A mikrovilág szimmetriái: CERN-kísérletek DE Kossuth Lajos Gyakorló Gimnáziuma

Átírás

1 A mikrovilág szimmetriái: CERN-kísérletek DE Kossuth Lajos Gyakorló Gimnáziuma Horváth Dezső MTA KFKI Részecske és Magfizikai Kutatóintézet, Budapest és ATOMKI, Debrecen Horváth Dezső: A mikrovilág szimmetriái: CERN-kísérletek Kossuth Gimnázium, Debrecen, november 23. p.1

2 Vázlat Szimmetriák és részecskék Szimmetriák és kölcsönhatások CERN és gyorsítói Antirészecskék és a CPT -szimmetria A CMS-kísérlet Nehézionfizika Neutrínófizika Számítástechnika a CERN-ben A részecskefizika haszna Horváth Dezső: A mikrovilág szimmetriái: CERN-kísérletek Kossuth Gimnázium, Debrecen, november 23. p.2

3 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 Horváth Dezső: A mikrovilág szimmetriái: CERN-kísérletek Kossuth Gimnázium, Debrecen, november 23. p.3

4 Az atomtól a kvarkig m m m < m Horváth Dezső: A mikrovilág szimmetriái: CERN-kísérletek Kossuth Gimnázium, Debrecen, november 23. p.4

5 A Világegyetem története Horváth Dezső: A mikrovilág szimmetriái: CERN-kísérletek Kossuth Gimnázium, Debrecen, november 23. p.5

6 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 Horváth Dezső: A mikrovilág szimmetriái: CERN-kísérletek Kossuth Gimnázium, Debrecen, november 23. p.6

7 Hatáskeresztmetszet σ = W/Φ átmeneti valószínűség/fluxus (1 mb = cm 2 ) Fluxus = részecskék sürüsége sebessége nyalábban: Φ = n b v b = részecskeszám/felület/sec Bombázó részecskenyaláb Céltárgy részecskéje Horváth Dezső: A mikrovilág szimmetriái: CERN-kísérletek Kossuth Gimnázium, Debrecen, november 23. p.7

8 Szimmetriák a részecskefizikában fontosabbak, mint kémiában vagy szilárdtestfizikában Noether tétel: Globális szimmetria megmaradási törvény Eltolás térben impulzus Eltolás időben energia Forgatás impulzusmomentum Tükrözés paritás Elektromágneses mérték- töltés Mértékelmélet: Lokális szimmetria kölcsönhatás Lokális szimmetria: pontról pontra, meghatározott módon módosuló Spontán szimmetriasértés (Higgs-mechanizmus) tömegek, kiszámíthatóság Horváth Dezső: A mikrovilág szimmetriái: CERN-kísérletek Kossuth Gimnázium, Debrecen, november 23. p.8

9 Spontán szimmetriasértés tömeg Courtesy of David J. Miller and CERN: djm/higgsa.html Horváth Dezső: A mikrovilág szimmetriái: CERN-kísérletek Kossuth Gimnázium, Debrecen, november 23. p.9

10 A Standard Modell állatkertje Horváth Dezső: A mikrovilág szimmetriái: CERN-kísérletek Kossuth Gimnázium, Debrecen, november 23. p.10

11 A CERN 20 tagországa Horváth Dezső: A mikrovilág szimmetriái: CERN-kísérletek Kossuth Gimnázium, Debrecen, november 23. p.11

12 A CERN kutatói (felhasználói) Horváth Dezső: A mikrovilág szimmetriái: CERN-kísérletek Kossuth Gimnázium, Debrecen, november 23. p.12

13 A CERN gyorsítói: múlt és jövő LEP 2000 ig LHC 2007 től? Horváth Dezső: A mikrovilág szimmetriái: CERN-kísérletek Kossuth Gimnázium, Debrecen, november 23. p.13

14 nagy elektron-pozitron ütköztető (LEP) Horváth Dezső: A mikrovilág szimmetriái: CERN-kísérletek Kossuth Gimnázium, Debrecen, november 23. p.14

15 A néhai LEP gyorsító Horváth Dezső: A mikrovilág szimmetriái: CERN-kísérletek Kossuth Gimnázium, Debrecen, november 23. p.15

16 Kalorimetria A CMS-detektor (Compact Muon Solenoid) szelete Horváth Dezső: A mikrovilág szimmetriái: CERN-kísérletek Kossuth Gimnázium, Debrecen, november 23. p.16

