Bland partiklar och tunga joner - om forskningen vid CERN

1. Bland partiklar och tunga joner - om forskningen vid CERN Vad har vi lärt oss? Vilka är frågorna idag? Hur söker vi svaren? RIFO 2 februari 2005, Kerstin Jon-And

2. Materiens struktur elektron (-1) 1897 Thomson atomkärnan 1911 Rutherford proton (+1) 1919 Rutherford neutron (0) 1932 Chadwick kvarkar ”1964” Gell-Mann ca 1970 Friedman, Kendall, Taylor 1974 charm, 1995 topp RIFO 2 februari 2005, Kerstin Jon-And

3. De minsta byggstenarna à là Standardmodellen charm 1,5 174 sär <1 5 muon 1,8 0.1 Tredje familjen Första familjen Andra familjen <1 topp upp Kvarkar ner <1 botten tau elektron 0.0005 Leptoner e-neutrino m-neutrino t-neutrino + antipartiklar för alla partiklarna RIFO 2 februari 2005, Kerstin Jon-And

4. ANTIMATERIA • Varje kvark och lepton har sin antikvark respektive antilepton. • Första antipartikeln som upptäcktes var antielektronen eller positronen (1932). • Antipartikeln har motsatt laddning och motsatta inre kvanttal jämfört med partiklen. • Partikel och antipartikel förintar varandra. e- e+   RIFO 2 februari 2005, Kerstin Jon-And

5. elektromagnetisk stark svag  Fotoner W e Atomkärna t b Elektron Växelverkningarna à là Standardmodellen foton (masslös) gluon (masslös) W,Z (80-90 GeV) RIFO 2 februari 2005, Kerstin Jon-And

6. Partikelfysikens och kosmologins Standardmodeller beskriver Universums utveckling 15 miljarder år 5 miljarder år 1 miljard år 1013 sek = 300000 år 100 sek 10-10 sek Hit når LHC 10-34 sek 10-43 sek RIFO 2 februari 2005, Kerstin Jon-And

7. Några viktiga frågor: • Varför har partiklarna massa? • Varför domineras universum av materia? eller Vart tog antimaterian vägen? • Vad består universums mörka materia av? • Finns det extra dimensioner? RIFO 2 februari 2005, Kerstin Jon-And

8. Higgsmekanismen ger massa i Standardmodellen. Analog: ljus i glas - partiklar i Higgsfält. Absorption / Re-emission - + + + Fotonen har en massa i glaset - där denväxelverkar elektromagnetiskt - - + + + Rörelse-energi Rörelse-energi och massa (E = mc2) = I ett m aterial, t.ex. glas, går ljuset långsammare än i luft Förklaringsmodeller: I ett material, t.ex. glas, går ljuset långsammare än i luft RIFO 2 februari 2005, Kerstin Jon-And + + + +

9. Higgsfältet finns överallt (om det finns…) En partikel som växelverkar med ett fält som finns överallt, kommer alltså alltid att känna av fältet, ungefär som en foton i ett material växelverkar med de elektriska laddningarna. Denna växelverkan - ”tröghet” - är det vi ser som partiklars vilomassa Är den här bilden riktig så finns det en oupptäckt partikel - HIGGS-BOSONEN partikelfysikens heliga graal…... Higgs eller något annat? - LHC och ATLAS kommer att ge svaret! RIFO 2 februari 2005, Kerstin Jon-And

10. Materia - antimateria asymmetrin Enligt Big-Bang teorin skapades universum symmetriskt - lika mycket materia som antimateria Universum tycks nu innehålla bara materia. Så vart tog antimaterian vägen? Vi söker svaret inom partikelfysiken: I några partikelsystem, de s.k. K-meson och B-meson systemen, har vi mätt ett symmetribrott mellan partikeln och dess antipartikel. Effekten är inte förstådd, vi har bara mätt den för att se hur stor den är. Men - den är inte tillräcklig för att förklara varför vi sitter här idag. => Det måste finnas mer!! Mätningar med hög statistik ska utföras i B-mesonsystemet vid LHC. RIFO 2 februari 2005, Kerstin Jon-And

