LHC– pierwsze 3 lata Agnieszka Obłąkowska-Mucha AGH, Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej, Katedra Oddziaływań i Detekcji Cząstek Noc Naukowców 27.09.2013

Dlaczego lubimy fizykę? FIZYKA nauka wyjaśniająca, z czego zbudowana otaczająca nas materia, wyrażająca za pomocą matematycznych zależności sposób funkcjonowania Wszechświata p + p → ²H + e + + 𝜈 e 1,44 MeV ²H + p → ³He + 𝛾 5,494 MeV ³He + ³He → 4He + 2p + 𝛾 12,860 MeV Fizyka Wysokich Energii = Fizyka Cząstek Elementarnych gałąź fizyki opisująca najmniejsze składniki materii i zależności pomiędzy nimi, wyjaśniająca najwcześniejsze chwile istnienia Wszechświata Laboratorium FWE akcelerator naładowanych cząstek (protonów, elektronów) detektory Noc Naukowców 27.09.2013

Przyrządy optyczne ? Materia 10-8 m 10-10 m 10-15 m składa się atomów, atom budują elektrony i jądro, w jądrze są protony i neutrony, które składają się z KWARKÓW. tylko… …. jak to można zobaczyć? 1cm=10-2 m 10-8 m 10-10 m 10-15 m ? Mikroskop tunelowy- fala o mniejszej długości reakcje jądrowe Przedmioty widzimy ponieważ rejestrujemy światło, które się od nich odbija. Ale jest to możliwe tylko wtedy, gdy rozmiar przedmiotu jest podobny do długości fali światła oko i mikroskop – światło widzialne o długości 10-6 - 10-8 m. Noc Naukowców 27.09.2013

Fale materii Skąd zatem wziąć światło o długości 10-15 m (pm)? Pomysł powstał w latach 30. XX wieku (lata A.Einstaina, M.Planca, M.Skłodowskiej). L.de Broiglie pokazał, że z poruszającą się cząstką materii możemy związać falę. Jej długość wynosi: 𝜆= ℎ 𝑝 (h-stała Planca, p=mv (pęd). Dla człowieka o masie 50 kg biegnącego z prędkością 10 km/h, długość fali materii wynosi 4.77·10-36 m. Ale dla elektronu o prędkości prawie równej prędkości światła, jest liczba rzędu 10-15m! Fala materii stowarzyszona z rozpędzonym elektronem może „oświetlić” wnętrze protonu – widoczne są co najmniej trzy kwarki! proton Noc Naukowców 27.09.2013

Rozbić to w drzazgi! Drugi sposób sprawdzenia, z czego zbudowany jest przedmiot, polega na… … rozbiciu go na drobne kawałki! Tylko czasem trudno odtworzyć pierwotny kształt i znaleźć zasady działania! W obydwu metodatch mieliśmy do czynienia z rozpędzaniem materii do jak największych prędkości. ? ? ? W FWE mówimy raczej o najwyższych energiach, bo w naszej skali wszystkie cząstki poruszają się z 0.99999999 c. Noc Naukowców 27.09.2013

Wysokie energie- powód III Obecnie przyjmuje się, że Wszechświat powstał w spektakularnym akcie Wielkiego Wybuchu. Cała nasza historia zaczęła się, gdy bardzo wielka i bardzo gęsta energia zaczęła zamieniać się w materię. Wszechświat powstał prawie 14 mld temu z osobliwie gęstego i gorącego (1032 K) 10-wymiarowego obiektu, w którym istniała pełna symetria i jedno oddziaływanie, Inflacja – gwałtowny wzrost objętości Wszechświata (1078 krotne) i stygnięcie. Faza gorącego Wszechświata – stan równowagi pomiędzy cząstkami, antycząstkami i fotonami (tyle samo cząstek znika, co jest produkowanych). Po 10-34 s zaczynają różnicować się oddziaływania. Większość par już tylko anihiluje (mała energia). Po 10-7 s pozostała niewielka nadwyżka protonów i neutronów. Bariogeneza – proces, w którym powstały nukleony. Problem – jaki proces spowodował, że z początkowo idealnie symetrycznego stanu Wszechświata powstał układ złożony tylko z cząstek? Brak antymaterii!!! Noc Naukowców 27.09.2013