17 LEP-események: e + e Z... pontszerű leptonok ütközése tiszta folyamatok Tipikus OPAL-esemény e + e W + W 4 kvark 4 hadronzápor 75 töltött részecske Horváth Dezső: A mikrovilág szimmetriái: CERN-kísérletek Kossuth Gimnázium, Debrecen, november 23. p.17

18 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] ± Állapot 2006 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: Horváth Dezső: A mikrovilág szimmetriái: CERN-kísérletek Kossuth Gimnázium, Debrecen, november 23. p.18

19 De hol a Higgs-bozon? A spontán szimmetriasértés mellékterméke A fizika legkeresettebb részecskéje, mivel a Standard Modell egyetlen hiányzó alkatrésze. Kísérletileg (még?) nem figyeltük meg, Az elmélet szerint léteznie kell mert tömeget teremt és rendbeteszi a divergenciákat It was in that my life as a boson really began (Peter Higgs: Int. J. Mod. Phys. A 17 Suppl. (2002) ) Horváth Dezső: A mikrovilág szimmetriái: CERN-kísérletek Kossuth Gimnázium, Debrecen, november 23. p.19

20 Tükrözési szimmetriák Töltéstükrözés: C p(r,t)> = p(r,t)> Tértükrözés: P p(r,t)> = p( r,t)> Időtükrözés: T p(r,t)> = p(r, t)> Mindhárom szimmetria triviális... C töltéstükrözés: Elektromágneses és erős invariáns P tértükrözés: Gömbszimmetrikus potenciálok (?) T időtükrözés: Miért bántana bárkit? Gyenge kölcsönhatás??? T. Nakada, CERN Horváth Dezső: A mikrovilág szimmetriái: CERN-kísérletek Kossuth Gimnázium, Debrecen, november 23. p.20

21 CPT -invariancia A térelmélet alaptétele: CPT p(r,t)> = p( r, t)> p(r,t)> azaz szabad antirészecske = részecske, amely téridőben visszafelé mozog. CPT sérülése sértené: a kölcsönhatások lokalitását azaz a kauzalitást, vagy unitaritást, az anyag, információ,... megmaradását, vagy a Lorentz-invarianciát. Elmélet általában: CPT nem sérül De vannak CPT sértő modellek ellenőrizni Kísérlet: részecske = antirészecske? Horváth Dezső: A mikrovilág szimmetriái: CERN-kísérletek Kossuth Gimnázium, Debrecen, november 23. p.21

22 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) ATHENA: 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 SACUSA: Atomic Spectroscopy And Collisions Using Slow Antiprotons Tokió, Bécs, Budapest, Debrecen Magyar hozzájárulás: pozícionáló állványok Horváth Dezső: A mikrovilág szimmetriái: CERN-kísérletek Kossuth Gimnázium, Debrecen, november 23. p.22

23 Az antiproton tömege és töltése Protoné jól ismert: m(p)/m(e) = (85) q(e) = (63) C Pontosság: és Relatív mérés: proton antiproton Ciklotron frekvencia csapdában q/m TRAP (LEAR) ATRAP (AD) Harvard, Jülich, München, Szöul Atomi átmenetek energiája p-atomban: E n m red c 2 (Zα) 2 /(2n 2 ) m q 2 PS-205 (LEAR) ASACUSA (AD) Tokió Aszakuszanegyede Horváth Dezső: A mikrovilág szimmetriái: CERN-kísérletek Kossuth Gimnázium, Debrecen, november 23. p.23

24 Az antiproton tömege és töltése Principal quantum number n=31 p _ 4 He n= l = metastable states p _ 3 He + short-lived states Orbital quantum number p + He LEAR δm M p p [10-6 ] Q p / M p allowed region phe AD Felső határ CPT sértésre: 2 ppb ( ) M. Hori, A. Dax, J. Eades, K. Gomikawa, R. S. Hayano, N. Ono, W. Pirkl, E. Widmann, H. A. Torii, B. Juhász, D. Barna, D. Horváth: Phys. Rev. Lett. 96 (2006) δq Q p p [10-6 ] Horváth Dezső: A mikrovilág szimmetriái: CERN-kísérletek Kossuth Gimnázium, Debrecen, november 23. p.24

