Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék: az LHC indulása

Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Pécs, 2010 aug. 26. p. 1/43 Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék: az LHC indulása ELFT Vándorgyűlés, Pécs, 2010 aug. 26. Horváth Dezső horvath@rmki.kfki.hu MTA KFKI Részecske és Magfizikai Kutatóintézet, Budapest és MTA Atommagkutató Intézet, Debrecen

Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Pécs, 2010 aug. 26. p. 2/43 Vázlat Mire jók a gyorsítók A CERN és gyorsítói A nagy hadron-ütköztető (Large Hadron Collider, LHC) Az LHC kísérletei: CMS, ALICE, TOTEM, ATLAS 2008. szeptember: átütő siker és katasztrófa 2009 vége: diadalmas újraindulás A részecskefizika haszna Jéki László : Indul a legnagyobb részecskegyorsító 10-részes cikksorozat az LHC-ról: http://origo.hu/tudomany Simon Tamás: http://cernblog.wordpress.com/

Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Pécs, 2010 aug. 26. p. 3/43 A felfedezés rögös (hullámos) útja, 1492 A kutatás frontvonala: Az Atlanti-óceán partja A kutatás célja: India elérése A kutatás eszköze: Columbus hajói A kutatás eredménye: Amerika felfedezése

Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Pécs, 2010 aug. 26. p. 4/43 A felfedezés rögös útja, 2010 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??

A Világegyetem története Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Pécs, 2010 aug. 26. p. 5/43

Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Pécs, 2010 aug. 26. p. 6/43 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...

Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Pécs, 2010 aug. 26. p. 7/43 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 = 10 12 ev kicsi baktérium 10 3 10 5 λ(fény) 10 7 1 ev atom 10 10 1 kev atommag 10 14 1 GeV elektron 10 18 1 TeV Nagyobb energia kisebb távolság mélyebb szerkezet

A Standard Modell állatkertje Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Pécs, 2010 aug. 26. p. 8/43

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 0.02768 m Z [GeV] 91.1875 ± 0.0021 91.1874 Γ Z [GeV] 2.4952 ± 0.0023 2.4959 σ 0 had [nb] 41.540 ± 0.037 41.479 R l 20.767 ± 0.025 20.742 A 0,l fb 0.01714 ± 0.00095 0.01645 A l (P τ ) 0.1465 ± 0.0032 0.1481 R b 0.21629 ± 0.00066 0.21579 R c 0.1721 ± 0.0030 0.1723 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 ± 0.023 80.379 Γ W [GeV] 2.085 ± 0.042 2.092 m t [GeV] 173.3 ± 1.1 173.4 July 2010 0 1 2 3 Állapot 2010 nyarán valamennyi kísérlet sokszáz eredményéből Mért számolt /szórás Enyhén eltérő adat évről évre változik (egy időre így marad) Most éppen a e + e Z b b előre-hátra aszimmetriája LEP elektrogyenge munkacsoport: http://lepewwg.web.cern.ch/ Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Pécs, 2010 aug. 26. p. 9/43

Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Pécs, 2010 aug. 26. p. 10/43 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 χ 2 6 5 4 July 2010 Theory uncertainty α had = α (5) 0.02758±0.00035 0.02749±0.00012 incl. low Q 2 data 3 2 1 2010 Excluded Preliminary 0 30 100 300 m H [GeV] m Limit = 158 GeV 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: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Pécs, 2010 aug. 26. p. 11/43 A Standard Modell problémái Aszimmetriák: jobb bal világ antivilág: mitől? Mi a sötét anyag? Az Univerzum tömegének 4%-a közönséges anyag (csillag, gáz, por, sugárzás, ν), 23 %-a láthatatlan sötét anyag, 73 %-a rejtélyes sötét energia Természetesség: A Higgs-bozon tömege divergál, fermion-bozon szimmetria eltüntetné. Megoldás: szuperszimmetria, ha a fermionok és bozonok párban léteznének, azonos tulajdonságokkal (tömeg, töltés) A szuperszimmetria (SUSY) nyilvánvalóan sérül: nincsenek ilyen részecskék, vagy sokkal nagyobb tömeggel Higgs-tér létező szimmetriát sért SUSY nemlétezőt vezet be Cél: racionális, konzisztens elmélet

Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Pécs, 2010 aug. 26. p. 12/43 Szuperszimmetria (SUSY) SUSY-részecskék párban keletkezhetnek, közönséges és más SUSY-részecskére bomolhatnak Sötét anyag: legkönnyebb SUSY-részecske Végállomás (jel): Fermionsorozat hiányzó energiával Együttműködés elméleti kollégákkal: kiválasztott jellemző pontok ellenőrzése Adott modell és paraméterek számszerű előrejelzés a SUSY-tulajdonságokra és a reakciók valószínűségeire kísérletileg ellenőrizhető az LHC-nál!

Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Pécs, 2010 aug. 26. p. 13/43 A CERN kutatói (felhasználói) 2010: 2800 alkalmazott, 10000 kutató

Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Pécs, 2010 aug. 26. p. 14/43 A CERN gyorsítói ma

A CERN és környéke Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Pécs, 2010 aug. 26. p. 15/43

Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Pécs, 2010 aug. 26. p. 16/43 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 mágneseit szerelik Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Pécs, 2010 aug. 26. p. 17/43

Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Pécs, 2010 aug. 26. p. 18/43 Az LHC CMS detektora Compact Muon Solenoid: 12500 tonnás digitális kamera 100 M pixel, 40 M kép/mp, 1000 GB/mp adat Tárolás: 100 kép/mp szűrés!!

Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Pécs, 2010 aug. 26. p. 19/43 Az LHC CMS detektora (Compact Muon Solenoid) Súly: 12500 tonna, kétszer annyi vas, mint Eiffel toronyban 3600 résztvevő 38 ország 183 intézetéből (34 magyar) 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 RMKI: BUDAPEST LCG-állomás

Munka 160 müonkamrán Béni Noémi és Szillási Zoltán (Debrecen) Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Pécs, 2010 aug. 26. p. 20/43

Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Pécs, 2010 aug. 26. p. 21/43 HF: kvarcszálak acélban (RMKI) Minden CERN-es magyar fűzte Szálkalibráció kész darabon

Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Pécs, 2010 aug. 26. p. 22/43 A CMS elektromágneses kalorimétere 80000 PbWO 4 szcintillátor-hasáb

Beillesztik a CMS mágnesét Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Pécs, 2010 aug. 26. p. 23/43

A CMS belső része Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Pécs, 2010 aug. 26. p. 24/43

A CMS lezáró sapkája Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Pécs, 2010 aug. 26. p. 25/43

LICE: A Large Ion Collider Experiment Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Pécs, 2010 aug. 26. p. 26/43

A TOTEM-kísérlet (a CMS két oldalán) Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Pécs, 2010 aug. 26. p. 27/43

ATLAS: A Toroidal Lhc ApparatuS Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Pécs, 2010 aug. 26. p. 28/43

Worldwide LHC Computing Grid A CMS-kísérlet fő WLCG-állomásai Magyar Tier-2: RMKI, ELTE, BME, NIIFI + ATOMKI RMKI: 426 CPU és 150 TB tároló a CMS és ALICE VO számára) Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Pécs, 2010 aug. 26. p. 29/43

Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Pécs, 2010 aug. 26. p. 30/43 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?

Rengetegféle modell van Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Pécs, 2010 aug. 26. p. 31/43

Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Pécs, 2010 aug. 26. p. 32/43 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 (10 6 10 3 ) Csúf Az érdekes folyamat mellett eseményenként még 10-20 p-p ütközés, hatalmas kombinatorikus háttér.

Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Pécs, 2010 aug. 26. p. 33/43 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, körbevitele: 2008. szept.

Az LHC vezérlőterme, 2008.09.10 Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Pécs, 2010 aug. 26. p. 34/43

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 kiengedett egy csatlakozó két mágnes között. Sokezer volt, ív, lyuk a hűtőrendszer csövén, 6 tonna szuperfolyékony hélium lökésszerűen kifújt, kilökve a helyéről több 35-tonnás mágnest. 53 egységet (39 terelőmágnest és 14 több kisebb mágnest tartalmazó dobozt) javítás céljából a felszínre kellett hozni: csak a felmelegítés hónapokig tartott. A tartalékokból pótolták öket, de a cserére is jó néhány hónap kellett. Ellenőrzés (ellenállás és hőmérséklet mérése, vészszelepek) beépítve, nehogy megismétlődjék. Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Pécs, 2010 aug. 26. p. 35/43

LHC-mágnes a baleset után Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Pécs, 2010 aug. 26. p. 36/43

Többkvarkos CMS-esemény 7 TeV-nél Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Pécs, 2010 aug. 26. p. 37/43

Sokhadronos ATLAS-esemény 7 TeV-nél Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Pécs, 2010 aug. 26. p. 38/43

Sokhadronos ALICE-esemény 7 TeV-nél Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Pécs, 2010 aug. 26. p. 39/43

Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Pécs, 2010 aug. 26. p. 40/43 Veszélyeztetjük-e a Naprendszert? Bizonyos elméleti modellek szerint nagyenergiájú p-p ütközésben keletkezhetnek mikroszkópikus fekete lyukak. Kis tömegüek, azonnal elpárolognak. Ezek, ha léteznek, a Napnál sokszorta nehezebb, csillagászati fekete lyukaknak csak névrokonuk. 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 vicc: LHC Doomsday Sok komolyabb YouTube video, pl. Large Hadron Rap

Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Pécs, 2010 aug. 26. p. 41/43 Részecskefizikai módszerek haszna Világháló: CERN, 1989 nagyvilág: 1994 Müonspin-rezonancia módszere (kémia, szilárdtestfizika) Pozitronemissziós tomográfia az orvosi diagnosztikában Részecskefizika: 120 gyorsító, gyógyászat: 7000, anyagtudomány: 7000 (2004-es adatok) Grid-hálózatok a számítástechnikában Az órási méretek miatt komoly technikai fejlesztéseket indukál: 100000 egyforma műszerre tender! Élenjáró programozástechnikai gyakorlat: bankok előszeretettel alkalmaznak HEP-PhD-t szerzett fizikusokat (rossz nyelvek szerint ennek köszönhető a jelenlegi világválság)

Köszönöm a figyelmet! Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Pécs, 2010 aug. 26. p. 42/43

Horváth Dezső: Óriási gyorsítók és pirinyó részecskék Pécs, 2010 aug. 26. p. 43/43 Köszönetnyilvánítás Nemzeti Kutatási és Technológiai Hivatal OTKA NK67974, K72172 és NK81887 Magyar és Osztrák Tudományos Akadémia TéT JAP-21/2006 és Tokiói Egyetem Megértő együttműködő partnereink