Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata Simonyi nap, 2006. okt. 18. Horváth Dezső Horváth Dezső: Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata Simonyi-nap, RMKI, 2006. október 18. p.1
Vázlat A részecskefizika szimmetriái A paritásszimmetria és sértése Antirészecskék és a CPT-szimmetria Elveszett szimmetriák keresése Apropó: a paritássértés 50 éve Horváth Dezső: Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata Simonyi-nap, RMKI, 2006. október 18. p.2
Szimmetriák a részecskefizikában még fontosabbak, mint a 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 Spontán szimmetriasértés (Higgs-mechanizmus) tömegek, kiszámíthatóság Horváth Dezső: Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata Simonyi-nap, RMKI, 2006. október 18. p.3
A Standard Modell állatkertje Horváth Dezső: Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata Simonyi-nap, RMKI, 2006. október 18. p.4
Spontán szimmetriasértés tömeg Courtesy of David J. Miller and CERN: http://www.hep.ucl.ac.uk/ djm/higgsa.html Horváth Dezső: Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata Simonyi-nap, RMKI, 2006. október 18. p.5
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 0.02766 m Z [GeV] 91.1875 ± 0.0021 91.1874 Γ Z [GeV] 2.4952 ± 0.0023 2.4957 σ 0 had [nb] 41.540 ± 0.037 41.477 R l 20.767 ± 0.025 20.744 A 0,l fb 0.01714 ± 0.00095 0.01640 A l (P τ ) 0.1465 ± 0.0032 0.1479 R b 0.21629 ± 0.00066 0.21585 R c 0.1721 ± 0.0030 0.1722 A 0,b fb 0.0992 ± 0.0016 0.1037 A 0,c fb 0.0707 ± 0.0035 0.0741 A b 0.923 ± 0.020 0.935 A c 0.670 ± 0.027 0.668 A l (SLD) 0.1513 ± 0.0021 0.1479 sin 2 θ lept eff (Q fb ) 0.2324 ± 0.0012 0.2314 m W [GeV] 80.392 ± 0.029 80.371 Γ W [GeV] 2.147 ± 0.060 2.091 m t [GeV] 171.4 ± 2.1 171.7 0 1 2 3 Summer 2006 status 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: Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata Simonyi-nap, RMKI, 2006. október 18. p.6
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, 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 (Peter Higgs: Int. J. Mod. Phys. A 17 Suppl. (2002) 86-88.) Horváth Dezső: Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata Simonyi-nap, RMKI, 2006. október 18. p.7
Tükrözési szimmetriák Töltéstükrözés: C p(r,t)> = p(r,t)> Tértükrözés: Időtükrözés: P p(r,t)> = p( r,t)> T p(r,t)> = p(r, t)> Mindhárom szimmetria triviális... C töltés: elektromágneses és erős invariáns P paritás: erős és e-m kh.: gömbszimm. potenciál T időtükrözés: miért bántana? Gyenge kölcsönhatás??? T. Nakada, CERN Horváth Dezső: Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata Simonyi-nap, RMKI, 2006. október 18. p.8
Térbeli tükrözés: paritás Koordinátarendszer valamennyi tengelyének tükrözése: jobbkezes balkezes rendszer D. Kirkby, APS, 2003 Horváth Dezső: Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata Simonyi-nap, RMKI, 2006. október 18. p.9
Paritássértés β-bomlásban A τ θ paradoxon: Két részecske azonos tulajdonságokkal, csak a paritásuk különböző: τ + 2π θ + 3π (J P (π) = 1 ) Tsung-Dao Lee és Chen-Ning Yang: Question of Parity Conservation in Weak Interactions Phys. Rev. 104 (1956) 254-258. (50-éves évforduló!) Paritásmegmaradás kísérleti bizonyítékai elektromágneses jelenségekre Gyenge kh. sérti paritást, τ + θ + ( K + ) Javaslatok kísérleti ellenőrzésre Kísérleti igazolás: Chien-Shiung Wu et al. (és Richard L. Garwin et al.), 1957 Nobel-díj: Lee és Yang, 1957 Horváth Dezső: Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata Simonyi-nap, RMKI, 2006. október 18. p.10
A Wu-kísérlet C.S. Wu és társai: Phys. Rev. 105 (1957) 1413-1414 60 Co bomlása mágneses térben (T < 0,1 K) 60 Co 60 Ni +e +ν e n p +e +ν e J = 5 J = 4 + 1 2 + 1 2 Tükörszimmetria maximális sérülése Maximális paritássértés balra polarizált részecskék jobbkezes antirészecskék Nem tudom elhinni, hogy Isten balkezes (Wolfgang Pauli) Horváth Dezső: Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata Simonyi-nap, RMKI, 2006. október 18. p.11
A paritássértés felfedezése: kísérlet Phys. Rev. 105 (1957) 1413-1414 Phys. Rev. 105 (1957) 1415-1417 A tudományos etika és kollegialitás gyönyörű példája: Wu csoportja hónapokig dolgozott a kísérleten. Garwinék 1 napot mértek, 1 hetet értékeltek, aztán vártak Wu-ra Horváth Dezső: Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata Simonyi-nap, RMKI, 2006. október 18. p.12
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: Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata Simonyi-nap, RMKI, 2006. október 18. p.13
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 (Zalán Péter) Horváth Dezső: Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata Simonyi-nap, RMKI, 2006. október 18. p.14