25 A jövő: lassú antiproton nyaláb Monoenergetic Ultra Slow Antiproton Source for High precision Investigations 5.8 MeV p AD RFQ 100 kev p RFQ csapda > 10 6 p csapdában hűtve (2002) lassú p kivezetve (2004) Cél: antihidrogén fékezőképesség ionizáció N. Kuroda, H. A. Torii, K. Yoshiki Franzen, Z. Wang, S. Yoneda, M. Inoue, M. Hori, B. Juhász, D. Horváth, H. Higaki, A. Mohri, J. Eades, K. Komaki, Y. Yamazaki: Phys. Rev. Lett. 94 (2005) Horváth Dezső: A mikrovilág szimmetriái: CERN-kísérletek Kossuth Gimnázium, Debrecen, november 23. p.25

26 Nagy hadron-ütköztető (LHC) Horváth Dezső: A mikrovilág szimmetriái: CERN-kísérletek Kossuth Gimnázium, Debrecen, november 23. p.26

27 Large Hadron Collider (LHC) Horváth Dezső: A mikrovilág szimmetriái: CERN-kísérletek Kossuth Gimnázium, Debrecen, november 23. p.27

28 Az LHC szupravezető-mágnesei 27 km-en 1232 terelő, 858 fókuszáló, 6200 korrigáló mágnes Horváth Dezső: A mikrovilág szimmetriái: CERN-kísérletek Kossuth Gimnázium, Debrecen, november 23. p.28

29 Az LHC CMS detektora Horváth Dezső: A mikrovilág szimmetriái: CERN-kísérletek Kossuth Gimnázium, Debrecen, november 23. p.29

30 Az LHC CMS detektora (Compact Muon Solenoid) Súly: tonna, több vas, mint Eiffel toronyban > 2000 résztvevő a világ minden tájáról A világ legnagyobb (szupravezető) szolenoidja: átmérő 8 m, B = 4 Tesla Detektorépítésben magyar részvétel: Müondetektor pozicionáló rendszere: DE Kisérleti Fizika Tanszék és ATOMKI Very Forward Calorimeter: RMKI Adatkezelés: LHC Computing Grid Horváth Dezső: A mikrovilág szimmetriái: CERN-kísérletek Kossuth Gimnázium, Debrecen, november 23. p.30

31 CMS HF: kvarcszálak Minden CERN-es magyar dugdosta: Fodor Rita Horváth Dezső: A mikrovilág szimmetriái: CERN-kísérletek Kossuth Gimnázium, Debrecen, november 23. p.31

32 CMS HF: kész elemek Horváth Dezső: A mikrovilág szimmetriái: CERN-kísérletek Kossuth Gimnázium, Debrecen, november 23. p.32

33 Muonkamrák: előkészítés Béni Noémi (Debrecen) a WC-kefével Horváth Dezső: A mikrovilág szimmetriái: CERN-kísérletek Kossuth Gimnázium, Debrecen, november 23. p.33

34 Higgs keresés a CMS nél Proton-proton-ütközésből (uud + uud) sok részecske Kvarkok elsüvítenek egymás mellett vagy enyhén szóródnak LHC: regisztrált eseményben p-p kölcsönhatás Tiszta jel: nyalábra merőleges lepton vagy zápor, Nagyobb tömegű részecskét könnyebb azonosítani. Higgs-keresés LHC-nál: kedvező reakció Higgs-tömegtől függ Horváth Dezső: A mikrovilág szimmetriái: CERN-kísérletek Kossuth Gimnázium, Debrecen, november 23. p.34

35 H ZZ eeqq a CMS nél Horváth Dezső: A mikrovilág szimmetriái: CERN-kísérletek Kossuth Gimnázium, Debrecen, november 23. p.35

36 A Standard Modell problémái Aszimmetriák: jobb bal világ antivilág Töltéskvantálás: Kvarkok harmados töltése Miért éppen 3 fermioncsalád? Sötét anyag és energia?? Az Univerzum tömegének 4%-a közönséges anyag (csillag, gáz, por, ν), 23 %-a láthatatlan sötét anyag, 73 %-a rejtélyes sötét energia Természetesség: A Higgs-bozon tömege divergál, fermion-bozon szimmetria eltűntetné. Gravitáció: nem illik a másik három kölcsönhatás rendszerébe. A problémákat mind megoldaná, ha a fermionok és bozonok párban léteznének, azonos tulajdonságokkal (tömeg, töltés) Horváth Dezső: A mikrovilág szimmetriái: CERN-kísérletek Kossuth Gimnázium, Debrecen, november 23. p.36

