Részecskefizika: elmélet és kísérlet

Átírás

1 Horváth Dezső: Részecskefizika: elmélet és kísérlet Cegléd, p. 1/54 Részecskefizika: elmélet és kísérlet Ceglédi Téli Tábor, Horváth Dezső MTA KFKI Részecske és Magfizikai Kutatóintézet, Budapest és MTA Atommagkutató Intézet, Debrecen

2 Horváth Dezső: Részecskefizika: elmélet és kísérlet Cegléd, p. 2/54 Kvantumfizika Vázlat Részecskék és kölcsönhatások A Standard modell diadala és problémái Elveszett szimmetriák keresése A CERN és gyorsítói A nagy hadron-ütköztető (Large Hadron Collider, LHC) A Compact Muon Solenoid (CMS) kísérlet Az ASACUSA-kísérlet A részecskefizika haszna Jéki László: Indul a legnagyobb részecskegyorsító 10-részes cikksorozat az LHC-ról:

3 Horváth Dezső: Részecskefizika: elmélet és kísérlet Cegléd, p. 3/54 Előszó A (részecske)fizika egzakt tudomány: Pontos matematikai formalizmuson alapszik. Elmélet érvényes, ha kiszámítható, és eredmény egyezik kísérlettel. Az igazi fogalmak mérhető mennyiségek, a szavak csak mankók. Szavak pontos matematika és kísérleti tapasztalat

4 Horváth Dezső: Részecskefizika: elmélet és kísérlet Cegléd, p. 4/54 Kvantumfizika: valószínűségi leírás Einstein: Isten nem dob kockát! De mégis... Minden kísérleti tény igazolja, pedig nem szemléletes Egyetlen pontszerű elektron egy fésű minden résén egyszerre átmegy A csillagból jövő fénysugár gömbfelületen terjed, mégis egészében a távcsőben végzi. Az atomi elektron gömbfelületi pályáján nem mozoghat, mert sugározna, csak egyszerre minden pontjában ott van bizonyos valószínűséggel. Nem tudjuk, egyetlen bomlékony részecske mikor fog elbomlani, csak azt, hogy adott időn belül mekkora valószínűséggel bomlik. A matematika minden adatot szépen visszaad!

5 Horváth Dezső: Részecskefizika: elmélet és kísérlet Cegléd, p. 5/54 Kvantumtérelmélet A kvantummechanika leírja a részecskék mozgását, de a bomlását, ütközés közbeni átalakulását nem kezeli Egy részecskéből nem lehet másik részecske Térelmélet: részecskék helyett erőterek hullámcsomagjai mozognak Kölcsönhatás: energiát, lendületet (impulzust), töltést, stb. cserélnek Ezt közvetítő részecskék (bozonok) viszik át

6 Horváth Dezső: Részecskefizika: elmélet és kísérlet Cegléd, p. 6/54 LHC = időgép?? Kezdet: ősrobbanás 13,7 milliárd éve Hogyan mehetünk vissza időben, az Ősrobbanás közelébe? Távcső: 4 milliárd év a Nagy Bumm után (Európai Déli Obszervatórium, Chile, Very Large Telescope) Mikrohullámú kozmikus háttérsugárzás: Párszázezer év (amikor az Univerzum átlátszó lett). Nagyenergiájú részecskeütközés: Milliomod másodperc (mielőtt az atomok kialakultak volna) Ükanyánkkal nem találkozunk...

7 Horváth Dezső: Részecskefizika: elmélet és kísérlet Cegléd, p. 7/54 A mikrovilág vizsgálata: nagy energia Tárgy méret, m energia 1 ev = kinetikus energia, amelyet 1 V átszelésekor szerez egy elektron 1 kev = 10 3 ev 1 MeV = 10 6 ev; 1 GeV = 10 9 ev 1 TeV = ev kicsi baktérium λ(fény) ev atom kev atommag GeV elektron TeV Nagyobb energia kisebb távolság mélyebb szerkezet