Noc Naukowców 27.09.2013

Akceleratory Przekonaliśmy się już, że do wyjaśnienia zarówno z czego składa się materia oraz jak powstał Wszechświat nieodzowne jest przyspieszanie cząstek. Do przyspieszania nadają się obiekty naładowane elektrycznie, czyli elektrony, protony, jony lub miony (na fotony i neutrony również są metody, ale tu o nich nie będzie). Metoda jest prosta: np. elektron przechodząc od ujemnego bieguna baterii, do dodatniego, ulega przyspieszeniu o wartość energii = eU. Jak ustawimy takich baterii kilka (lub kilkaset), dodamy mu energii o znacznej wartości. → Przechodząc przez akceleratory elektron zwiększa prędkość, ale również… masę ● → ● ● ● Noc Naukowców 27.09.2013

Akceleratory kołowe Znacznie oszczędniej będzie, jeśli zamiast budowania kolejnych stacji „baterii” zmusimy cząstkę, aby zawróciła i przeszła ponownie przez te same elementy przyspieszające (D). Do zakrzywienia toru naładowanej elektrycznie cząstki służą magnesy (B). Zbudowaliśmy w ten sposób akceleratory kołowe. A jeszcze lepiej, gdy wykorzystamy te same elementy do przyspieszania jednocześnie cząstek i antycząstek (elektronów i pozytonów, protonów i antyprotonów). Noc Naukowców 27.09.2013

Zderzamy! Po rozpędzeniu cząstek do wymaganych energii – zderzamy je! W „centrum” mamy podwojoną energię wiązek. Baaaardzo ogromne gęstości energii! elektrony są cząstkami punktowymi, zderzają się jak piłki rys:L.Gorlich. Naszym następnym zadaniem jest złapanie wszystkich powstałych fragmentów i odtworzenie, co stało się podczas zderzenia protony składają się z kwarków, zderzają się jak „worki z piaskiem” Wystarczy teraz pokazać, że wśród zarejestrowanych cząstek są te najbardziej poszukiwane. p p Noc Naukowców 27.09.2013

Produkcja nowych cząstek Zasada zachowania masy: W stanie końcowym są dokładnie takie same cząsteczki, co na początku (chociaż inaczej związane) Nowe reguły: Zamiana energii w materię: przy zderzeniu protonów o bardzo dużej energii powstają cząsteczki o masie większej niż masa początkowych protonów p p W+ b u + μ+ 𝛄 p p W- H0 μ- d E=mc2 c p p p p Noc Naukowców 27.09.2013

LHC- Wielki Zderzacz Hadronów Zespół akceleratorów protonów, zbudowany pod Genewą, w ośrodku CERN Największy pierścień ma 27 km obwodu, urządzenia zbudowane są w tunelu, na głębokości do 100 metrów. Noc Naukowców 27.09.2013

LHC- krótka historia 1980 – pomysł budowy akceleratora protonów. W tym czasie budowany był tunel pod akcelerator elektron-pozyton (LEP) 1994- Rada CERNu zatwierdziła projekt, 1998 – prace budowlane (5 lat) 1998 – prototyp nadprzewodzącego magnesu dipolowego (8 T) 2006-08 ukończona budowa 4 detektorów i LHC 18 września 2008 pierwsze wiązki protonów w LHC Noc Naukowców 27.09.2013

LHC działa! 19 września 2008 – przy podnoszeniu energii do 5 TeV – awaria jednego z połączeń elektrycznych – wybuch i wyciek helu z systemu chłodzenia, zniszczone ok. 40 magnesów, 20 października 2009 – LHC przyspiesza protony do 3.5 TeV, 28 września 2012 – LHC działa, energia wiązek – 4 TeV, najwyższe energie osiagane w ziemskich laboratoriach. 2013-15 wymiana części elementów LHC (upgrade) konieczna do dalszego podnoszenia energii 2015-21 energia protonów - 14 TeV 2023-30 – zwiększenie gęstości cząstek (świetlności), >2035 energia > 30 TeV Noc Naukowców 27.09.2013

14 luty 2013 LHC zostało zamkniete. Pierwszy okres zbierania danych (Run I) zakończył się, Przystapiono do modernizacji akceleratora. Planowanie uruchomienie – wiosna 2015 Noc Naukowców 27.09.2013