Az antiproton tömege és töltése Protoné jól ismert: m(p)/m(e) = 1836.15267261(85) q(e) = 1.602176462(63) C Pontosság: 5 10 10 és 4 10 8 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: Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata Simonyi-nap, RMKI, 2006. október 18. p.15
Az antiproton tömege és töltése Principal quantum number n=31 p _ 4 He + 264.7 287.4 n=31 296.1 32 364.4 32 372.6 33 463.9 525.5 470.7 34 672.8 597.3 726.1 l = 30 31 32 33 34 35 33 593.4 723.9 34 35 35 metastable states 40 39 38 37 36 p _ 3 He + short-lived states Orbital quantum number 38 37 36 p + He LEAR δm M p p [10-6 ] Q p / M p allowed region -2-1.5-1 -0.5 0.5 1 1.5 2 + phe AD Felső határ CPT sértésre: 2 ppb (2 10 9 ) 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) 243401. 2 1.5 1 0.5-0.5-1 -1.5-2 δq Q p p [10-6 ] Horváth Dezső: Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata Simonyi-nap, RMKI, 2006. október 18. p.16
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) 350000 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) 023401. Horváth Dezső: Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata Simonyi-nap, RMKI, 2006. október 18. p.17
Nem találtunk új részecskét a LEP-nél, építsünk LHC-t! Horváth Dezső: Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata Simonyi-nap, RMKI, 2006. október 18. p.18
Nem találtunk új részecskét a LEP-nél, építsünk LHC-t! Horváth Dezső: Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata Simonyi-nap, RMKI, 2006. október 18. p.19
Az LHC CMS detektora Horváth Dezső: Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata Simonyi-nap, RMKI, 2006. október 18. p.20
Az LHC CMS detektora (Compact Muon Solenoid) Súly: 12500 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 Kővári Kálmán előadása Horváth Dezső: Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata Simonyi-nap, RMKI, 2006. október 18. p.21
CMS HF: kvarcszálak Minden CERN-es magyar dugdosta: Fodor Rita Horváth Dezső: Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata Simonyi-nap, RMKI, 2006. október 18. p.22
CMS HF: kész elemek Horváth Dezső: Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata Simonyi-nap, RMKI, 2006. október 18. p.23
Muonkamrák: előkészítés Béni Noémi (Debrecen) a WC-kefével Horváth Dezső: Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata Simonyi-nap, RMKI, 2006. október 18. p.24
Higgs keresés a CMS nél Proton-proton-ütközésből (uud + uud) sok hadron LHC: regisztrált eseményben 10-15 p-p kölcsönhatás Tiszta jel: nyalábra merőleges lepton vagy zápor, Nagyobb tömegű részecskét könnyebb azonosítani. Higgs-tömeg m H < 120 GeV m H < 150 GeV m H < 2m Z kedvező reakció pp HW b blν H γγ H WW l + νl ν H ZZ l + l l + l 2m Z < m H < 700 GeV H W + W l + νl ν H ZZ l + l q q m H > 350 GeV H tt W + b W b Horváth Dezső: Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata Simonyi-nap, RMKI, 2006. október 18. p.25
H ZZ eeqq a CMS nél Horváth Dezső: Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata Simonyi-nap, RMKI, 2006. október 18. p.26
H γγ a CMS nél A CMS elektromágneses kaloriméterét erre optimalizálták Horváth Dezső: Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata Simonyi-nap, RMKI, 2006. október 18. p.27
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: Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata Simonyi-nap, RMKI, 2006. október 18. p.28
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: Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata Simonyi-nap, RMKI, 2006. október 18. p.29
Szuperszimmetria (SUSY) Jel: SUSY-pár részecskéi fermion + könnyebb SUSY... fermionok + legkönnyebb SUSY-részecske Fermionsorozat hiányzó energiával Mérés valamennyi modell valamennyi paraméterértékére?? 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: Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata Simonyi-nap, RMKI, 2006. október 18. p.30
Elveszett szimmetriák? CPT invariancia: alapvető, abszolút, nem sérül Higgs-mechanizmus spontán szimmetriasértés rendbehozza az elektrogyenge kölcsönhatást létrehozza a tömegeket és a Higgs-bozont Szuperszimmetria? Szép elmélet, megoldja a Standard Modell problémáit Alacsony energián sérül, mert nem látjuk a részecskéit De keressük..... the fundamental equations of physics have more symmetry than the actual physical world does Frank Wilczek: In search of symmetry lost, Nature 433 (2005) 239 Horváth Dezső: Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata Simonyi-nap, RMKI, 2006. október 18. p.31
Köszönetnyilvánítás ASACUSA együttműködés OPAL együttműködés CMS együttműködés Tokiói Egyetem OTKA T033079, T042864 és T046095 TéT JAP-4/00 EU FP6 MC-ToK 509252 és IST 508833 Horváth Dezső: Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata Simonyi-nap, RMKI, 2006. október 18. p.32
Köszönöm a figyelmet Horváth Dezső: Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata Simonyi-nap, RMKI, 2006. október 18. p.33