Indul az LHC: célok, sikerek, problémák

Horváth Dezső: Indul az LHC: célok, sikerek, problémák SZBK, Szeged, 2008. nov. 24. p. 1/53 Indul az LHC: célok, sikerek, problémák Horváth Dezső MTA KFKI Részecske és Magfizikai Kutatóintézet, Budapest és ATOMKI, Debrecen

Horváth Dezső: Indul az LHC: célok, sikerek, problémák SZBK, Szeged, 2008. nov. 24. p. 2/53 Vázlat Szimmetriák, részecskék és kölcsönhatások CERN és gyorsítói A nagy hadron-ütköztető (Large Hadron Collider, LHC) A Compact Muon Solenoid (CMS) kísérlet 2008. szeptember 10: átütő siker 2008. szeptember 19: katasztrófa Hogyan tovább? A részecskefizika haszna Jéki László: Indul a legnagyobb részecskegyorsító 10-részes cikksorozat az LHC-ról: http://origo.hu/tudomany

Horváth Dezső: Indul az LHC: célok, sikerek, problémák SZBK, Szeged, 2008. nov. 24. p. 3/53 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: Indul az LHC: célok, sikerek, problémák SZBK, Szeged, 2008. nov. 24. p. 4/53 Az atomtól a kvarkig 10 10 m 10 14 m 10 15 m < 10 18 m

LHC = időgép?? Horváth Dezső: Indul az LHC: célok, sikerek, problémák SZBK, Szeged, 2008. nov. 24. p. 5/53

Horváth Dezső: Indul az LHC: célok, sikerek, problémák SZBK, Szeged, 2008. nov. 24. p. 6/53 A mikrovilág vizsgálata: nagy energia Planck-állandó: h = h/(2π) = 1,055 10 34 J s = 1 Fénysebesség: c = 3 10 8 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 = 10 12 ev Einstein: E = mc 2 [m] = GeV/c 2 = GeV baktérium 10 5 λ(fény) 10 7 1 ev atom 10 10 1 kev atommag 10 14 1 GeV elektron 10 18 1 TeV Heisenberg: E t h/2; p x h/2 Nagyobb energia kisebb távolság mélyebb szerkezet

Horváth Dezső: Indul az LHC: célok, sikerek, problémák SZBK, Szeged, 2008. nov. 24. p. 7/53 Szimmetriák a részecskefizikában fontosabbak, mint kémiában vagy szilárdtestfizikában Noether tétel: Globális szimmetria megmaradási törvény Eltolás térben 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

Horváth Dezső: Indul az LHC: célok, sikerek, problémák SZBK, Szeged, 2008. nov. 24. p. 8/53 Spontán szimmetriasértés tömeg Szabad fermion Higgsbozon David J. Miller és CERN: http://www.hep.ucl.ac.uk/ djm/higgsa.html

A Standard Modell állatkertje Horváth Dezső: Indul az LHC: célok, sikerek, problémák SZBK, Szeged, 2008. nov. 24. p. 9/53

A CERN 20 tagországa Horváth Dezső: Indul az LHC: célok, sikerek, problémák SZBK, Szeged, 2008. nov. 24. p. 10/53

A CERN kutatói (felhasználói) Horváth Dezső: Indul az LHC: célok, sikerek, problémák SZBK, Szeged, 2008. nov. 24. p. 11/53

Horváth Dezső: Indul az LHC: célok, sikerek, problémák SZBK, Szeged, 2008. nov. 24. p. 12/53 A CERN gyorsítói: múlt és jövő LEP: 1989 2000 LHC: 2008 202?

nagy elektron-pozitron ütköztető (LEP) Horváth Dezső: Indul az LHC: célok, sikerek, problémák SZBK, Szeged, 2008. nov. 24. p. 13/53

Horváth Dezső: Indul az LHC: célok, sikerek, problémák SZBK, Szeged, 2008. nov. 24. p. 14/53 Kalorimetria A CMS-detektor (Compact Muon Solenoid) szelete