11. Vad består Universum av? • Atomer - “vanlig” materia - ca 4%. Beskrivs av Standardmodellen. • Mörk materia - ca 23%. Vi vet inte vad den består av! Supersymmetri?? • Mörk energi - någon totalt okänd form av energi som får universums expansion att accelerera. RIFO 2 februari 2005, Kerstin Jon-And

12. SUPERSYMMETRI (SUSY) Inom partikelteorin har man länge studerat så kallade supersymmetriska teorier. • Varje partikel har en partner, elektronerna har selektroner och så vidare. • Dessa bildades - liksom alla andra partiklar - i Big Bang. • De tyngsta sönderfaller, liksom de tyngsta av de vanliga partiklarna. • Den lättaste - en slags partner till fotonen - skulle kunna vara stabil och finnas kvar i universum. • Vi inte har upptäckt några supersymmetriska partiklar. De måste alltså vara ganska tunga. • Den här typen av partiklar kan vara lösningen på ett kosmologiskt problem: • Det tycks finnas något därute som vi inte vet vad det är! Mörk Materia. Om den lättaste SUSY-partikeln utgör den mörka materian finns det ca 1 sådan partikel per liter överallt. Om SUSY finns kommer SUSY-partiklar att upptäckas vid LHC! RIFO 2 februari 2005, Kerstin Jon-And

13. Gravitationen svår att beskriva med kvantteori! • Varför är den så svag jämfört med de andra naturkrafterna? • Den kanske inte är så svag. Den kanske läcker ut till “extra dimensioner” som vi inte kan uppfatta? • Om gravitationen inte är så svag, kanske minimala svarta hål kan skapas vid LHC? RIFO 2 februari 2005, Kerstin Jon-And

14. För att få svaren behöver vi enpartikelaccelerator • Partiklar ska kollideras vid mycket hög energi så att vi kan skapa tunga nya partiklar, E=mc2. • Många kollisioner så att vi kan studera även sällsynta partiklar. • LHC - Large Hadron Collider • Ska kollidera protoner med protoner vid en energi av 14 TeV, världsrekord • Ska kollidera blykärnor vid en energi av 1150 TeV • 40 millioner kollisoner per sekund! • Ska börja köra 2007. RIFO 2 februari 2005, Kerstin Jon-And

15. CERN LEP/LHC (27 km) SPS (7 km) RIFO 2 februari 2005, Kerstin Jon-And

16. RIFO 2 februari 2005, Kerstin Jon-And

17. Vi behöverdetektorer för att detektera sönderfallsprodukterna av de nya tunga partiklarna. ATLAS, en generell detektor - ett samarbete mellan nästan 2000 fysiker från ca 150 institutioner i hela världen - 7000 ton, 44 m lång, 22 m diameter - vissa element skall positioneras med en precision bättre än 100 m RIFO 2 februari 2005, Kerstin Jon-And

18. ATLAS jämförd med 7-våningshus RIFO 2 februari 2005, Kerstin Jon-And

19. KTH Uppsala, Lunds univ. Stockholms univ. RIFO 2 februari 2005, Kerstin Jon-And

20. Hur kan vi “se” Higgspartikeln i ATLAS? Higgspartikeln kan sönderfalla till 2 Z-partiklar, som i sin tur sönderfaller till 4 elektroner/positroner, vars spår vi ser i spårdetektorn och elektromagnetiska kalorimetern. RIFO 2 februari 2005, Kerstin Jon-And

21. ALICE Detektorn vid LHC - specialbyggd för att studera blykärne-kollisioner och söka efter kvark-gluon plasma RIFO 2 februari 2005, Kerstin Jon-And

22. ALICE Performance 5000 PbPb events at 5.5 TeV/nucleon pair were produced for PPR HMPID TRD TOF dNch/dh ~ 8000 84’210 primary particles TPC Data size • Hits ~1.4Gb • Digits ~1.1Gb CPU timeon 800MHz PIII • Hits ~24h • Digits ~15h ITS PHOS slice: 2o in q RIFO 2 februari 2005, Kerstin Jon-And

23. Spännande framtid… • Vi ser med spänning och förväntan fram mot att få analysera data från LHC kollisioner! • Vem vet hur vår världsbild kan komma att förändras… RIFO 2 februari 2005, Kerstin Jon-And