Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék: az LHC első két éve

Átírás

1 Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Berzsenyi Gimnázium, p. 1/50 Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék: az LHC első két éve Berzsenyi Dániel Gimnázium, Budapest, Horváth Dezső MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont, Részecske és Magfizikai Intézet, Budapest és MTA Atommagkutató Intézet, Debrecen

2 Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Berzsenyi Gimnázium, p. 2/50 Vázlat Részecskék és kölcsönhatások A standard modell diadala és problémái A CERN és gyorsítói A nagy hadron-ütköztető (Large Hadron Collider, LHC) A Compact Muon Solenoid (CMS) kísérlet Mégis, hol van a Higgs-bozon? Fénynél gyorsabb neutrínók?? A részecskefizika haszna Simon Tamás (origo): nyomon követi az LHC működését

3 Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Berzsenyi Gimnázium, p. 3/50 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: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Berzsenyi Gimnázium, p. 4/50 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 Az atomi elektron gömbfelületi pályáján nem mozoghat, mert sugározna, csak egyszerre minden pontjában ott van bizonyos valószínűséggel. A csillagból jövő fénysugár ugyanúgy gömbfelületen terjed, mégis egészében a távcsőben végzi. A matematika minden adatot szépen visszaad!

5 Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Berzsenyi Gimnázium, p. 5/50 LHC = időgép?? Kezdet: ősrobbanás 13,7 milliárd éve Hogyan mehetünk vissza időben, az Ősrobbanás közelébe? Földi távcső: 4 milliárd év a Nagy Bumm után (Európai Déli Obszervatórium, Chile, Very Large Telescope) Űrtávcső: Néhányszáz millió év a Nagy Bumm után (fiatal galaxisok: Hubble, Planck space telescope) Mikrohullámú kozmikus háttérsugárzás: Párszázezer év (amikor az atomok kialakultak, és az Univerzum átlátszó lett). Nagyenergiájú részecskeütközés: Milliomod másodperc (mielőtt az atommagok kialakultak volna) Ükanyánkkal nem találkozunk...

6 Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Berzsenyi Gimnázium, p. 6/50 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

7 Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Berzsenyi Gimnázium, p. 7/50 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

8 Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Berzsenyi Gimnázium, p. 8/50 A felfedezés rögös útja, 1492 A kutatás frontvonala: Az Atlanti-óceán partja A kutatás célja: India elérése A kutatás eszköze: Columbus hajói A kutatás eredménye: Amerika felfedezése

9 Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Berzsenyi Gimnázium, p. 9/50 A felfedezés rögös útja, 2012 A kutatás frontvonala: Az anyag mély szerkezete A kutatás célja: Higgs-bozon, ősrobbanás utáni állapot A kutatás eszköze: nagyenergiájú gyorsítók A kutatás eredménye: Új fizika??

10 Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Berzsenyi Gimnázium, p. 10/50 A CERN 20 tagországa + Románia, Izrael, Szerbia + Ciprus, Szlovénia, Töröko.

11 A CERN kutatói (felhasználói) 2800 alkalmazott kutató diák (Olasz > német > amerikai > orosz > francia) Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Berzsenyi Gimnázium, p. 11/50

12 Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Berzsenyi Gimnázium, p. 12/50 A CERN gyorsítói: múlt és jelen LEP: LHC: ?

13 Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Berzsenyi Gimnázium, p. 13/50 A standard modell állatkertje A Higgs-részecskén kívül mind megvan

14 A Fizikai Szemle melléklete (2008 aug.) Horváth Dezs o: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Berzsenyi Gimnázium, p. 14/50

15 Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Berzsenyi Gimnázium, p. 15/50 De hol van a Higgs-bozon? 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 az egyenleteket χ July 2011 m Limit = 161 GeV Theory uncertainty α (5) had = ± ± incl. low Q 2 data Excluded m H [GeV] 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)

16 Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Berzsenyi Gimnázium, p. 16/50 A standard modell problémái Gravitáció? 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 Az Univerzum tömegének csak 4%-át írja le, 23% láthatatlan sötét anyag, 73% rejtélyes sötét energia?? Természetesség: A Higgs-bozon tömege divergál, fermion-bozon szimmetria eltüntetné Szuperszimmetria mindent rendbehozna. Létezik? LHC!

17 A CERN és környéke Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Berzsenyi Gimnázium, p. 17/50

18 Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Berzsenyi Gimnázium, p. 18/50 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: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Berzsenyi Gimnázium, p. 19/50

20 Szerelik az LHC mágneseit Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Berzsenyi Gimnázium, p. 20/50

21 Az LHC mágnesei összeszerelve Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Berzsenyi Gimnázium, p. 21/50

22 Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Berzsenyi Gimnázium, p. 22/50 Az LHC CMS detektora Compact Muon Solenoid: tonnás digitális kamera 100 M pixel, 20 M kép/sec, 1000 GB/sec adat Tárolás: kép/sec szűrés!!

