Részecskefizika a CERN-ben

Átírás

1 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 1/46 Részecskefizika a CERN-ben Diákoknak, Wigner FK, Budapest, Horváth Dezső horvath.dezso@wigner.mta.hu MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont, Részecske- és Magfizikai Intézet, Budapest és MTA Atommagkutató Intézet, Debrecen

2 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 2/46 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 A részecskefizika haszna Simon Tamás (origo): Nyomon követi az LHC működését HD: Mese a Standard modellről 2*2 órában (előadás)

3 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 3/46 Előszó A (részecske)fizika egzakt tudomány: A fizika univerzális nyelve a matematika, pontos matematikai formalizmuson alapszik. Egy elmélet érvényes, ha kiszámítható, és eredménye egyezik a kísérlettel. Az igazi fogalmak mérhető mennyiségek, a szavak csak mankók. Szavak mögött pontos matematika és kísérleti tapasztalat Alapkérdés: milyen pontossággal adja vissza az elméleti számítás a mérések eredményét? Számítás nélkül nincs fizika, csak spekuláció... de a fizika kísérleti tudomány!

4 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 4/46 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 a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 5/46 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 a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 6/46 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 a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 7/46 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 a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 8/46

9 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 9/46 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 a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 10/46 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 a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 11/46 Spontán szimmetriasértés tömeg Szabad fermion Higgsbozon David J. Miller és CERN: djm/higgsa.html

12 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 12/46 A Standard modell állatkertje A Higgs-részecskén kívül mind megvan!

13 A Fizikai Szemle melléklete (2008 aug.) Horváth Dezso : Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 13/46

14 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 14/46 A CERN 20 tagországa + Románia, Izrael, Szerbia, Ciprus, Szlovénia, Töröko., Brazília, Oroszo.

15 A CERN és környéke Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 15/46

16 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 16/46 A CERN kutatói (felhasználói) 2800 alkalmazott kutató diák (Olasz > német > amerikai > orosz > francia)

17 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 17/46 A CERN gyorsítói: múlt és jelen LEP: LHC: ?

18 Higgs-keresés az LHC-nál Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 18/46

19 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 19/46 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: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 20/46

21 Az LHC mágnesei összeszerelve Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 21/46

22 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 22/46 Az LHC CMS detektora Compact Muon Solenoid: tonnás digitális kamera 100 M pixel, 20 M kép/mp, 1000 GB/mp adat Tárolás: kép/mp szűrés!!

23 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 23/46 Az LHC CMS detektora (Compact Muon Solenoid) Súly: tonna, kétszer annyi vas, mint Eiffel toronyban 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 Wigner FK RMI: BUDAPEST LCG-állomás

24 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 24/46 A CMS-együttműködés, ország 179 intézménye 3275 fizikus (közülük 1535 diák) 790 mérnök és technikus Résztvevők intézmény országa szerint: USA: 1149, Olaszo.: 439, Németo.: 298, Oroszo.: 234 Útlevél szerint: USA: 707, olasz: 554, német: 315, orosz: 305 Magyar intézményből: 40, magyar útlevéllel: 44

25 Munka 160 müonkamrán Béni Noémi és Szillási Zoltán (Debrecen) Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 25/46

26 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 26/46 HF: kvarcszálak acélban Minden CERN-es magyar fűzte Szálkalibráció kész darabon

27 A CMS mágnese Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 27/46

28 A CMS belső része Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 28/46

29 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 29/46 Worldwide LHC Computing Grid A CMS-kísérlet fő WLCG-állomásai Magyar Tier-2: BUDAPEST (RMKI) (550 CPU, 260 TB tároló a CMS és ALICE VO számára) ATOMKI Tier-3: átadva 2012 nov. 2013: LHC Tier-0 egy része Wigner FK-ba települt!

30 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 30/46 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.

31 CMS ECAL: 75,848 PbWO 4 egykristály szcintillátor Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 31/46 A CMS elektromágneses kalorimétere a H γγ észlelésére optimalizálva

32 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 32/46 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

33 Rengetegféle modell van Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 33/46

34 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 34/46 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.

35 Az LHC vezérlőterme, Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 35/46

36 Többkvarkos CMS-esemény 7 TeV-nél Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 36/46

37 MS-esemény: müon + hiányzó impulzus Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 37/46

38 CMS-esemény: 2 müon Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 38/46

39 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 39/46 CMS-esemény: ZZ µ + µ µ + µ M(ZZ)= 200 GeV

40 CMS-esemény: H γγ jelölt Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 40/46

41 CMS-vezérlő, 2012 május 2, 15h 45p DCS-koordinátor: Szillási Zoltán, ATOMKI; DQM-felügyelő: HD Ügyelet: Spanyol, holland, orosz, kínai, francia, magyar Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 41/46

42 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 42/46 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

43 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 43/46 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...

44 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 44/46 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)

45 Köszönöm a figyelmet Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 45/46

46 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 46/46 Köszönetnyilvánítás Néhai Nemzeti Kutatási és Technológiai Hivatal Magyar Tudományos Akadémia OTKA NK81447 és K72172 Megértő és segítőkész együttműködő partnereink