NADPRZEWODZĄCE cewki magnesu Magnesy LHC Do zakrzywienia toru protonów konieczne jest pole magnetyczne. Im większy pęd, tym pola musi być większe. Pole magnetyczne wytwarzane jest przez prąd – żeby utrzymać 4 TeV-owe protony na orbicie indukcja pola musi być ponad 8 Tesli, a natężenie prądu ponad 10 000 Amperów! NADPRZEWODZĄCE cewki magnesu Noc Naukowców 27.09.2013

LHC same naj… ♦ Największy akcelerator kiedykolwiek zbudowany. ♦ Największe laboratorium na świecie. ♦ Największe i najbardziej skomplikowane detektory. ♦ Komputery o największych mocach obliczenowych. ♦ Najzimniejsze miejsce w przestrzeni kosmicznej (cewki nadprzewodzące chłodzone są nadciekłym helem o temp - 271.3°C (1.9K) – 270 000 km włókiem) ♦ Najcieplejszy punkt Wszechświata – przy zderzeniu temp 100 000 razy niż Słońca ♦ Najniższa próżnia w Układzie Słonecznym 10-13 atm, ♦ Najwięcej zderzeń - 600 000 na sekundę LHC nominalnie ma zderzać wiązki protonów o energii 7 TeV, poruszjące się w dwóch kierunkach i zderzane w 4 miejscach otoczonych systemami detektorów. Koszt LHC: 3 mld Euro Noc Naukowców 27.09.2013

Detektory Następnym zadaniem jest rejestracja powstałych w zderzeniu cząstek. W wyniku zderzeń wysokoenergetycznych protonów powstaje kilka tysięcy cząstek wtórnych – naładowanych (pionów, kaonów, protonów, elektronów, mionów) oraz neutralnych (fotonów, neutronów, neutrin). Ich detekcja jest możliwa dzięki rejestracji depozytów energii straconej przy przejściu cząstek przez materiał czynny detektora. Energia ta jest następnie zamieniana na sygnały elektryczne przetwarzane dalej przez oprogramowanie. Najciekawsze przypadki są zapisywane do dalszej obróbki. Fizycy zajmują się opracowaniem kryterów wyboru przypadków, które zostały przewidziane przez nową teorię lub które podważają obecnie istniejące poglądy. Noc Naukowców 27.09.2013

Detektory Noc Naukowców 27.09.2013

Detektory p p Noc Naukowców 27.09.2013

Buttons. Click on any particle type to display the relevant slide with animations. Clicking again will return to this slide. Recommend putting this slide in the middle of your presentation and putting the other 5 slides at the end. If you have any difficulties, contact David.Barney@cern.ch Noc Naukowców 27.09.2013

Muon: passing through CMS, bending in the field (both ways, depending on when it is inside or outside of the solenoid) leaving hits in the Tracker layers and the muon chambers before escaping completely Noc Naukowców 27.09.2013

Electron: Bending in the magnetic field, leaving hits in the tracker layers and being “stopped” by the electromagnetic calorimeter Noc Naukowców 27.09.2013

Charged hadron: Bends in the magnetic field and leaves signals in the tracker layers; passes through the electromagnetic calorimeter leaving essentially no signal, and is “stopped” by the hadron calorimeter Noc Naukowców 27.09.2013

Neutral hadron: Does not bend in the magnetic field and does not leave any signal in the tracker layers; passes through the electromagnetic calorimeter leaving essentially no signal, and is “stopped” by the hadron calorimeter Noc Naukowców 27.09.2013

Photon: passes through the tracker without bending in the magnetic field or leaving hits, is “stopped” by the electromagnetic calorimeter Noc Naukowców 27.09.2013

Odkrycia na LHC Przypomnijmy jakie mieliśmy zadania: Zbadać najmniejsze składniki materii (Model Standardowy). Odkryć brakujące cząstki (z MS). Poszukać śladów Nowej Fizyki (zaprzeczającej MS). Wyjaśnić pochodzenie Wszechświata (w ramach lub poza MS). Sukces jest połowiczny - obecnie doświadczenia potwierdzają postulaty MS: znamy najmniejsze składniki i potrafimy wyjaśnić dlaczego tworzą one materię. BRAK jest jakichkolwiek dowodów potwierdzających istnienie Fizyki Poza Modelem Standardowym (BSM). Noc Naukowców 27.09.2013

