Fizyka w LHC Bohdan Grządkowski Uniwersytet Warszawski Wydział Fizyki Instytut Fizyki Teoretycznej

Jak duże są cząstki elementarne? Jakie są i jak oddziałują podstawowe składniki materii? Jak to działa? - LHC

Akcelerator - narzędzie do badania mikroświata Jak to działa? - LHC

Obiekty fundamentalne: leptony Jak to działa? - LHC

Obiekty fundamentalne: kwarki (górny) Jak to działa? - LHC

Oddziaływania Jak to działa? - LHC

Oddziaływania Jak to działa? - LHC

Oddziaływania Jak to działa? - LHC

Oddziaływania Jak to działa? - LHC

Cząstki w Modelu Standardowym Tego szukamy! Jak to działa? - LHC

Model Standardowy – współczesna teoria cząstek elementarnych Własności: Opisuje trzy spośród czterech oddziaływań: elektromagnetyczne, słabe i silne. Nie opisuje oddziaływań grawitacyjnych. Zawiera w sobie wcześniejsze teorie: Mechanika kwantowa, Chromodynamika kwantowa Teoria oddziaływań elektrosłabych Ma 19 swobodnych parametrów, których wartości nie wyjaśnia. Zgadza się z doświadczeniem do ułamków procenta. Jak to działa? - LHC 11

Kilka przykładów naszej niewiedzy Skąd się biorą masy cząstek i czemu są takie – jakie są? Czy istnieje bozon Higgsa? Gdzie się podziała antymateria? Gdzie i czym jest niewidoczna część Wszechświata? („ciemna materia” i „ciemna energia”) Czy istnieją „ukryte” wymiary przestrzeni? Jak formował się wczesny Wszechświat? Jakie są własności kwarków w stanie swobodnym? (Czym jest „plazma kwarkowo-gluonowa”?) Czy istnieją cząstki „supersymetryczne”? Jak to działa? - LHC 12

O co chodzi z tą plazmą? Jak to było ‘na początku’? ‘cofamy bieg czasu’ zderzając w LHC także jądra ołowiu! 10 –6 s 10 –4 s 3 min 1.5 *109 lat Plazma K-G Nukleony Jądra Atomy Dzisiaj Przyroda Eksperyment Wielki Wybuch Jak to działa? - LHC

CERN Jak to działa? - LHC

CERN - przed wejściem głównym – flagi państw - członków CERN-u Tak, jesteśmy jako kraj CERN - przed wejściem głównym – flagi państw - członków CERN-u Jak to działa? - LHC 15

LHC – Large Hadron Collider Wielki Zderzacz Hadronów wyzwanie dla fizyki ... i dla techniki Jak to działa? - LHC 16

Akceleratory Służą do przyspiesznia naładowanych cząstek (protonów, elektronów, pozytonów, antyprotonów) Jednostka energii: elektronowolt 1eV = 1.6·10-19J Jak to działa? - LHC

Jak to działa? - LHC 18

Wielki Zderzacz Hadronów LHC = Large Hadron Collider (Wielki Zderzacz Hadronów) Ostatnie „ogniwo” kompleksu akceleratorów w CERNie, obwód: 27km p+p: E=7TeV+7TeV = 14TeV (14·1012·1.6·10-19J=2.24·10-6J) v=99.9999991%c 2800 paczek protonowych, 1011 protonów w paczce Zderzenia co 25ns , około 20 oddziaływań p-p w jednym przecięciu 4 Duże eksperymenty w tym CMS i ATLAS Jak to działa? - LHC

pod powierzchnią ziemi) CERN i LHC Jezioro Genewskie Lotnisko w Genewie tunel LHC (długość 27 km, ok.100m pod powierzchnią ziemi) CERN/Meyrin Jak to działa? - LHC 20

