkeen > 5 x QGP-raja • → systeemi ei ole hadronisessa olomuodossa t=1 fm/c:ssä ! Hadronien spektri eli ”niiden törmäyksessä tuotettujen hadronien lukumäärä dN, joiden liikemäärä (px, py, pz)on välillä (px+dpx, py+dpy, pz+dpz)” Katso myös www.physicstoday.org/vol-56/iss-10/p48.html

  23. Miksi ALICE –koe CERN:n LHC -törmäyttimelle? LHCssä QGP on kuumempaa ja elää pidempään !

  24. OSA III Muutama sana kokeellisesta fysiikasta

  25. ALICE koe (A Large Ion Collider Experiment)

  26. Size: 16 x 26 meters Weight: 10,000 tonnes ALICE

  27. Hiukkasten havaitsemisen perusteita ”Havaitseminen vaatii mittalaitteen ja havaintokohteen välisen vuorovaikutuksen” • ”Track detectors” • - mittaavat ratoja ja kulmia • ”Calorimeters” • - mittaavat energiaa • - tyypillisesti jaetaan hadronisiin ja sähkömagneettisiin

  28. Lankakammio • varatut hidut ionisoivat kaasua • elektronit kerätään anodilangoille (~2 mm välein) • useita päällekkäisiä kammioita (katodilevyt ~2 cm välein) • elektronit havaitaan virtana langoissa • aikaeroista saadaan tarkka paikkatieto Puolijohdeilmaisimet • varatut hidut luovat elektroni-aukko pareja materiaaliin • elektronit ja aukot erotetaan sähkökentällä ja • kerätään elektrodeille • erittäin tarkka paikkainformaatio, ~10 m • yleensä lähimpinä vuorovaikutuspistettä (tarkkuus) • huonoa: kalliita ja säteily vaurioittaa ajan myötä Kalorimetrit • näkevät myös neutraalit hiukkaset !! • mittaavat hiukkasten energiaa • tiivistä materiaa, joka absorboi törmäävät hiukkaset • uloimpia, eli (varattujen) hiukkasten radat mitattu • jo ennen kalorimetriin saapumista • SM kalorimetrit tyypillisesti lyijyä, hadroniset rautaa

  29. Animaatio osoitteessa: http://hands-on-cern.physto.se/ani/det_cms/cms_slice.swf

  30. Data-analyysi • Haasteita: • Kuinka edellä kuvatut sähköiset impulssit käsitellään ja tulkitaan? •  runsaasti haastavaa fysiikkaa, ei ”pelkkää” rautapuolta • ~500 eri instituuttia/yliopistoa analysoi LHC:n dataa • tutkijoita LHC:n piirissä on ~5000, joista ALICE:ssa ~1000 • dataa kertyy ~ 15 miljoonaa GB vuodessa (~ gigabittejä / s) •  vastaa noin 20 km korkuista pinoa CD-levyjä, vuosittain !! • - datan on oltava saatavilla ainakin 15 vuotta GRID • verkko, jossa yhteensä ~100 000 prosessoria • ultranopea kaista, saavutettu 11 000 km nopeudella 6.25 GB/s • (eli ~1 DVD elokuva 5 s välein) • data käsitellään vaiheittain: ”raakadata” => ”esikäsitelty” • Jyväskylässä analysoidaan (lähinnä) ”esikäsiteltyä” dataa

  31. FYYSIKON TYÖKALUPAKKI: • Fysiikan taidot (itsestään selvää) • Matematiikan taidot • Tietotekniikka, erityisesti ohjelmointi • Englannin kieli • Valmius ryhmätyöskentelyyn

  32. KIITOS !

More Related