CERN-kísérletek: CMS és ASACUSA

Átírás

1 Horváth Dezső: CERN-kísérletek: CMS és ASACUSA Cegléd, 2009 ápr. 22. p. 1/47 CERN-kísérletek: CMS és ASACUSA Horváth Dezső MTA KFKI Részecske és Magfizikai Kutatóintézet, Budapest és MTA Atommagkutató Intézet, Debrecen

2 Horváth Dezső: CERN-kísérletek: CMS és ASACUSA Cegléd, 2009 ápr. 22. p. 2/47 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: CERN-kísérletek: CMS és ASACUSA Cegléd, 2009 ápr. 22. p. 3/47 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: CERN-kísérletek: CMS és ASACUSA Cegléd, 2009 ápr. 22. p. 4/47 LHC = időgép?? Kezdet: ősrobbanás 14.5 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...

5 Horváth Dezső: CERN-kísérletek: CMS és ASACUSA Cegléd, 2009 ápr. 22. p. 5/47 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

6 A Standard modell állatkertje Horváth Dezső: CERN-kísérletek: CMS és ASACUSA Cegléd, 2009 ápr. 22. p. 6/47

7 A CERN 20 tagországa Horváth Dezső: CERN-kísérletek: CMS és ASACUSA Cegléd, 2009 ápr. 22. p. 7/47

8 A CERN kutatói (felhasználói) 2007: 2544 dolgozó, 9210 kutató Horváth Dezső: CERN-kísérletek: CMS és ASACUSA Cegléd, 2009 ápr. 22. p. 8/47

9 Horváth Dezső: CERN-kísérletek: CMS és ASACUSA Cegléd, 2009 ápr. 22. p. 9/47 A CERN gyorsítói: múlt és jövő LEP: LHC: ?

10 Horváth Dezső: CERN-kísérletek: CMS és ASACUSA Cegléd, 2009 ápr. 22. p. 10/47 LEP-események: e + e Z... pontszerű leptonok ütközése tiszta folyamatok Tipikus OPAL-esemény e + e W + W 4 kvark 4 hadronzápor 75 töltött részecske

11 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: CERN-kísérletek: CMS és ASACUSA Cegléd, 2009 ápr. 22. p. 11/47

12 Horváth Dezső: CERN-kísérletek: CMS és ASACUSA Cegléd, 2009 ápr. 22. p. 12/47 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)

13 Horváth Dezső: CERN-kísérletek: CMS és ASACUSA Cegléd, 2009 ápr. 22. p. 13/47 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 20%-a láthatatlan sötét anyag?? Természetesség: A Higgs-bozon tömege divergál, fermion bozon szimmetria eltüntetné Szuperszimmetria! Mindent rendbehoz, ha létezik. LHC?

14 Horváth Dezső: CERN-kísérletek: CMS és ASACUSA Cegléd, 2009 ápr. 22. p. 14/47 Szuperszimmetria: partner-részecskék A problémákat mind megoldaná, ha a fermionok és bozonok párban léteznének, azonos tulajdonságokkal (tömeg, töltés) A fermionok SUSY-partnerei Leptonok (S = 1 2 ) skalár leptonok (S = 0) e, µ, τ ẽ, µ, τ ν e, ν µ, ν τ ν e, ν µ, ν τ Kvarkok (S = 1 2 ) skalár kvarkok (S = 0) u, d, c, s, t, b ũ, d, c, s, t, b Antirészecske antipartner X L, X R X 1, X 2

15 Horváth Dezső: CERN-kísérletek: CMS és ASACUSA Cegléd, 2009 ápr. 22. p. 15/47 A bozonok SUSY-partnerei Elemi bozon spin SUSY-partner spin 1 foton: γ 1 fotino: γ 2 1 gyenge bozonok: 1 zínó: Z 2 Z, W +, W 1 wínó: W +, W gluonok: g 1,... g gluínó: g 1,... g Higgs-terek 0 higgszínók 2 H 0 1, H0 2, H+ 1, H 2 H 0 1, H 0 2, H + 1, H 2 3 graviton 2 gravitínó 2 két Higgs-dublett 5 Higgs-bozon: h, H, A, H +, H

16 Horváth Dezső: CERN-kísérletek: CMS és ASACUSA Cegléd, 2009 ápr. 22. p. 16/47 Szuperszimmetria? Minek? A szuperszimmetria nyilvánvalóan sérül: nincsenek ilyen részecskék, vagy sokkal nagyobb tömeggel Mire jó egy sérülő szimmetria? Higgs-mechanizmus: szimmetria-sértő tér tömeg, renormálás Higgs-tér sért egy létező szimmetriát SUSY bevezet egy nemlétezőt Mindez egy racionális, konzisztens elméletért