23 Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Berzsenyi Gimnázium, p. 23/50 Az LHC CMS detektora (Compact Muon Solenoid) Súly: tonna, kétszer annyi vas, mint Eiffel toronyban > 3000 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 Munka 160 müonkamrán Béni Noémi és Szillási Zoltán (Debrecen) Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Berzsenyi Gimnázium, p. 24/50

25 Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Berzsenyi Gimnázium, p. 25/50 HF: kvarcszálak acélban Minden CERN-es magyar fűzte Szálkalibráció kész darabon

26 A CMS mágnese a helyére kerül Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Berzsenyi Gimnázium, p. 26/50

27 A CMS belső része Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Berzsenyi Gimnázium, p. 27/50

28 LICE: A Large Ion Collider Experiment Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Berzsenyi Gimnázium, p. 28/50

29 ATLAS: A Toroidal Lhc ApparatuS Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Berzsenyi Gimnázium, p. 29/50

30 Worldwide LHC Computing Grid A CMS-kísérlet fő WLCG-állomásai Magyar Tier-2: BUDAPEST (RMKI) (500 CPU, 280 TB tároló a CMS és ALICE VO számára) Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Berzsenyi Gimnázium, p. 30/50

31 Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Berzsenyi Gimnázium, p. 31/50 A CMS Tier-2-i: megbízhatóság Az RMKI T-2 állomása gyorsabban javult, mint a többi, és felverekedte magát a 2. helyre LHC működése alatt ( ) 2. hely!.

32 Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Berzsenyi Gimnázium, p. 32/50 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 Az LHC vezérlőterme, Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Berzsenyi Gimnázium, p. 33/50

34 Az LHC remekül működik! Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Berzsenyi Gimnázium, p. 34/50

35 Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Berzsenyi Gimnázium, p. 35/50 Adatgyűjtés 7 TeV-nél Az LHC által szállított adatmennyiség 7 TeV-nél LHC 2010: 0,05 fb terv: 1,0 fb 1 ; tény: 5,7 fb 1 Vízszintes szakaszok: gyorsítófejlesztés 2010: százmilliószoros növekedés 8 hónap alatt! 2011: 1000 intenzitás! 2 energia: 2014?

36 Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Berzsenyi Gimnázium, p. 36/50 Sokhadronos CMS-esemény 7 TeV-nél 13 azonosított p-p ütközés egy eseményben!

37 Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Berzsenyi Gimnázium, p. 37/50 A Higgs-bozon még nincs meg A Higgs-bozon tömege 116 és 127 GeV között várható (ahol a legtöbb egymással versengő folyamat van)

38 Pb-Pb ütközés az ALICE-ban Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Berzsenyi Gimnázium, p. 38/50

39 Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Berzsenyi Gimnázium, p. 39/50 Neutrínókísérletek Bányában, alagútban, víz és jég alatt

40 CNGS: CERN neutrínók Gran Sasso-ba Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Berzsenyi Gimnázium, p. 40/50

41 ran Sasso: neutronészlelő laboratórium Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Berzsenyi Gimnázium, p. 41/50

42 Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Berzsenyi Gimnázium, p. 42/50 Gran Sasso: Az OPERA detektor Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus

43 OPERA: neutrínósebesség mérése Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Berzsenyi Gimnázium, p. 43/50

44 Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Berzsenyi Gimnázium, p. 44/50 OPERA: fénynél gyorsabbak??? CNGS: CERN-neutrínók (SPS) Gran Sassoba (732 km) OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus) detektor: müon-neutrínó észlelése 3 év alatt Neutrínók előbb érkeztek, mint a vákuumbeli fénysebesség: ( t = 57.8±7.8 (stat.) (sziszt.)) ns Szerzők (174 fizikus 11 ország 31 intézetéből): a kísérleti bizonytalansággal nem tudják magyarázni, de amíg meg nem erősítik, nem próbálnak fizikai értelmezést fűzni hozzá. Megteszik mások, > 100 elméleti cikk 2 hét alatt. Ellenőrzés: MINOS kísérlet (USA) és T2K (Japán)

45 Nagy távolságú gyorsítós kísérletek ν-oszcilláció vizsgálatára CNGS: CERN-ν Gran Sasso: 732 km K2K: KEK-ν Kamioka: 250 km Fermilab-ν MINOS: 730 km Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Berzsenyi Gimnázium, p. 45/50

46 Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Berzsenyi Gimnázium, p. 46/50 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

47 Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Berzsenyi Gimnázium, p. 47/50 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...

48 Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Berzsenyi Gimnázium, p. 48/50 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)

49 Köszönöm a figyelmet Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Berzsenyi Gimnázium, p. 49/50

50 Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Berzsenyi Gimnázium, p. 50/50 Köszönetnyilvánítás Nemzeti Kutatási és Technológiai Hivatal OTKA NK67974, NK81447, 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