Részecskefizika a CERN-ben

Átírás

1 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Gyöngyös, p. 1/40 Részecskefizika a CERN-ben Berze Nagy János Gimnázium, Gyöngyös, 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 Gyöngyös, p. 2/40 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 Gyöngyös, p. 3/40 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 Gyöngyös, p. 4/40 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 Gyöngyös, p. 5/40 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 Gyöngyös, p. 6/40 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 Gyöngyös, p. 7/40 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 Gyöngyös, p. 8/40

9 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Gyöngyös, p. 9/40 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

10 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Gyöngyös, p. 10/40 Spontán szimmetriasértés tömeg Szabad fermion Higgsbozon David J. Miller és CERN: djm/higgsa.html

11 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Gyöngyös, p. 11/40 A Standard modell állatkertje A Higgs-részecskén kívül mind régen megvolt!

12 A Fizikai Szemle melléklete (2008 aug.) Horváth Dezso : Részecskefizika a CERN-ben Gyöngyös, p. 12/40

13 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Gyöngyös, p. 13/40 A CERN 21 tagországa Izrael 2014 Románia 2015 Szerbia felvéve Ciprus, Ukrajna, Töröko., Pakisztán tagjelöltek Brazília, Szlovénia, Oroszo. jelentkeztek, tárgyalnak

14 A CERN és környéke Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Gyöngyös, p. 14/40

15 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Gyöngyös, p. 15/40 A CERN kutatói (felhasználói) 2800 alkalmazott kutató diák (Olasz > német > amerikai > orosz > francia)

16 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Gyöngyös, p. 16/40 A CERN gyorsítói: múlt és jelen LEP: LHC: ?

17 Higgs-keresés az LHC-nál: megvan! Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Gyöngyös, p. 17/40

18 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Gyöngyös, p. 18/40 Az LHC eltérítő-mágnesei 1232 szupravezető mágnes (beszerelés előtt) (L=15 m, M = 35 t, T = 1.9 K, B=8.3 T)

19 z LHC eltérítő-mágnese: keresztmetszet Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Gyöngyös, p. 19/40

20 Az LHC mágnesei összeszerelve Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Gyöngyös, p. 20/40

21 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Gyöngyös, p. 21/40 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!!

22 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Gyöngyös, p. 22/40 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

23 Munka 160 müonkamrán Béni Noémi és Szillási Zoltán (Debrecen) Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Gyöngyös, p. 23/40

24 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Gyöngyös, p. 24/40 HF: kvarcszálak acélban Minden CERN-es magyar fűzte Szálkalibráció kész darabon

25 A CMS mágnese Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Gyöngyös, p. 25/40

26 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Gyöngyös, p. 26/40 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!

27 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Gyöngyös, p. 27/40 Viccek a Higgs-bozonról, előtte A bárba besétál egy Higgs-bozon. Azt mondja neki a csapos: Vigyázzon, magát sokan keresik! A bárba besétál egy Higgs-bozon. A csapos nem érti... Szeretnék végre látni egy jó Higgs-bozonos viccet. Biztosan létezik, de évekbe telhet, amíg rátalálunk A templomba besétál egy Higgs-bozon. Azt mondja neki a pap: Magát nem szívesen látjuk itt.. Mire ő: Pedig nélkülem itt soha nem lesz tömeg! Angolul: But without me how can you have mass? (Mass: súlyos tömeg, embertömeg, mise) A tárgyak tömege NEM a BEH-mechanizmustól van, csaknem tiszta energia!

28 Az LHC vezérlőterme, Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Gyöngyös, p. 28/40

29 CMS-esemény: H γγ jelölt Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Gyöngyös, p. 29/40

30 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Gyöngyös, p. 30/ 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

31 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Gyöngyös, p. 31/40 CMS: H ZZ l + l l + l CMS : H ZZ l + l l + l animated

32 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Gyöngyös, p. 32/40 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.

33 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 Gyöngyös, p. 33/40

34 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Gyöngyös, p. 34/40 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.

35 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Gyöngyös, p. 35/40 Viccek a Higgs-bozonról, utána A bárba besétál egy Higgs-bozon. Csapos: Mi van? mire ő: Én!! A Higgs-bozon felfedezése rossz viccek ősrobbanásához vezetett. A Higgs-bozon felfedezését a fizikusok tömegesen ünnepelték. A Higgs-mező szabályozása valóban lehetővé tenné a tömegpusztító fegyvereket. Nem tudom, mi a csuda az, de klassz, hogy felfedezték! Gondosan ellenőrizni kell. A múltkor is azt hittem, Higgs-bozont találtam az ágyam alatt, de csak egy üveggolyó volt. Összeveszett a top-kvark a Higgs-bozonnal. A kvark elrohant, mert a bozon csak a súlyát emlegette, semmi mást nem mondott magáról. Jó, hogy megvagy, Isten-részecske. Én csak egy átlagember vagyok, aki nem ért téged.

36 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Gyöngyös, p. 36/40 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

37 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Gyöngyös, p. 37/40 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 részecskefizikai doktorátust 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

38 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Gyöngyös, p. 38/40 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)

39 Köszönöm a figyelmet Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Gyöngyös, p. 39/40

40 Horváth Dezső: Részecskefizika a CERN-ben Gyöngyös, p. 40/40 Köszönetnyilvánítás Néhai Nemzeti Kutatási és Technológiai Hivatal Magyar Tudományos Akadémia OTKA NK81447 és K72172 Megértő és segítőkész együttműködő partnereink