17 Horváth Dezső: CERN-kísérletek: CMS és ASACUSA Cegléd, 2009 ápr. 22. p. 17/47 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

18 A CERN és környéke Horváth Dezső: CERN-kísérletek: CMS és ASACUSA Cegléd, 2009 ápr. 22. p. 18/47

19 Horváth Dezső: CERN-kísérletek: CMS és ASACUSA Cegléd, 2009 ápr. 22. p. 19/47 Az LHC eltérítő-mágnesei 1232 szupravezető mágnes (beszerelés előtt) (L = 15 m, M = 35 t, T = 1.9 K, B = 8.3 T)

20 z LHC eltérítő-mágnese: keresztmetszet Horváth Dezső: CERN-kísérletek: CMS és ASACUSA Cegléd, 2009 ápr. 22. p. 20/47

21 Az LHC mágnesei összeszerelve Horváth Dezső: CERN-kísérletek: CMS és ASACUSA Cegléd, 2009 ápr. 22. p. 21/47

22 Horváth Dezső: CERN-kísérletek: CMS és ASACUSA Cegléd, 2009 ápr. 22. p. 22/47 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!!

23 Horváth Dezső: CERN-kísérletek: CMS és ASACUSA Cegléd, 2009 ápr. 22. p. 23/47 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 RMKI: BUDAPEST LCG-állomás

24 Horváth Dezső: CERN-kísérletek: CMS és ASACUSA Cegléd, 2009 ápr. 22. p. 24/47 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

25 Munka 160 müonkamrán Béni Noémi és Szillási Zoltán (Debrecen) Horváth Dezső: CERN-kísérletek: CMS és ASACUSA Cegléd, 2009 ápr. 22. p. 25/47

26 Horváth Dezső: CERN-kísérletek: CMS és ASACUSA Cegléd, 2009 ápr. 22. p. 26/47 HF: kvarcszálak acélban Minden CERN-es magyar fűzte Szálkalibráció kész darabon

27 A CMS mágnese Horváth Dezső: CERN-kísérletek: CMS és ASACUSA Cegléd, 2009 ápr. 22. p. 27/47

28 A CMS egyik szelete Horváth Dezső: CERN-kísérletek: CMS és ASACUSA Cegléd, 2009 ápr. 22. p. 28/47

29 A CMS belső része Horváth Dezső: CERN-kísérletek: CMS és ASACUSA Cegléd, 2009 ápr. 22. p. 29/47

30 A CMS lezáró sapkája Horváth Dezső: CERN-kísérletek: CMS és ASACUSA Cegléd, 2009 ápr. 22. p. 30/47

31 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: CERN-kísérletek: CMS és ASACUSA Cegléd, 2009 ápr. 22. p. 31/47

32 Horváth Dezső: CERN-kísérletek: CMS és ASACUSA Cegléd, 2009 ápr. 22. p. 32/47 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.

33 Horváth Dezső: CERN-kísérletek: CMS és ASACUSA Cegléd, 2009 ápr. 22. p. 33/47 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 fekete lyuk (ESO, Very Large Telescope, Chile, 2008)

34 Horváth Dezső: CERN-kísérletek: CMS és ASACUSA Cegléd, 2009 ápr. 22. p. 34/47 Veszélyeztetjük-e a Naprendszert? 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

35 Rengetegféle modell van Horváth Dezső: CERN-kísérletek: CMS és ASACUSA Cegléd, 2009 ápr. 22. p. 35/47

36 Horváth Dezső: CERN-kísérletek: CMS és ASACUSA Cegléd, 2009 ápr. 22. p. 36/47 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 (3,5 + 3,5 TeV): nov.

37 Az LHC vezérlőterme, Horváth Dezső: CERN-kísérletek: CMS és ASACUSA Cegléd, 2009 ápr. 22. p. 37/47

38 Horváth Dezső: CERN-kísérletek: CMS és ASACUSA Cegléd, 2009 ápr. 22. p. 38/47 Miért nincsenek anti-galaxisok? Anyag = antianyag? Térelmélet: CPT-invariancia elve Antirészecske téridőben ellenkező irányban haladó részecske Mérjük meg az antiproton tömegét, töltését Protoné jól ismert: Pontosság: m(p) = (38) ev; q(e) = (63) C Relatív mérések: proton antiproton Ciklotronfrekvencia mágneses csapdában q/m TRAP ATRAP: Harvard, Bonn, Jülich, München, Szöul ASACUSA: Átmenetek mérése antiprotonos atomban E n m redc 2 (Zα) 2 2n m q 2

