Részecskefizika a CERN-ben

Átírás

1 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 1/41 Részecskefizika a CERN-ben Diákoknak, Wigner FK, Budapest, Horváth Dezső [email protected] 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. 2/41 Vázlat Kvantumfizika 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 Higgs-bozon felfedezése A részecskefizika haszna

3 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 3/41 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. 4/41 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. 5/41 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. 6/41 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. 7/41 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 (volt ) gyorsítónk Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 8/41

9 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 9/41 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. 10/41 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. 11/41 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. 12/41 A Standard modell állatkertje A Higgs-részecskén kívül mind régen megvan!

13 A Fizikai Szemle melléklete (2008 aug.) Horváth Dezso : Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 13/41

14 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 14/41 A CERN 21 tagországa Izrael 2013 Románia 2015 Szerbia, Ciprus, Ukrajna, Pakisztán tagjelöltek Brazília, Szlovénia, Töröko. tárgyalnak

15 A CERN és környéke Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 15/41

16 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 16/41 A CERN kutatói (felhasználói) 2800 alkalmazott kutató diák (Olasz > német > amerikai > orosz > francia)

17 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 17/41 A CERN gyorsítói: múlt és jelen LEP: LHC: ?

18 Higgs-keresés az LHC-nál: megvan! Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 18/41

19 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 19/41 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. 20/41

21 Az LHC mágnesei összeszerelve Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 21/41

22 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 22/41 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. 23/41 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

24 Munka 160 müonkamrán Béni Noémi és Szillási Zoltán (Debrecen) Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 24/41

25 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 25/41 HF: kvarcszálak acélban Minden CERN-es magyar fűzte Szálkalibráció kész darabon

26 A CMS mágnese Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 26/41

27 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 27/41 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!

28 Az LHC vezérlőterme, Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 28/41

29 CMS-esemény: H γγ jelölt Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 29/41

30 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 30/ május: ATLAS és CMS lát valamit? Mindenki lát (utólag még az amerikai TEVATRON is) egy kevés többletet a standard modell Higgs-bozon nélküli jóslata fölött, de sehol sem igazán jelentős A mért adatnak kísérleti bizonytalansága van (σ). Forrása: észlelések száma és minősége, szimulációk egyezése kísérlettel, felhasznált korábbi adatok bizonytalansága. Megállapodás: felfedeztünk valami újat, ha az ismert háttérből az a kísérleti bizonytalanság ötszörösével (5σ) kiemelkedik MTA, : Már 3σ többlet, 2012-ben felfedezésre itélve??

31 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 31/ július 4: valami van! ATLAS és CMS, 7 és 8 TeV ütközési energián, H γγ és H ZZ l + l l + l csatornában, m 126 GeV tömegnél statisztikusan jelentősen (kísérletenként 5σ szignifikanciával) lát egy új H részecskét a SM Higgs-bozonjának megfelelő tulajdonságokkal. François Englert és Peter Higgs első találkozása

32 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 32/41 CMS: H ZZ l + l l + l CMS : H ZZ l + l l + l animated

33 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 33/41 Hogyan jutottunk idáig? CMS szándéknyilatkozat: 1992 (475 szerző) Technikai tervek (8 többszázoldalas mű): Detektor jórészt felépítve a felszínen: Leeresztés darabokban, összerakás, befejezés: LHC elindul: 2008 (katasztrófa, javítás), majd : 7 TeV energia, 140-szeres adatmennyiség! : 7 8 TeV, ötszörös adatmennyiség! 2012: A Higgs-bozon felfedezése.

34 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. 34/41

35 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 35/41 Mit mondhatunk és mit nem? Csak teljes jóváhagyás után beszélhetünk az eredményekről. ATLAS kiszivárogtatta a júl. 4-i eredményt Nature-nek, CMS megerősítette. A két TEVATRON-kísérlet meg egyből látta a 125 GeV-es Higgs-bozont elhanyagolható szignifikanciával (ugyanazok a fizikusok ). Egy ATLAS-os (mi lett vele?) tavaly fel is fedezte a Higgs-bozont 140 GeV-nél. Csak jóváhagyott (elfogadott Physics Analysis Summary-ban levő) ábrákat, adatokat mutathatunk. Konferencia előtt próbaelőadások. Joe Incandela július 4-i előadását a CMS 4-órás videokonferencián próbálgatta előző délután.

36 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 36/41 Fizikai Nobel-díj, 2013 A fizikai Nobel-díjat François Englert and Peter W. Higgs kapta azon mechanizmus elméleti felfedezéséért, amely hozzájárul ahhoz, hogy megértsük a szubatomi részecskék tömegének eredetét, és amelyet mostanában megerősített a megjósolt alapvető részecske felfedezésével a CERN Nagy hadron-ütköztetőjénél az ATLAS és CMS kísérlet. Rolf-Dieter Heuer, a CERN főigazgatója, bejelenti a Nobel-díjat az ATLAS és CMS közös irodaépületében.

37 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 37/41 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

38 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 38/41 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...) Meg van, aki Nobel-díjat kap

39 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 39/41 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)

40 Köszönöm a figyelmet Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 40/41

41 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Wigner FK, Budapest, p. 41/41 Köszönetnyilvánítás Néhai Nemzeti Kutatási és Technológiai Hivatal Magyar Tudományos Akadémia OTKA NK81447 és K72172 Megértő és segítőkész együttműködő partnereink