Horváth Dezső: Indul az LHC: célok, sikerek, problémák SZBK, Szeged, 2008. nov. 24. p. 15/53 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: Indul az LHC: célok, sikerek, problémák SZBK, Szeged, 2008. nov. 24. p. 16/53 A Standard Modell diadalútja Measurement Fit O meas O fit /σ meas 0 1 2 3 α (5) had (m Z ) 0.02758 ± 0.00035 0.02767 m Z [GeV] 91.1875 ± 0.0021 91.1875 Γ Z [GeV] 2.4952 ± 0.0023 2.4958 σ 0 had [nb] 41.540 ± 0.037 41.478 R l 20.767 ± 0.025 20.743 A 0,l fb 0.01714 ± 0.00095 0.01644 A l (P τ ) 0.1465 ± 0.0032 0.1481 R b 0.21629 ± 0.00066 0.21582 R c 0.1721 ± 0.0030 0.1722 A 0,b fb 0.0992 ± 0.0016 0.1038 A 0,c fb 0.0707 ± 0.0035 0.0742 A b 0.923 ± 0.020 0.935 A c 0.670 ± 0.027 0.668 A l (SLD) 0.1513 ± 0.0021 0.1481 sin 2 θ lept eff (Q fb ) 0.2324 ± 0.0012 0.2314 m W [GeV] 80.399 ± 0.025 80.376 Γ W [GeV] 2.098 ± 0.048 2.092 m t [GeV] 172.4 ± 1.2 172.5 July 2008 0 1 2 3 Állapot 2008 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: http://lepewwg.web.cern.ch/

Horváth Dezső: Indul az LHC: célok, sikerek, problémák SZBK, Szeged, 2008. nov. 24. p. 17/53 De hol van a Higgs-bozon? A spontán szimmetriasértés mellékterméke A fizika legkeresettebb részecskéje, mivel a Standard Modell egyetlen hiányzó alkatrésze. Kísérletileg (még?) nem figyeltük meg, LEP: M(H) > 114.4 GeV Az elmélet szerint léteznie kell mert tömeget teremt és rendbeteszi a divergenciákat It was in 1972... that my life as a boson really began 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) 86-88.

Horváth Dezső: Indul az LHC: célok, sikerek, problémák SZBK, Szeged, 2008. nov. 24. p. 18/53 A Standard Modell problémái Gravitáció? S = 2 graviton? Aszimmetriák: jobb bal világ antivilág Mesterséges tömegkeltés: Higgs-tér kívülről 19 szabad paraméter: túl sok?? Miért éppen 3 fermioncsalád? Töltéskvantálás: Q e = Q p, Q d = Q e /3 Nukleon spinje: hogyan áll össze 1/2-dé? Univerzum tömegének 20%-a láthatatlan sötét anyag?? A SM három kölcsönhatási állandója konvergál, de nem találkozik nagy energián. Egyesülő kölcsönhatások? Természetesség: A Higgs-bozon tömege divergál, fermion-bozon szimmetria eltüntetné Szuperszimmetria! Mindent rendbehoz, ha létezik. LHC?

A CERN és környéke Horváth Dezső: Indul az LHC: célok, sikerek, problémák SZBK, Szeged, 2008. nov. 24. p. 19/53

Horváth Dezső: Indul az LHC: célok, sikerek, problémák SZBK, Szeged, 2008. nov. 24. p. 20/53 Az LHC eltérítő-mágnesei 1232 szupravezető mágnes (beszerelés előtt) (L = 15 m, M = 35 t, T = 1.9 K, B = 8.3 T)

Az LHC eltérítő-mágnese: elv Horváth Dezső: Indul az LHC: célok, sikerek, problémák SZBK, Szeged, 2008. nov. 24. p. 21/53

z LHC eltérítő-mágnese: keresztmetszet Horváth Dezső: Indul az LHC: célok, sikerek, problémák SZBK, Szeged, 2008. nov. 24. p. 22/53

Az LHC mágnesei összeszerelve Horváth Dezső: Indul az LHC: célok, sikerek, problémák SZBK, Szeged, 2008. nov. 24. p. 23/53

Horváth Dezső: Indul az LHC: célok, sikerek, problémák SZBK, Szeged, 2008. nov. 24. p. 24/53 Az LHC CMS detektora 12500 tonnás digitális kamera: 100 M pixel, 40 M kép/mp, 1000 GB/mp adat Tárolás: 100 kép/mp szűrés!!

Horváth Dezső: Indul az LHC: célok, sikerek, problémák SZBK, Szeged, 2008. nov. 24. p. 25/53 Az LHC CMS detektora (Compact Muon Solenoid) Súly: 12500 tonna, kétszer annyi vas, mint Eiffel toronyban 2500 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: 2006. nov. 11. Adatkezelés: LHC Computing Grid LCG-állomás RMKI: BUDAPEST

Horváth Dezső: Indul az LHC: célok, sikerek, problémák SZBK, Szeged, 2008. nov. 24. p. 26/53 Magyar részvétel a CMS-kísérletben: MTA KFKI RMKI, Budapest (18 fő) Debreceni Egyetem Kísérleti Fiz. Int. (9 fő) MTA ATOMKI, Debrecen (7 fő) Összesen: 34 magyar kutató