8 Otthon is van gyorsítónk Horváth Dezső: Részecskefizika: elmélet és kísérlet Cegléd, p. 8/54

9 Horváth Dezső: Részecskefizika: elmélet és kísérlet Cegléd, p. 9/54 Szimmetriák a részecskefizikában fontosabbak, mint kémiában vagy szilárdtestfizikában Noether tétel: Globális szimmetria megmaradási törvény Eltolás térben lendület (impulzus) Eltolás időben energia Forgatás impulzusmomentum Elektromágneses mérték- töltés Mértékelmélet: Lokális szimmetria kölcsönhatás Lokális szimmetria: pontról pontra, meghatározott módon módosuló Spontán szimmetriasértés (Higgs-mechanizmus) tömegek, kiszámíthatóság

10 Horváth Dezső: Részecskefizika: elmélet és kísérlet Cegléd, p. 10/54 Fermionok és bozonok Legfontosabb tulajdonság: spin (perdület) = saját impulzusmomentum h = h/(2π) egységben Planck-állandó (hatáskvantum): h = 6, Js Tulajdonság fermion bozon Spin feles ( 1 2, ) egész (0, 1, 2,...) Részecskeszám megmaradása van nincs ψ(1,2) = ±ψ(2,1) + Pauli-kizárás van nincs Kondenzáció nincs van

11 Horváth Dezső: Részecskefizika: elmélet és kísérlet Cegléd, p. 11/54 A fermiontöltés megmaradása Áram = időegység alatt, teljes felületen keresztül mozgó töltés Álló töltés mozgó koordinátarendszerben áram Töltés megmaradása: Töltés időbeli fogyása = áram teljes térbeli növekménye Következik fermionok mozgásegyenletének szimmetriájából Matematikai háttér: (ρ: töltés, ( j x, j y, j z ): áram) ρ t = j x x + j y y + j z z Folytonossági egyenlet: j a fermiontöltés árama

12 Horváth Dezső: Részecskefizika: elmélet és kísérlet Cegléd, p. 12/54 Spontán szimmetriasértés tömeg Szabad fermion Higgsbozon David J. Miller és CERN: djm/higgsa.html

13 A Standard modell állatkertje Horváth Dezső: Részecskefizika: elmélet és kísérlet Cegléd, p. 13/54

14 Horváth Dezső: Részecskefizika: elmélet és kísérlet Cegléd, p. 14/54 Hadronok: összetett részecskék Spin: J = q pályamom. (1, 2,...) Mezonok = qq-állapotok: J = 0, 1,... (bozonok) Q = 0, ±1 Barionok = qqq-állapotok: J = 1 2, 3 2,... (fermionok) Q = 0, ±1, ±2 Pionok: J = 0 π + = (ud), π 0 = 1 2 (uu dd), π = (du) Nukleonok (proton és neutron): J = 1 2 p = (uud), n = (udd) Kísérletileg messzemenően igazolva

15 A Fizikai Szemle melléklete (2008 aug.) Horváth Dezso : Részecskefizika: elmélet és kísérlet Cegléd, p. 15/54

16 A CERN 20 tagországa Horváth Dezső: Részecskefizika: elmélet és kísérlet Cegléd, p. 16/54

17 Horváth Dezső: Részecskefizika: elmélet és kísérlet Cegléd, p. 17/54 A CERN kutatói (felhasználói) 2009: 2500 alkalmazott, kutató

18 Horváth Dezső: Részecskefizika: elmélet és kísérlet Cegléd, p. 18/54 A CERN gyorsítói: múlt és jövő LEP: LHC: ?

19 Horváth Dezső: Részecskefizika: elmélet és kísérlet Cegléd, p. 19/54 LEP-események: e + e Z... pontszerű leptonok ütközése tiszta folyamatok Tipikus OPAL-esemény e + e W + W 4 kvark 4 hadronzápor 75 töltött részecske

20 A Standard modell diadalútja Measurement Fit O meas O fit /σ meas α (5) had (m Z ) ± m Z [GeV] ± Γ Z [GeV] ± σ 0 had [nb] ± R l ± A 0,l fb ± A l (P τ ) ± R b ± R c ± A 0,b fb ± A 0,c fb ± A b ± A c ± A l (SLD) ± sin 2 θ lept eff (Q fb ) ± m W [GeV] ± Γ W [GeV] ± m t [GeV] ± August Állapot 2009 nyarán valamennyi kísérlet sokszáz eredményéből Mért számolt /szórás Enyhén eltérő adat évről évre változik (egy időre így marad) Most éppen a e + e Z b b előre-hátra aszimmetriája LEP elektrogyenge munkacsoport: Horváth Dezső: Részecskefizika: elmélet és kísérlet Cegléd, p. 20/54

