Indul a Nagy hadron-ütköztető: hová és minek?

Átírás

1 Horváth Dezső: Indul az LHC: hová és minek? BME, Budapest, nov. 14. p. 1/56 Indul a Nagy hadron-ütköztető: hová és minek? Horváth Dezső MTA KFKI Részecske és Magfizikai Kutatóintézet, Budapest és ATOMKI, Debrecen

2 Horváth Dezső: Indul az LHC: hová és minek? BME, Budapest, nov. 14. p. 2/56 Vázlat Szimmetriák, részecskék és kölcsönhatások CERN és gyorsítói A nagy hadron-ütköztető (Large Hadron Collider, LHC) A Compact Muon Solenoid (CMS) kísérlet szeptember 10: átütő siker szeptember 19: katasztrófa Hogyan tovább? A részecskefizika haszna Jéki László: Indul a legnagyobb részecskegyorsító 10-részes cikksorozat az LHC-ról:

3 Horváth Dezső: Indul az LHC: hová és minek? BME, Budapest, nov. 14. p. 3/56 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: Indul az LHC: hová és minek? BME, Budapest, nov. 14. p. 4/56 Az atomtól a kvarkig m m m < m

5 A Világegyetem története Horváth Dezső: Indul az LHC: hová és minek? BME, Budapest, nov. 14. p. 5/56

6 Horváth Dezső: Indul az LHC: hová és minek? BME, Budapest, nov. 14. p. 6/56 A mikrovilág vizsgálata: nagy energia Planck-állandó: h = h/(2π) = 1, J s = 1 Fénysebesség: c = m/s = 1 Tárgy kicsi méret, m energia 10 3 Energia: 1 ev = kinetikus energia (e, U = 1 V) 1 kev = 10 3 ev; 1 MeV = 10 6 ev; 1 GeV = 10 9 ev; 1 TeV = ev Einstein: E = mc 2 [m] = GeV/c 2 = GeV baktérium 10 5 λ(fény) ev atom kev atommag GeV elektron TeV Heisenberg: E t h/2; p x h/2 Nagyobb energia kisebb távolság mélyebb szerkezet

7 Horváth Dezső: Indul az LHC: hová és minek? BME, Budapest, nov. 14. p. 7/56 Amit mérünk: hatáskeresztmetszet Bombázó részecskenyaláb Céltárgy részecskéje σ = W/Φ átmeneti valószínűség/fluxus Egysége: 1 barn = m 2 (1 pb = m 2 ) Fluxus = részecskék sürüsége sebessége nyalábban: Φ = n b v b = részecskeszám/felület/sec

8 Horváth Dezső: Indul az LHC: hová és minek? BME, Budapest, nov. 14. p. 8/56 Amit mérünk: rezonancia τ = Γ 1 élettartam exp. bomlás: N(t) = N 0 e Γt Valószínűségeloszlás: χ(e) 2 = 1 (E M) 2 +Γ 2 /4 M Γ } Breit-Wigner-formula rezonancia { helye szélessége Lorentz-görbe Új részecske felfedezése: rezonancia a tömegnek megfelelő ütközési energiánál

9 Horváth Dezső: Indul az LHC: hová és minek? BME, Budapest, nov. 14. p. 9/56 Szimmetriák a részecskefizikában fontosabbak, mint kémiában vagy szilárdtestfizikában Noether tétel: Globális szimmetria megmaradási törvény Eltolás térben 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: Indul az LHC: hová és minek? BME, Budapest, nov. 14. p. 10/56 Spontán szimmetriasértés tömeg Szabad fermion Higgsbozon David J. Miller és CERN: djm/higgsa.html

11 A Standard Modell állatkertje Horváth Dezső: Indul az LHC: hová és minek? BME, Budapest, nov. 14. p. 11/56

12 A CERN 20 tagországa Horváth Dezső: Indul az LHC: hová és minek? BME, Budapest, nov. 14. p. 12/56

13 A CERN kutatói (felhasználói) Horváth Dezső: Indul az LHC: hová és minek? BME, Budapest, nov. 14. p. 13/56

14 Horváth Dezső: Indul az LHC: hová és minek? BME, Budapest, nov. 14. p. 14/56 A CERN gyorsítói: múlt és jövő LEP: LHC: ?