39 Horváth Dezső: CERN-kísérletek: CMS és ASACUSA Cegléd, 2009 ápr. 22. p. 39/47 A CERN antiproton lassítója (AD) a CPT invariancia ellenőrzésére épült Három CPT kísérlet az AD-nál: ATRAP: q(p)/m(p) q(p)/m(p) H(2S 1S) H(2S 1S) ALPHA: H(2S 1S) H(2S 1S) ASACUSA: q(p) 2 m(p) q(p) 2 m(p) µ l (p) µ l (p) Vörös: működik, zöld: tervben ASACUSA: Atomic Spectroscopy And Collisions Using Slow Antiprotons (Tokió, Aarhus, Bécs, Brescia, Budapest, Debrecen, München) R. S. Hayano, M. Hori, D. Horváth, E. Widmann: Repts Prog. Phys. 70 (2007) Barna Dániel, Horváth Dezső, Zalán Péter (RMKI) Juhász Bertalan (ATOMKI SMI, Bécs), Tőkési Károly (ATOMKI) Sótér Anna (ELTE, diplomamunkás LMU, München)

40 Particle Data Handbook, 2008 M. Hori,..., B. Juhász, D. Barna, D. Horváth: Phys. Rev. Lett. 96 (2006) Jelenleg: kétfotonos, Doppler-mentes spektroszkópia Horváth Dezső: CERN-kísérletek: CMS és ASACUSA Cegléd, 2009 ápr. 22. p. 40/47

41 Horváth Dezső: CERN-kísérletek: CMS és ASACUSA Cegléd, 2009 ápr. 22. p. 41/47 µ(p): vonal-felhasadás phe + -ban F =L 1/2 F =L 1/2 (n,l ) F =L 1/2 J + =L F =L 1/2 J + =L (n,l ) F =L 1/2 J + =L J =L 1 J =L 1 J =L 1 F + =L +1/2 (n,l) (n,l) ν HF + F + =L +1/2 (n,l) f + J ++ = L+1 ν HF J ++ = L+1 f + J ++ = L+1 F + =L+1/2 J + =L F + =L+1/2 J + =L F + =L+1/2 J + =L Step 1: depopulation of F + doublet with f + laser pulse Step 2: equalization of populations of F + and F - by microwave Mágneses momentumok µ(p) µ(p) CPT-invariancia OK T. Pask, D. Barna, A. Dax, R.S. Hayano, M. Hori, D. Horváth, B. Juhász, C. Malbrunot, J. Marton, N. Ono, K. Suzuki, J. Zmeska1, E. Widmann: J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 41 (2008) Thomas Pask: PhD-dolgozat, Bécs, R ++ /R ++ off Step 3: probing of population of F + doublet with 2nd f + laser pulse ν HF ν HF ν MW (GHz) Mikrohullámú frekvencia-spektrum

42 Horváth Dezső: CERN-kísérletek: CMS és ASACUSA Cegléd, 2009 ápr. 22. p. 42/47 Lassú antiproton-nyaláb fejlesztése Monoenergetic Ultra Slow Antiproton Source for High precision Investigations 5.8 MeV p AD RFQ (2000) 100 kev p RFQ csapda (2001) p csapdában hűtve (2002) > lassú p kivezetve (2004) > p FWHM 3 mm (2008) Cél: atom- és magfizika, QCD, H N. Kuroda,..., B. Juhász, D. Horváth,..., Y. Yamazaki: Phys. Rev. Lett. 94 (2005) N. Kuroda,..., D. Barna,... D. Horváth,..., Y. Yamazaki: Phys. Rev. Lett. 100 (2008)

43 Horváth Dezső: CERN-kísérletek: CMS és ASACUSA Cegléd, 2009 ápr. 22. p. 43/47 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

44 Horváth Dezső: CERN-kísérletek: CMS és ASACUSA Cegléd, 2009 ápr. 22. p. 44/47 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...

45 Horváth Dezső: CERN-kísérletek: CMS és ASACUSA Cegléd, 2009 ápr. 22. p. 45/47 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)

46 Köszönöm a figyelmet Horváth Dezső: CERN-kísérletek: CMS és ASACUSA Cegléd, 2009 ápr. 22. p. 46/47

47 Horváth Dezső: CERN-kísérletek: CMS és ASACUSA Cegléd, 2009 ápr. 22. p. 47/47 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