21 Horváth Dezső: Részecskefizika: elmélet és kísérlet Cegléd, p. 21/54 De hol van a Higgs-bozon? A spontán szimmetriasértés mellékterméke A fizika legkeresettebb részecskéje, mivel a Standard modell egyetlen hiányzó alkatrésze. Kísérletileg (még?) nem figyeltük meg, LEP: M(H) > GeV Az elmélet szerint léteznie kell mert tömeget teremt és rendbeteszi a divergenciákat It was in that my life as a boson really began Igazából 1972-ben kezdődött az életem, mint bozon Peter Higgs: My Life as a Boson: The Story of The Higgs, Int. J. Mod. Phys. A 17 Suppl. (2002)

22 Horváth Dezső: Részecskefizika: elmélet és kísérlet Cegléd, p. 22/54 A Standard modell problémái Gravitáció? S = 2 graviton? Aszimmetriák: jobb bal világ antivilág Mesterséges tömegkeltés: 19 szabad paraméter: túl sok?? Miért éppen 3 fermioncsalád? Higgs-tér kívülről Töltéskvantálás: Q e = Q p, Q d = Q e /3 Univerzum tömegének 23%-a láthatatlan sötét anyag?? Természetesség: A Higgs-bozon tömege divergál, fermion bozon szimmetria eltüntetné Szuperszimmetria! Mindent rendbehoz, ha létezik. LHC?

23 Horváth Dezső: Részecskefizika: elmélet és kísérlet Cegléd, p. 23/54 Szuperszimmetria? Minek? A problémákat mind megoldaná, ha a fermionok és bozonok párban léteznének, azonos tulajdonságokkal (tömeg, töltés) A szuperszimmetria nyilvánvalóan sérül: nincsenek ilyen részecskék, vagy sokkal nagyobb tömeggel Mire jó egy sérülő szimmetria? Higgs-mechanizmus: szimmetria-sértő mező tömeg, renormálás Higgs-tér sért egy létező szimmetriát SUSY bevezet egy nemlétezőt

24 Horváth Dezső: Részecskefizika: elmélet és kísérlet Cegléd, p. 24/54 Szuperszimmetria: + és + elmélet természetessége Unverzum hideg, sötét anyaga (23 %): legkönnyebb SUSY-részecske kölcsönhatások egyesítése gravitáció is beilleszthető DE: SUSY-sértés mechanizmusa?? Sok különböző SUSY-modell Rengeteg új paraméter m 100 GeV alatt nem látunk SUSY-részecskét

25 A CERN és környéke Horváth Dezső: Részecskefizika: elmélet és kísérlet Cegléd, p. 25/54

26 Horváth Dezső: Részecskefizika: elmélet és kísérlet Cegléd, p. 26/54 Az LHC eltérítő-mágnesei 1232 szupravezető mágnes (beszerelés előtt) (L = 15 m, M = 35 t, T = 1.9 K, B = 8.3 T)

27 z LHC eltérítő-mágnese: keresztmetszet Horváth Dezső: Részecskefizika: elmélet és kísérlet Cegléd, p. 27/54

28 Az LHC mágnesei összeszerelve Horváth Dezső: Részecskefizika: elmélet és kísérlet Cegléd, p. 28/54

29 Horváth Dezső: Részecskefizika: elmélet és kísérlet Cegléd, p. 29/54 Az LHC CMS detektora Compact Muon Solenoid: tonnás digitális kamera 100 M pixel, 40 M kép/mp, 1000 GB/mp adat Tárolás: 100 kép/mp szűrés!!