15 nagy elektron-pozitron ütköztető (LEP) Horváth Dezső: Indul az LHC: hová és minek? BME, Budapest, nov. 14. p. 15/56

16 Horváth Dezső: Indul az LHC: hová és minek? BME, Budapest, nov. 14. p. 16/56 Kalorimetria A CMS-detektor (Compact Muon Solenoid) szelete

17 Horváth Dezső: Indul az LHC: hová és minek? BME, Budapest, nov. 14. p. 17/56 LEP-események: e + e Z... pontszerű leptonok ütközése tiszta folyamatok Tipikus OPAL-esemény e + e W + W 4 kvark 4 hadronzápor 75 töltött részecske

18 Horváth Dezső: Indul az LHC: hová és minek? BME, Budapest, nov. 14. p. 18/56 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] ± July Állapot 2008 nyarán valamennyi kísérlet sokszáz eredményéből Mért számolt /szórás Enyhén eltérő adat évről évre változik Most éppen a e + e Z b b előre-hátra aszimmetriája LEP elektrogyenge munkacsoport:

19 Horváth Dezső: Indul az LHC: hová és minek? BME, Budapest, nov. 14. p. 19/56 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)

20 A CERN és környéke Horváth Dezső: Indul az LHC: hová és minek? BME, Budapest, nov. 14. p. 20/56

21 Horváth Dezső: Indul az LHC: hová és minek? BME, Budapest, nov. 14. p. 21/56 Az LHC eltérítő-mágnesei 1232 szupravezető mágnes (beszerelés előtt) (L = 15 m, M = 35 t, T = 1.9 K, B = 8.3 T)

22 Az LHC eltérítő-mágnese: elv Horváth Dezső: Indul az LHC: hová és minek? BME, Budapest, nov. 14. p. 22/56

23 z LHC eltérítő-mágnese: keresztmetszet Horváth Dezső: Indul az LHC: hová és minek? BME, Budapest, nov. 14. p. 23/56

24 Az LHC mágnesei összeszerelve Horváth Dezső: Indul az LHC: hová és minek? BME, Budapest, nov. 14. p. 24/56

25 Horváth Dezső: Indul az LHC: hová és minek? BME, Budapest, nov. 14. p. 25/56 Az LHC CMS detektora tonnás digitális kamera: 100 M pixel, 40 M kép/mp, 1000 GB/mp adat Tárolás: 100 kép/mp szűrés!!

26 Horváth Dezső: Indul az LHC: hová és minek? BME, Budapest, nov. 14. p. 26/56 Az LHC CMS detektora (Compact Muon Solenoid) Súly: tonna, kétszer annyi vas, mint Eiffel toronyban 2500 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 LCG-állomás RMKI: BUDAPEST

27 Horváth Dezső: Indul az LHC: hová és minek? BME, Budapest, nov. 14. p. 27/56 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

28 Munka a müonkamrákon Béni Noémi és Szillási Zoltán (Debrecen) Horváth Dezső: Indul az LHC: hová és minek? BME, Budapest, nov. 14. p. 28/56

29 Horváth Dezső: Indul az LHC: hová és minek? BME, Budapest, nov. 14. p. 29/56 HF: kvarcszálak acélban Minden CERN-es magyar fűzte Szálkalibráció kész darabon