Model Standardowy Zawiera naszą wiedzę budowaną od lat 30-tych o „cegiełkach” materii i łączących ich spoiwach. Przez dwa sezony zbierania danych, fizycy z LHC potwierdzili postulaty MS, wyznaczyli jego parametry z wyższą precyzją i nałożyli nowe ograniczenia. Najlżejsze leptony (elektron, neutrino) i kwarki u, d tworzą ziemską materię Trochę cięższe leptony (miony) i kwarki s przylatują z kosmosu Najcięższe leptony (tau) i kwarki c,b, t, powstały podczas Wielkiego Wybuchu (i się rozpadły) Noc Naukowców 27.09.2013

Hadrony Leptony są najmniejszymi składnikami i można bezpośrednio obserwować. Kwarki są zawsze związane w PARACH lub TRÓJKACH. HADRONY to stany związane pary kwark-antykwark lub trzech kwarków Noc Naukowców 27.09.2013

Oddziaływania Cztery typy odddziaływań (potocznie opisywane przez siły): - grawitacyjne, - elektromagnetyczne, - silne (jądrowe) - słabe (np. produkcja energii na Słońcu) Przenoszenie oddziaływań przez bozony można porównać do wymiany piłki- obiekt A rzuca – B łapie (lub odwrotnie). Za każdym razem doznają one odrzutu – zmienia się ich pęd. Wyobraźmy sobie, że nie widzimy rzucanej piłki, ale obserwujemy oddziaływanie pomiędzy A i B – i już jasne jest co oznacza „oddziaływanie między elektronem i protonem zachodzi poprzez wymianę fotonu (wirtualnego)” Noc Naukowców 27.09.2013

Wszyskie odkryte z wyjątkiem bozonu Higssa Spoiwa Wszyskie oddziaływania przenoszone są przez BOZONY pośredniczące Wszyskie odkryte z wyjątkiem bozonu Higssa H0 Noc Naukowców 27.09.2013

Dlaczego istnienie bozonu Higgsa jest takie ważne? Bozon Higgsa Jego istnienie zostało przewidziane przez teorię oddziaływań elektrosłabych. Poszukiwania trwały od lat 80-tych, a program fizyczny LHC został dostosowany na potrzeby tego odkrycia. Dlaczego istnienie bozonu Higgsa jest takie ważne? Dobra teoria powinna spełniać dwa podstawowe warunki: - opisywać rzeczywistość, - przewidywać nowe zjawiska (które zostają potem odkryte). Teoria elektrosłaba wyjaśnia istnienie trzech pokoleń leptonów i kwarków oraz oddziaływanie poprzez wymianę bozonów, ale nie potrafi wyznaczyć masy cząstek. Peter Higgs Pomysł Petera Higgsa (1964) – próżnia wypełniona jest bozonami - jak wpadnie w nią np. elektron, to próbując przeciskać się przez gęsty tłum, nabierze masy. Pole wokół niego się zagęściło i coraz trudniej jest się mu poruszać. Zamieńmy teraz elektron, na Bardzo Znaną Celebrytkę…. Noc Naukowców 27.09.2013

Mechanizm Higgsa … nawet wtedy, gdy jedynie dowiemy się, że będzie ona przechodzić, powstanie plotka, wokół której również będą gromadzić się tłumy. W ten sposób pole pokazało nam swoją gęstość – zobaczyliśmy cząstkę Higgsa. Poszukajmy zatem bozonu Higgsa wśród produktów zderzeń na LHC. Noc Naukowców 27.09.2013

Rozpady bozonu Higgsa 𝐻→𝛾𝛾 𝐻→4 𝑙𝑒𝑝𝑡𝑜𝑛𝑦 (𝑒𝑙𝑒𝑘𝑡𝑟𝑜𝑛𝑦,𝑚𝑖𝑜𝑛𝑦) Bozon Higgsa może rozpaść się na kilkanaście sposobów, w zależności od swojej masy (której nie znamy). Poszukiwaliśmy go zatem w rozpadach, które można łatwo zidentyfikować: 𝐻→4 𝑙𝑒𝑝𝑡𝑜𝑛𝑦 (𝑒𝑙𝑒𝑘𝑡𝑟𝑜𝑛𝑦,𝑚𝑖𝑜𝑛𝑦) 𝐻→𝛾𝛾 Noc Naukowców 27.09.2013