30 Horváth Dezső: Részecskefizika: elmélet és kísérlet Cegléd, p. 30/54 Az LHC CMS detektora (Compact Muon Solenoid) Súly: tonna, kétszer annyi vas, mint Eiffel toronyban > 3000 résztvevő a világ 35 országából A világ legnagyobb (szupravezető) szolenoidja: belső átmérője 6 m, mágneses tere 4 Tesla Detektorépítésben magyar részvétel: Müondetektorok pozicionáló rendszere: DE Kisérleti Fizikai Int. és ATOMKI Előreszórt részecskék észlelése: (Hadron Forward calorimeter, HF) Készült USA-RU-TR-HU együttműködésben: RMKI, Budapest Az első leeresztett CMS-detektorrész: nov. 11. Adatkezelés: LHC Computing Grid RMKI: BUDAPEST LCG-állomás

31 Horváth Dezső: Részecskefizika: elmélet és kísérlet Cegléd, p. 31/54 Magyar részvétel a CMS-kísérletben: MTA KFKI RMKI, Budapest (18 fő) Debreceni Egyetem Kísérleti Fiz. Int. (9 fő) MTA ATOMKI, Debrecen (7 fő) Összesen: 34 magyar kutató

32 Munka 160 müonkamrán Béni Noémi és Szillási Zoltán (Debrecen) Horváth Dezső: Részecskefizika: elmélet és kísérlet Cegléd, p. 32/54

33 Horváth Dezső: Részecskefizika: elmélet és kísérlet Cegléd, p. 33/54 HF: kvarcszálak acélban Minden CERN-es magyar fűzte Szálkalibráció kész darabon

34 A CMS mágnese Horváth Dezső: Részecskefizika: elmélet és kísérlet Cegléd, p. 34/54

35 A CMS egyik szelete Horváth Dezső: Részecskefizika: elmélet és kísérlet Cegléd, p. 35/54

36 A CMS belső része Horváth Dezső: Részecskefizika: elmélet és kísérlet Cegléd, p. 36/54

37 A CMS lezáró sapkája Horváth Dezső: Részecskefizika: elmélet és kísérlet Cegléd, p. 37/54

38 Worldwide LHC Computing Grid A CMS-kísérlet fő WLCG-állomásai Magyar Tier-2: BUDAPEST (RMKI) (426 CPU, 144 TB tároló a CMS és ALICE VO számára) Horváth Dezső: Részecskefizika: elmélet és kísérlet Cegléd, p. 38/54

39 Horváth Dezső: Részecskefizika: elmélet és kísérlet Cegléd, p. 39/54 LHC: a Jó, a Rossz és a Csúf Jó Hatalmas felfedezési potenciál: nagy energia, sokféle ütközés (acélgolyó túrógombóc), óriási nyalábintenzitás. Rossz Az érdekesebb dolgok előfordulási gyakorisága nagyon kicsi ( ) Csúf Az érdekes folyamat mellett eseményenként még p-p ütközés, hatalmas kombinatorikus háttér.

40 Gravitációs lencse: tér görbülete Horváth Dezső: Részecskefizika: elmélet és kísérlet Cegléd, p. 40/54

41 Horváth Dezső: Részecskefizika: elmélet és kísérlet Cegléd, p. 41/54 Fekete lyukak Galaxisok magjában fekete lyukak (black hole, BH): M BH > 3 naptömeg, R BH pár km Einstein-kereszt: 10 milliárd fényévre levő pulzárt több pontba nagyít és fókuszál 1 milliárd fényévre levő galaxis fekete lyukkal a közepén (ESO, Very Large Telescope, Chile, 2008) Többszörös kép: nem egyenletes tömegeloszlás

42 Horváth Dezső: Részecskefizika: elmélet és kísérlet Cegléd, p. 42/54 Veszélyeztetjük-e a Naprendszert? Bizonyos elméleti modellek szerint nagyenergiájú p-p ütközésben keletkezhetnek mikroszkópikus fekete lyukak. Kis tömegüek, azonnal elpárolognak. A csillagászati fekete lyukaknak csak névrokonai A kozmikus sugarak milliárdszor nagyobb energiával bombázzák a légkört, Holdat, bolygókat évmilliárdok óta, de nem keletkezett nagy fekete lyuk. Az LHC-ben sem valószínű, de meglátjuk??? YouTube animáció