LHC w schematycznym przekroju Jak to działa? - LHC 21

Jak to działa? - LHC

Jak to działa? - LHC

LHC w liczbach Długość obwodu tunelu akceleratora 26 659 m Średnia głebokość tunelu akceleratora 100 m Energia protonów w wiązce 7 TeV Prędkość protonów w wiązce 0,999999991 c Liczba obiegów protonu w akceleratorze na sekundę 11 245 Liczba zderzeń cząstek 600 mln/s Liczba rejestrowanych zderzeń 100/s Liczba elektromagnesów akceleratora 9 593 Indukcja pola magnetycznego w elektromagnesach dipolowych 8,3 T Temperatura obwodów nadprzewodzących w tych elektromagnesach 1,9 K Ciśnienie w rurze wiązki 10-13atm Koszt akceleratora 4,98 mld CHF Koszt detektorów i gridu (w CERN) 1,53 mld CHF Decyzja 1994, rozpoczęcie 1998, rozpoczęcie budowy 1998, uruchomienie 2008 Jak to działa? - LHC

Jak to działa? - LHC

Jak to działa? - LHC

Detektor CMS – oddziaływania cząstek z materią Jak to działa? - LHC

Start LHC: 10 września 2008 Jak to działa? - LHC

Wydarzenie 19 września 2008 19/09/2008 w czasie testowania magnesów przepalił się mały element elektryczny pomiędzy 2 magnesami. W rezultacie stracono dużo chłodzącego helu. Sama naprawa przepalonego elementu zajmie bardzo mało czasu, ale najpierw trzeba ogrzać oba magnesy do normalnej temperatury, a potem powtórnie ochłodzić. Każda z tych operacji musi zająć ok. 3 tygodni. Ponieważ zaś akceleratory nie mogą działać w zimie (ze względu na koszty prądu), oznacza to, że wznowienie działalności LHC może odbyć się dopiero na wiosnę 2009. Jak to działa? - LHC

19 września 2008 – c.d. Ważne uwagi: Zawiódł drobny element elektryczny, wszystkie elementy skomplikowane technologicznie działały bezbłędnie! W momencie, gdy się to wydarzyło, nie było ani ludzi w tunelu, ani wiązek w akceleratorze. Powodem nie był pośpiech, presja ani zaniedbanie. Prowadzono standardowe prace przechodzenia do wyższych prądów w magnesach. Jak to działa? - LHC

CERN i Polska w liczbach 05/02/2008 Zatrudnieni na długi okres (>3 lat) Zatrudnieni na krótszy okres (1-3 lat) Przyjeżdżający dorywczo Ogółem 2415 730 9133 w tym z Polski 38 67 202 Jak to działa? - LHC

Jak to działa? - LHC

BUDGET 2007 20 MEMBER STATES’ CONTRIBUTIONS Amounts in Swiss francs Germany 19.73% 202’452’100 Norway 2.37% 24’299’950 United Kingdom 17.67% 181’370’000 Poland 2.21% 22’687’350 France* 14.88% 152’718’800 Denmark 1.76% 18’100’250 Italy 12.05% 123’635’450 Greece 1.54% 15’854’400 Spain 8.16% 83’790’450 Finland 1.40% 14’416’100 Netherlands 4.46% 45’739’400 Portugal 1.19% 12’243’100 Switzerland 3.07% 31’462’150 Hungary 0.76% 7’839’950 Belgium 2.66% 27’260’750 Czech Republic 0.88% 9’075’800 Sweden 2.48% 25’451’950 Slovak Republic 0.34% 3’491’100 Austria 2.17% 22’250’950 Bulgaria 0.21% 2’147’800 * Additional contribution from France 9’000’000 CHF Total CHF 100% 1’026’287’800 Jak to działa? - LHC 33 33

A czy „zwykłemu człowiekowi” to się na co przyda? nowe materiały, nowe technologie, nowe urządzenia pomiarowe, zastosowania w medycynie, zastosowania w komunikacji, zastosowania w energetyce, zastosowania w ochronie środowiska ... Jak to działa? - LHC 34

Jak to działa? - LHC

A teraz `księga cytatów’ na temat możliwości zastosowań `badań podstawowych’: Jak to działa? - LHC