30 A CMS mágnese Horváth Dezső: Indul az LHC: hová és minek? BME, Budapest, nov. 14. p. 30/56

31 A CMS egyik szelete Horváth Dezső: Indul az LHC: hová és minek? BME, Budapest, nov. 14. p. 31/56

32 A CMS belső része Horváth Dezső: Indul az LHC: hová és minek? BME, Budapest, nov. 14. p. 32/56

33 A CMS lezáró sapkája Horváth Dezső: Indul az LHC: hová és minek? BME, Budapest, nov. 14. p. 33/56

34 LICE: A Large Ion Collider Experiment Horváth Dezső: Indul az LHC: hová és minek? BME, Budapest, nov. 14. p. 34/56

35 ATLAS: mágnesek Horváth Dezső: Indul az LHC: hová és minek? BME, Budapest, nov. 14. p. 35/56

36 Worldwide LHC Computing Grid A CMS-kísérlet fő WLCG-állomásai Magyar Tier-2: RMKI, ELTE, BME (320, 40 és 14 CPU a CMS és ALICE VO számára) Horváth Dezső: Indul az LHC: hová és minek? BME, Budapest, nov. 14. p. 36/56

37 Horváth Dezső: Indul az LHC: hová és minek? BME, Budapest, nov. 14. p. 37/56 Ütközőnyaláb hozama: luminozitás L = f n N 1N 2 A f : körfrekvencia; n: csomagok száma N 1,N 2 részecske/csomag; A: nyalábok átfedése σ hkm-ű reakció gyakorisága ε hatásfoknál R = εσl Integrális luminozitás: (fb 1 ) Gyorsító ütközési időszak R Ldt energia (fb 1 ) Tevatron 2 TeV ,5 LHC 14 TeV első pár nap 0,1 LHC 14 TeV első pár hónap 1 LHC 14 TeV első év (kis int.) 10

38 Horváth Dezső: Indul az LHC: hová és minek? BME, Budapest, nov. 14. p. 38/56 Az LHC működésének első időszaka 1. Értsük meg a detektort: működés, trigger, kalibráció 2. Mennyire hiteles a szimulációnk? Leírja a SM folyamatait és a detektort? Egyezik a mért adatokkal? 3. Keresd, amit vársz, vedd észre, amit nem vársz. Látunk eltérést (többletet) valamilyen eloszlásban a háttérszimulációhoz képest? Új fizika vagy hibás háttérbecslés? 4. Új fizika? Keresünk többletet, hiányt vagy más jellegzetes tulajdonságokat (Higgs-bozon, SUSY,...) 5. Ha tényleg új fizika: Micsoda? Melyik modell? Milyen paraméterekkel?

39 Horváth Dezső: Indul az LHC: hová és minek? BME, Budapest, nov. 14. p. 39/56 LHC: a Jó, a Rossz és a Csúf Jó Hatalmas felfedezési potenciál: nagy energia, sokféle ütközés, óriási luminozitás. Rossz Rettenetes háttér, az érdekesebb dolgok előfordulási gyakorisága Csúf Az érdekes folyamat mellett eseményenként még p-p ütközés, hatalmas kombinatorikus háttér.

40 Horváth Dezső: Indul az LHC: hová és minek? BME, Budapest, nov. 14. p. 40/56 Veszélyeztetjük-e a Naprendszert? Galaxisok magjában fekete lyukak black hole, BH: M BH > 3 naptömeg, R BH pár km Bizonyos elméleti modellek szerint nagyenergiájú p-p ütközésben keletkezhetnek mikroszkópikus fekete lyukak. Kis tömegüek, azonnal elpárolognak. 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

41 Rengetegféle modell van Horváth Dezső: Indul az LHC: hová és minek? BME, Budapest, nov. 14. p. 41/56

42 Horváth Dezső: Indul az LHC: hová és minek? BME, Budapest, nov. 14. p. 42/56 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: szept.