Rozpady bozonu Higgsa 𝐻→𝛾𝛾 𝐻→4 𝑙𝑒𝑝𝑡𝑜𝑛𝑦 (𝑒𝑙𝑒𝑘𝑡𝑟𝑜𝑛𝑦,𝑚𝑖𝑜𝑛𝑦) Bozon Higgsa może rozpaść się na kilkanaście sposobów, w zależności od swojej masy (której nie znamy). Poszukiwaliśmy go zatem w rozpadach, które można łatwo zidentyfikować: 𝐻→4 𝑙𝑒𝑝𝑡𝑜𝑛𝑦 (𝑒𝑙𝑒𝑘𝑡𝑟𝑜𝑛𝑦,𝑚𝑖𝑜𝑛𝑦) 𝐻→𝛾𝛾 Noc Naukowców 27.09.2013

Rozpady bozonu Higgsa 𝐻→𝛾𝛾 𝐻→4 𝑙𝑒𝑝𝑡𝑜𝑛𝑦 (𝑒𝑙𝑒𝑘𝑡𝑟𝑜𝑛𝑦,𝑚𝑖𝑜𝑛𝑦) Bozon Higgsa może rozpaść się na kilkanaście sposobów, w zależności od swojej masy (której nie znamy). Poszukiwaliśmy go zatem w rozpadach, które można łatwo zidentyfikować: 𝐻→4 𝑙𝑒𝑝𝑡𝑜𝑛𝑦 (𝑒𝑙𝑒𝑘𝑡𝑟𝑜𝑛𝑦,𝑚𝑖𝑜𝑛𝑦) 𝐻→𝛾𝛾 Noc Naukowców 27.09.2013

Odkrycie? 4 lipca 2012 Fizycy są bardzo ostożni. Przeprowadzono bardzo drobiazgową analizę, setki naukowców sprawdza analizę. Opublikowano wynik. Jego interpretacja – odkryliśmy stan, pasujący na przewidziany przez Model Standardowy bozon Higgsa (nazywamy go „Higgs-like particle”) . Następne dane i analizy pozwolą na zbadanie jego własności. Analiza danych zebranych na LHC obejmuje dziesiątki innych tematów – np. próba wyjaśnienia braku antymaterii (LHCb), fizyka kwarka t, czy zderzenia ciężkich jąder. Noc Naukowców 27.09.2013

Dominacja materii czy antymaterii? 𝐵 0 → 𝐾 + 𝜋 − 𝐵 0 → 𝐾 − 𝜋 + Noc Naukowców 27.09.2013

Społeczność CERNu CERN jest również ośrodkiem edukacyjnym – organizuje szkoły, kursy, szkolenia. Gromadzi społecznośc międzynarodową, umożliwia transfer wiedzy i technologii. Budowa i praca przy akceleratorach, zbieraniu danych przyczyniła się do znaczącego postępu w wilelu dziedzinach, głównie związanych z elektroniką i informatyką. Noc Naukowców 27.09.2013

Polacy w CERNie W CERNie pracuje ok. 260 Polaków, z czego 90 osób zatrudnionych jest na etatach. Na stażach dyplomowych przebywa 47 osób, a każdego roku latem, 3-4 studentów (fizyki, informatyki, elektroniki) uczestniczy w programach Summer Students. Ponad 30 osób z WFiIS pracowało przy budowie LHC. Zajmowali się oni systemami chłodzenia magnesów, połączeniami elektrycznymi, zasilaczami, wnieśli mnóstwo nowatorskich idei. Obecnie 30 fizyków i elektroników z Katedry Oddziaływań i Detekcji Cząstek pracuje przy projekcie, budowie i modernizacji oraz analizie danych doświadczalnych zebranych przez dwa detektory: ATLAS i LHCb. Wynikiem tej pracy są liczne publikacje, doktoraty, prace magisterskie i inżynierskie. Noc Naukowców 27.09.2013

Zapraszam do dyskusji… Dziękuję za uwagę! Zapraszam do dyskusji… Noc Naukowców 27.09.2013