43 Rengetegféle modell van Horváth Dezső: Részecskefizika: elmélet és kísérlet Cegléd, p. 43/54

44 Horváth Dezső: Részecskefizika: elmélet és kísérlet Cegléd, p. 44/54 Előkészületek az LHC indításához Tervezés kezdete: 1984 (5 évvel a LEP indulása előtt!) Új detektorüregek kiásása 1998-tól LEP-alagút megemelkedik működés közben mágnesek pozíciójának folyamatos kompenzálása LEP leállítása (óriási ellenállás): 2000 vége. LEP-gyorsító és detektorok eltávolítása: mágnes ellenőrzése (javítása!), levitele, összehegesztése: Mágnesek lehűtése 1,9 K-re (hidegebb, mint a világűr): 2008 jan-aug Protoncsomag belövése, körbevitele: szept. 10. Katasztrófa: szept. 19. Újbóli indulás (1,18 + 1,18 TeV): nov.

45 Az LHC vezérlőterme, Horváth Dezső: Részecskefizika: elmélet és kísérlet Cegléd, p. 45/54

46 Az LHC működése Horváth Dezső: Részecskefizika: elmélet és kísérlet Cegléd, p. 46/54

47 900 GeV-es p-p ütközés a CMS-ben Horváth Dezső: Részecskefizika: elmélet és kísérlet Cegléd, p. 47/54

48 900 GeV-es p-p ütközés az ATLAS-ban Horváth Dezső: Részecskefizika: elmélet és kísérlet Cegléd, p. 48/54

49 900 GeV-es p-p ütközés az ALICE-ban Horváth Dezső: Részecskefizika: elmélet és kísérlet Cegléd, p. 49/54

50 Horváth Dezső: Részecskefizika: elmélet és kísérlet Cegléd, p. 50/54 Részecskefizikai módszerek haszna Világháló: CERN, 1989 nagyvilág: 1994 Müonspin-rezonancia módszere (kémia, szilárdtestfizika) Pozitronemissziós tomográfia az orvosi diagnosztikában Gyorsítók fele (cca. 7000!) gyógyászatban: hadronterápia Grid-hálózatok a számítástechnikában

51 Horváth Dezső: Részecskefizika: elmélet és kísérlet Cegléd, p. 51/54 Éljen a kísérleti részecskefizika! Alapkutatás, közvetlen gyakorlati haszna nem várható. De élesíti az elmét, pedagógiai haszna óriási: Technika élvonala, gyári szervezettség Kreatív gondolkodásra serkent Az órási méretek miatt komoly technikai fejlesztéseket indukál: egyforma műszerre tender! Óriási apparátus munka kis csoportokban Élenjáró programozástechnikai gyakorlat: bankok előszeretettel alkalmaznak HEP-PhD-t szerzett fizikusokat (rossz nyelvek szerint ennek köszönhető a jelenlegi világválság) Rengeteget dolgozunk, érdekes dolgokat csinálunk, világot látunk és van, aki haza is jön idővel...

52 Horváth Dezső: Részecskefizika: elmélet és kísérlet Cegléd, p. 52/54 Konklúzió helyett "Van egy elmélet, miszerint, ha egyszer kiderülne, hogy mi is valójában az Univerzum, és mit keres itt egyáltalán, akkor azon nyomban megszűnne létezni, és valami más, még bizarrabb, még megmagyarázhatatlanabb dolog foglalná el a helyét" "Van egy másik elmélet, amely szerint ez már be is következett" Douglas Adams: Vendéglő a világ végén (Nagy Sándor fordítása)

53 Köszönöm a figyelmet Horváth Dezső: Részecskefizika: elmélet és kísérlet Cegléd, p. 53/54

54 Horváth Dezső: Részecskefizika: elmélet és kísérlet Cegléd, p. 54/54 Köszönetnyilvánítás Nemzeti Kutatási és Technológiai Hivatal OTKA NK67974, K72172 és H07C EU FP6 MC-ToK és FP7 III Magyar és Osztrák Tudományos Akadémia TéT JAP-21/2006 és Tokiói Egyetem Megértő együttműködő partnereink