37 Szuperszimmetria? Minek? A szuperszimmetria nyilvánvalóan sérül: nincsenek ilyen részecskék, vagy sokkal nagyobb tömeggel Mire jó egy sérülő szimmetria? Higgs-mechanizmus: szimmetria-sértő tér tömeg, kiszámíthatóság Higgs-tér sért egy létező szimmetriát SUSY bevezet egy nemlétezőt Mindez egy racionális, konzisztens elméletért Horváth Dezső: A mikrovilág szimmetriái: CERN-kísérletek Kossuth Gimnázium, Debrecen, november 23. p.37

38 Nagyenergiájú nehézion-ütközés Relatívisztikus kontrakció Ütközés Kvark-gluon-plazma kvarkleves Hadronizáció: Nyalábirányból kilépő részecskék Horváth Dezső: A mikrovilág szimmetriái: CERN-kísérletek Kossuth Gimnázium, Debrecen, november 23. p.38

39 Nehézion-ütközés szimulációja Horváth Dezső: A mikrovilág szimmetriái: CERN-kísérletek Kossuth Gimnázium, Debrecen, november 23. p.39

40 Az SPS NA49-kísérlete Horváth Dezső: A mikrovilág szimmetriái: CERN-kísérletek Kossuth Gimnázium, Debrecen, november 23. p.40

41 NA49: Pb Pb ütközés Horváth Dezső: A mikrovilág szimmetriái: CERN-kísérletek Kossuth Gimnázium, Debrecen, november 23. p.41

42 Az LHC ALICE-kísérlete A Large Ion Collider Experiment Horváth Dezső: A mikrovilág szimmetriái: CERN-kísérletek Kossuth Gimnázium, Debrecen, november 23. p.42

43 Légköri neutrínók π + µ + ν µ µ + e + ν µ ν e π µ ν µ µ e ν e ν µ Várt: N µ /N e 2 Mért: N µ /N e 2 Hova lesznek? Horváth Dezső: A mikrovilág szimmetriái: CERN-kísérletek Kossuth Gimnázium, Debrecen, november 23. p.43

44 Szuper-Kamiokande belülről Horváth Dezső: A mikrovilág szimmetriái: CERN-kísérletek Kossuth Gimnázium, Debrecen, november 23. p.44

45 CERN-i neutrínók Gran Sasso-ba Horváth Dezső: A mikrovilág szimmetriái: CERN-kísérletek Kossuth Gimnázium, Debrecen, november 23. p.45

46 Számítástechnika: világháló Horváth Dezső: A mikrovilág szimmetriái: CERN-kísérletek Kossuth Gimnázium, Debrecen, november 23. p.46

47 Részecskefizikai módszerek haszna Világháló: CERN, 1989 nagyvilág: 1994 Müonspin-rezonancia módszere (kémia, szilárdtestfizika) Pozitronemissziós tomográfia, hadronterápia Grid-hálózatok a számítástechnikában Horváth Dezső: A mikrovilág szimmetriái: CERN-kísérletek Kossuth Gimnázium, Debrecen, november 23. p.47

48 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) Lányok, fiúk! Gyertek részecskefizikusnak! Horváth Dezső: A mikrovilág szimmetriái: CERN-kísérletek Kossuth Gimnázium, Debrecen, november 23. p.48

49 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) Horváth Dezső: A mikrovilág szimmetriái: CERN-kísérletek Kossuth Gimnázium, Debrecen, november 23. p.49

50 Köszönetnyilvánítás ASACUSA együttműködés OPAL együttműködés CMS együttműködés Tokiói Egyetem OTKA T033079, T és T TéT JAP-4/00 EU FP6 MC-ToK és IST Horváth Dezső: A mikrovilág szimmetriái: CERN-kísérletek Kossuth Gimnázium, Debrecen, november 23. p.50

51 Köszönöm a figyelmet Horváth Dezső: A mikrovilág szimmetriái: CERN-kísérletek Kossuth Gimnázium, Debrecen, november 23. p.51

52 Szuper-Kamiokande (SKK) Kamioka Nucleon Decay Experiment 1000 m mély Kamiokabányában Belső detektor ( ): Ø39 m 42 m tartály cca t tiszta H 2 O PMT (Ø50 cm!!) p µ > 100 MeV/c ε 100% 2001-ben öngyilkos lett, fokozatos renoválás Külső detektor: vétó: átfutó e, µ n, γ falból 2 m vastag H 2 O (fény is!) 1857 PMT (Ø20 cm) Horváth Dezső: A mikrovilág szimmetriái: CERN-kísérletek Kossuth Gimnázium, Debrecen, november 23. p.52