Munka a müonkamrákon Béni Noémi és Szillási Zoltán (Debrecen) Horváth Dezső: Indul az LHC: célok, sikerek, problémák SZBK, Szeged, 2008. nov. 24. p. 27/53

Horváth Dezső: Indul az LHC: célok, sikerek, problémák SZBK, Szeged, 2008. nov. 24. p. 28/53 HF: kvarcszálak acélban Minden CERN-es magyar fűzte Szálkalibráció kész darabon

A CMS mágnese Horváth Dezső: Indul az LHC: célok, sikerek, problémák SZBK, Szeged, 2008. nov. 24. p. 29/53

A CMS egyik szelete Horváth Dezső: Indul az LHC: célok, sikerek, problémák SZBK, Szeged, 2008. nov. 24. p. 30/53

A CMS belső része Horváth Dezső: Indul az LHC: célok, sikerek, problémák SZBK, Szeged, 2008. nov. 24. p. 31/53

A CMS lezáró sapkája Horváth Dezső: Indul az LHC: célok, sikerek, problémák SZBK, Szeged, 2008. nov. 24. p. 32/53

LICE: A Large Ion Collider Experiment Horváth Dezső: Indul az LHC: célok, sikerek, problémák SZBK, Szeged, 2008. nov. 24. p. 33/53

ATLAS: mágnesek Horváth Dezső: Indul az LHC: célok, sikerek, problémák SZBK, Szeged, 2008. nov. 24. p. 34/53

Worldwide LHC Computing Grid A CMS-kísérlet fő WLCG-állomásai Magyar Tier-2: RMKI, ELTE, BME (320, 40 és 14 CPU a CMS és ALICE VO számára) Horváth Dezső: Indul az LHC: célok, sikerek, problémák SZBK, Szeged, 2008. nov. 24. p. 35/53

Horváth Dezső: Indul az LHC: célok, sikerek, problémák SZBK, Szeged, 2008. nov. 24. p. 36/53 Ütközőnyaláb hozama: luminozitás L = f n N 1N 2 A f : körfrekvencia; n: csomagok száma N 1,N 2 részecske/csomag; A: nyalábok átfedése Integrális luminozitás: (fb 1 ) Gyorsító ütközési időszak R Ldt energia (fb 1 ) Tevatron 2 TeV 2001-2006 2,5 LHC 14 TeV első pár nap 0,1 LHC 14 TeV első pár hónap 1 LHC 14 TeV első év (kis int.) 10

Horváth Dezső: Indul az LHC: célok, sikerek, problémák SZBK, Szeged, 2008. nov. 24. p. 37/53 Az LHC működésének első időszaka 1. Értsük meg a detektort: működés, trigger, kalibráció 2. Mennyire hiteles a szimulációnk? Leírja a SM folyamatait és a detektort? Egyezik a mért adatokkal? 3. Keresd, amit vársz, vedd észre, amit nem vársz. Látunk eltérést (többletet) valamilyen eloszlásban a háttérszimulációhoz képest? Új fizika vagy hibás háttérbecslés? 4. Új fizika? Keresünk többletet, hiányt vagy más jellegzetes tulajdonságokat (Higgs-bozon, SUSY,...) 5. Ha tényleg új fizika: Micsoda? Melyik modell? Milyen paraméterekkel?

Horváth Dezső: Indul az LHC: célok, sikerek, problémák SZBK, Szeged, 2008. nov. 24. p. 38/53 LHC: a Jó, a Rossz és a Csúf Jó Hatalmas felfedezési potenciál: nagy energia, sokféle ütközés, óriási luminozitás. Rossz Az érdekesebb dolgok előfordulási gyakorisága 10 6 10 3 Csúf Az érdekes folyamat mellett eseményenként még 10-20 p-p ütközés, hatalmas kombinatorikus háttér.

Horváth Dezső: Indul az LHC: célok, sikerek, problémák SZBK, Szeged, 2008. nov. 24. p. 39/53 Veszélyeztetjük-e a Naprendszert? Galaxisok magjában fekete lyukak black hole, BH: M BH > 3 naptömeg, R BH pár km Bizonyos elméleti modellek szerint nagyenergiájú p-p ütközésben keletkezhetnek mikroszkópikus fekete lyukak. Kis tömegüek, azonnal elpárolognak. 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

Rengetegféle modell van Horváth Dezső: Indul az LHC: célok, sikerek, problémák SZBK, Szeged, 2008. nov. 24. p. 40/53

Horváth Dezső: Indul az LHC: célok, sikerek, problémák SZBK, Szeged, 2008. nov. 24. p. 41/53 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: 2001 9300 mágnes ellenőrzése (javítása!), levitele, összehegesztése: 2002-2007. Mágnesek lehűtése 1,9 K-re (hidegebb, mint a világűr): 2008 jan-aug Protoncsomag belövése: 2008. szept.