43 Az LHC működési elve Horváth Dezső: Indul az LHC: hová és minek? BME, Budapest, nov. 14. p. 43/56

44 Az LHC vezérlőterme, Horváth Dezső: Indul az LHC: hová és minek? BME, Budapest, nov. 14. p. 44/56

45 Horváth Dezső: Indul az LHC: hová és minek? BME, Budapest, nov. 14. p. 45/ : protonok körbemennek!! 09:35 10:15 10:17 10:25

46 : protoncsomag stabilizálása ns (mérés 10 körönként) Nincs RF, protoncsomag szétterül 250 kör alatt RF ellentétes fázisban, protoncsomag kettéválik és szétterül Horváth Dezső: Indul az LHC: hová és minek? BME, Budapest, nov. 14. p. 46/56

47 Horváth Dezső: Indul az LHC: hová és minek? BME, Budapest, nov. 14. p. 47/ : protoncsomag stabilizálása 2 RF: javított fázis RF pontos, protoncsomag stabil szept. 10.: Teljes siker 450 GeV-es protonokkal (gyorsítás nélkül), mindkét irányban!

48 Horváth Dezső: Indul az LHC: hová és minek? BME, Budapest, nov. 14. p. 48/56 elkészülés a gyorsító-üzemmódra: a hiba A dipólmágnesek áramának fokozatos növelése (kb A-re) szektoronként történt. A 8 szektorból 7 áramát sikeresen felhozták Szept. 19: A 8.-nál kiolvadt egy forrasztás két mágnes között. Sokezer volt, ív, lyuk a hűtőrendszer csövén, több tonna szuperfolyékony hélium lökésszerűen kifúj, kilökve a helyéről több 35-tonnás mágnest. Mintegy 20 mágnest javítás céljából a felszínre kell hozni: a felmelegítés nagyon lassú, hónapokig tartott. A 48 tartalékmágnesből pótolják öket, de a cserére két hónap kell.

49 LHC-szektorok én Horváth Dezső: Indul az LHC: hová és minek? BME, Budapest, nov. 14. p. 49/56

50 Horváth Dezső: Indul az LHC: hová és minek? BME, Budapest, nov. 14. p. 50/56 Az LHC jövőre tényleg elindul Idén ugyan az LHC nem fog működni, de jövőre a tervezettnél korábban (június helyett talán már májusban) el tudják indítani, mert a javítás és csere idején a gyorsítórendszeren el tudnak végezni különböző munkákat. A kísérleteknek az eset két okból hátrányos: Nincs mért adat 900 GeV-es protonütközésekkel ellenőrzéshez és kalibrációhoz. Előbb zárják jövőre az LHC-t, akkorra megrendelt detektorelemeket nem tudnak beszerelni. Ilyen hibák mindig előfordulhatnak; az lenne a csoda, ha egyből minden működne egy ennyire bonyolult rendszeren...

51 Horváth Dezső: Indul az LHC: hová és minek? BME, Budapest, nov. 14. p. 51/56 Részecskefizikai módszerek haszna Világháló: CERN, 1989 nagyvilág: 1994 Müonspin-rezonancia módszere (kémia, szilárdtestfizika) Pozitronemissziós tomográfia, hadronterápia Grid-hálózatok a számítástechnikában

52 Számítástechnika: világháló Horváth Dezső: Indul az LHC: hová és minek? BME, Budapest, nov. 14. p. 52/56

53 Horváth Dezső: Indul az LHC: hová és minek? BME, Budapest, nov. 14. p. 53/56 Részecskefizika a mindennapokban Alapkutatás, közvetlen gyakorlati haszna nem várható. Élesíti az elmét, pedagógiai haszna óriási: Kreatív gondolkodásra serkent Az órási méretek miatt komoly technikai fejlesztéseket indukál: egyforma műszerre tender! Élenjáró programozástechnikai gyakorlat (bankok előszeretettel alkalmaznak HEP-PhD-t szerzett fizikusokat)

54 Horváth Dezső: Indul az LHC: hová és minek? BME, Budapest, nov. 14. p. 54/56 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)

55 Horváth Dezső: Indul az LHC: hová és minek? BME, Budapest, nov. 14. p. 55/56 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

56 Köszönöm a figyelmet Horváth Dezső: Indul az LHC: hová és minek? BME, Budapest, nov. 14. p. 56/56