Jak to działa? - LHC

Jak to działa? - LHC

Jak to działa? - LHC

A jak się pracuje w takiej wielkiej współpracy? Oczywiście, praca fizyka przy eksperymencie różni się od pracy w dużym zakładzie z podobną liczbą osób. Nie można pracować samemu! Nikt sam nie jest w stanie ogarnąć całości współczesnych skomplikowanych eksperymentów. Ale też nie pracuje się z 2000 osobami naraz. Ani z 500, ani nawet z 10. Zwykle współpracuje się ściśle z 2-3 osobami, więc w zasadzie nie ma wielkiej różnicy z pracą w innych dziedzinach nauki. Natomiast trzeba umieć w razie potrzeby znaleźć wśród tych 2000 osób specjalistę od problemu, którego akurat w danej chwili nie potrafimy rozwiązać. Ponieważ zwykle każda analiza prowadzona jest przez 2 niezależne grupy, trzeba umieć porozumieć się z kolegami, którzy robią w zasadzie to samo, tylko zupełnie inaczej (oczywiście gorzej...), i mają wyniki w części podobne, ale jednak nie do końca... Obie te umiejętności są niezwykle przydatne w tzw. życiu... Jak to działa? - LHC

A co my będziemy z tego mieli? My, Polska... Dostęp naukowców i inżynierów do nauki i technologii na najwyższym poziomie, czego żadne państwo nie byłoby w stanie samodzielnie zapewnić! CERN umożliwia kształcenie studentów przed i po magisterium. CERN organizuje 3-tygodniowe kursy dla nauczycieli fizyki, po polsku i pokrywając wszelkie koszty pobytu. Kontakt przez kuratorium Jak to działa? - LHC

A my, zwykli ludzie? Autentyczne wypowiedzi: Czy to nie za drogi sposób zaspokajania ciekawości kilku osób? Rety, tyle kasy! Czy nie lepiej byłoby przeznaczyć te pieniądze na walkę z rakiem? ... na poszukiwanie alternatywnych źródeł energii? Jak to działa? - LHC

Ustalmy proporcje: koszt jednego bombowca B-2 wyniósł, według różnych ocen, od $1,16 do $2,2 miliardów dolarów, Jak to działa? - LHC

To są źle postawione pytania! Badania podstawowe muszą się rozwijać, bo tylko wtedy zapewnimy postęp i umożliwimy nowe wynalazki! ... w szczególności na walkę z rakiem i poszukiwania nowych źródeł energii! w przeciwnym razie natychmiast stajemy przed pytaniem, który z naszych bezpośrednich celów jest ważniejszy? Czy np. może po prostu dać wszystkie pieniądze na walkę z rakiem, a o energię zadbać w dalszej kolejności?? Warunkiem zastosowania w praktyce nowego zjawiska jest jego uprzednie dobre poznanie – jakie przyczyny wywołują jakie skutki Oczywiście, problem zapewnienia funduszy na rozwój biologii, fizyki, chemii, ... jest poważny ale przecież każde gospodarstwo domowe też musi go rozwiązać! Jak to działa? - LHC

Spektakularne przykłady z przeszłości G.Charpak, konstruktor nowych, przełomowych detektorów cząstek (1968, nagroda Nobla 1992), od razu przewidział ich zastosowanie w medycynie. Metoda magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR) jest skomplikowanym zjawiskiem z fizyki kwantowej (nagroda Nobla 1952) – a obecnie urządzenia wykorzystujące to zjawisko są standardowym wyposażeniem każdego szpitala. Jak to działa? - LHC

Spektakularne przykłady – c.d. Louis de Broglie miał czysto teoretyczny pomysł, że cząstki mają dualną naturę – korpuskularną i falową (1924, nagroda Nobla 1929). Wkrótce (1931) w oparciu o tę koncepcję 2 niemieckich inżynierów zbudowało mikroskop elektronowy. Laser został wynaleziony w r.1960, stosując ideę pompowania optycznego (1950, nagroda Nobla 1966). Gdyby wtedy zgromadzono wszystkich najwybitniejszych naukowców i kazano im wymyślić konkretne urządzenie do efektywnego zapisywania muzyki (bądź pomocy kasjerkom w sklepach), pewno myśleliby jeszcze do dzisiaj... Jak to działa? - LHC

A więc hasło: Chcesz postępu w technice – inwestuj w badania podstawowe! Jak to działa? - LHC

Podziękowania Dziękuję za udostępnienie materiałów: prof. Helenie Białkowskiej (IPJ) prof. Janowi Plucie (PW) dr Marcinowi Koneckiemu (UW) dr Ryszardowi Gokieli (IPJ) Jak to działa? - LHC