Az LHC működési elve Horváth Dezső: Indul az LHC: célok, sikerek, problémák SZBK, Szeged, 2008. nov. 24. p. 42/53

Az LHC vezérlőterme, 2008.09.10 Horváth Dezső: Indul az LHC: célok, sikerek, problémák SZBK, Szeged, 2008. nov. 24. p. 43/53

Horváth Dezső: Indul az LHC: célok, sikerek, problémák SZBK, Szeged, 2008. nov. 24. p. 44/53 2008.09.10: protonok körbemennek!! 09:35 10:15 10:17 10:25

Horváth Dezső: Indul az LHC: célok, sikerek, problémák SZBK, Szeged, 2008. nov. 24. p. 45/53 elkészülés a gyorsító-üzemmódra: a hiba A dipólmágnesek áramának fokozatos növelése (kb. 9000 A-re) szektoronként történt. A 8 szektorból 7 áramát sikeresen felhozták Szept. 19: A 8.-nál kiolvadt egy forrasztás két mágnes között. Sokezer volt, ív, lyuk a hűtőrendszer csövén, több tonna szuperfolyékony hélium lökésszerűen kifúj, kilökve a helyéről több 35-tonnás mágnest. Mintegy 20 mágnest javítás céljából a felszínre kell hozni: a felmelegítés nagyon lassú, hónapokig tartott. A 48 tartalékmágnesből pótolják öket, de a cserére két hónap kell.

LHC-szektorok 2008.10.11-én Horváth Dezső: Indul az LHC: célok, sikerek, problémák SZBK, Szeged, 2008. nov. 24. p. 46/53

Horváth Dezső: Indul az LHC: célok, sikerek, problémák SZBK, Szeged, 2008. nov. 24. p. 47/53 Az LHC jövőre tényleg elindul Idén ugyan az LHC nem fog működni, de jövőre a tervezettnél korábban (június helyett talán már májusban) el tudják indítani, mert a javítás és csere idején a gyorsítórendszeren el tudnak végezni különböző munkákat. A kísérleteknek az eset két okból hátrányos: Nincs mért adat 900 GeV-es protonütközésekkel ellenőrzéshez és kalibrációhoz. Előbb zárják jövőre az LHC-t, akkorra megrendelt detektorelemeket nem tudnak beszerelni. Ilyen hibák mindig előfordulhatnak; az lenne a csoda, ha egyből minden működne egy ennyire bonyolult rendszeren...

Horváth Dezső: Indul az LHC: célok, sikerek, problémák SZBK, Szeged, 2008. nov. 24. p. 48/53 Részecskefizikai módszerek haszna Világháló: CERN, 1989 nagyvilág: 1994 Müonspin-rezonancia módszere (kémia, szilárdtestfizika) Pozitronemissziós tomográfia, hadronterápia Grid-hálózatok a számítástechnikában

Számítástechnika: világháló Horváth Dezső: Indul az LHC: célok, sikerek, problémák SZBK, Szeged, 2008. nov. 24. p. 49/53

Horváth Dezső: Indul az LHC: célok, sikerek, problémák SZBK, Szeged, 2008. nov. 24. p. 50/53 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: 100000 egyforma műszerre tender! Élenjáró programozástechnikai gyakorlat (bankok előszeretettel alkalmaznak HEP-PhD-t szerzett fizikusokat)

Horváth Dezső: Indul az LHC: célok, sikerek, problémák SZBK, Szeged, 2008. nov. 24. p. 51/53 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: Indul az LHC: célok, sikerek, problémák SZBK, Szeged, 2008. nov. 24. p. 52/53 Köszönetnyilvánítás Nemzeti Kutatási és Technológiai Hivatal OTKA NK67974, K72172 és H07C-74153 EU FP6 MC-ToK 509252 és FP7 III 031688 Magyar és Osztrák Tudományos Akadémia TéT JAP-21/2006 és Tokiói Egyetem Megértő együttműködő partnereink

Köszönöm a figyelmet Horváth Dezső: Indul az LHC: célok, sikerek, problémák SZBK, Szeged, 2008. nov. 24. p. 53/53