Mikrofizika egy óriási gyorsítón: a Nagy Hadron-ütköztető MAFIOK 2010 Békéscsaba, 2010.08.24. Hajdu Csaba MTA KFKI RMKI hajdu@mail.kfki.hu 1
Large Hadron Nagy Collider Hadron-ütköztető proton ólom mag Kíváncsiság: Milyen legkisebb építőkövekből áll a világ? Milyen törvényszerűségek szerint működik? Hogyan jött létre? atom: elektron (elemi) proton (2u + 1d) neutron (2d + 1u) kozmikus sugárzás, β bomlás: keletkeznek (majd hamar el is bomlanak) a fenti képbe nem illő részecskék is összesen 6 quark és 6 lepton (+ a kölcsönhatásokat közvetítő részecskék) kvarkok csak párban (mezonok), vagy hármasával (barionok) cél: e gyorsan elbomló részecskék előállítása és tanulmányozása (az eddiginél nagyobb energiákon) 2
Krumpliból dinnyét? energia tömeg ekvivalencia: E = mc22 ( klasszikus mozgási energia: Ekin = ½ mv2 ) LHC ütközési energia : proton m nyugalmi proton Ekin 0.938 GeV 10 GeV 1 TeV 7 TeV 7+7 TeV 0.938 GeV ( /c2 ) v/c 0.866 0.9963 0.99999956 0.9999999910 az energiamegmaradás természetesen érvényes, de a nyugalmi tömeg nem megmaradó mennyiség nagyobb ütközési energián nagyobb tömegű részecskék jöhetnek létre reményeink szerint fogunk találni eddig fel nem fedezett részecskéket is 3
Ütköztetők nyalábok (részecskecsomagokból) lineáris gyorsító, fix céltárgy tárológyűrű, két szemben keringő nyaláb, néhány ütközési pont gyorsítás, fókuszálás, pályán tartás: mágnesek nem kívánt ütközések minimalizálása: vákuum LHC: 27 km kerületű gyűrű, ~100 méterrel a föld alatt szupravezető mágnesek, 120t (szuper)folyékony He, 1.9 K 10-13 bar (tízszer jobb vákuum, mint a Holdon) láncolat: Linac Booster PS SPS LHC körpályán az energiával hatványozottan nő a sugárzási veszteség: az LHC utódja lineáris lesz ( International Linear Collider ) 4
Genf CERN (1953.) Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire Magyarország is tagja 1992. óta 5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
LHC érdekességek tervezés kezdete: 1984., indulás: 2008.; röviddel utána komoly meghibásodás jelenleg 3.5 + 3.5 TeV, 2012-ben 7 + 7 TeV; teljes költség: ~3milliárd EUR nyalábonként 1 ng H+ (normál állapotú hidrogénből egy homokszemnyi térfogat) nyaláb energiája: 362MJ (~ 300 tonnás vonat 150 km/óra sebességgel) csomagok: ~1011 proton, ~1mm * 60 mm, 7m (25ns) távolság az ütközési pontok közelében az átmérő 16 μm-re (hajszál harmada) szűkül ~40 millió csomag csomag keresztezés / s, ~20 pp ütközés eseményenként nyaláb élettartam: ~10 óra (~10milliárd km / proton, egy kör ~90μs) összesen 9593 db mágnes, közöttük 1232 db 15 méteres, 35 tonnás dipól energiaigény: 120 MW (CERN: 230 MW, Paks egy blokkja: 500 MW) Les Horribles Cernettes: rock zenekar, a világon elsőként weboldallal (1992.) http://musiclub.web.cern.ch/musiclub/bands/cernettes/ 16
Detektorok elvárások: tömeg, energia, töltés és sebesség mérése észlelhető részecske ne szökhessen meg (teljes térszög lefedése) módszerek: nyomkövetés: gáztöltésű és félvezető detektorok energia mérés: a részecskét anyagban lefékezzük (kaloriméter) megvalósítás: több aldetektorból álló, hatalmas rendszerek, ( + mágnes ) Alice, Atlas, CMS, LHCb, (LHCf, Totem) kimenet: elemi érzékelőnként 40millió adat/s, összesen 150 millió darabból természetesen ez nem mind érdemi adat, válogatni kell 17
Detektorok ~500 - ~3000 fő/kísérlet 18
21m hossz 15m átmérő 12500 tonna CMS 19
20
21
22*22*230 mm-es PbWO4 kristályok (68524 db van az elektomágneses kaloriméterben) 22
23
24
25
26
27
28
29
Adatfeldolgozás, kiértékelés CMS: 40millió esemény/s, 1 MB/esemény ---> 40 TB/s! 1. trigger (hw, a detektorban) 2. trigger (sw, a felszínen) 100 MB/s ~ 9 TB/nap összes kísérlet együtt ---> 100000 esemény/s ---> 100 esemény/s ~ 2 PB/év ~ 15 PB/év GRID: földrajzilag elosztott számítógépes adattároló és feldolgozó rendszer 30
2008: 104000 ksi2k, 80 PB 2013: 696000 ksi2k, 590 PB 31
32
33
Hogy áll elő a kísérleti eredmény? pp ütközés új részecske bomlás detektor adat rögzítés feldolgozás nem egyes események vizsgálata szelekció után különféle parameterek eloszlása összehasonlítás a modell alapján szimulált eloszlással egyezés vagy eltérés a felfedezés nem egyszerű: komoly statisztikai és valószínűségszámítási feladat 34
35
36
A Standard Modell az elektromágneses, gyenge és erős kölcsönhatások, és a bennük résztvevő részecskék leírása nagyon sikeres, de messze nem tökéletes: nincs benne a gravitáció nem érthető a sötét anyag léte, és az antianyag hiánya az alapváltozat nem írja le a > 0 neutrinó tömeget a mért adatokkal nagyon jó az egyezés eddig nincs a SM által le nem írt részecske kísérletileg hiányzik: Higgs bozon Az LHC feladatai: Higgs keresés, a SM ellenőrzése, a SM-be nem illő részecskék keresése (szuperszimmetria), kvark-gluon plazma vizsgálata Peter Higgs (1929- ) cikk: 1964. ( Nobel-díj: 201x??? ) 37
38
Magyar részvétel CMS: Alice: Totem: LCG: KFKI RMKI, DE, Atomki, ELTE ~ 30 fő müon detektor pozicionáló rendszer Hadron Forward Calorimeter KFKI RMKI ~ 15 fő DAQ (adatgyűjtő rendszer) KFKI RMKI ~ 5 fő KFKI RMKI ~ 3 fő Budapest T2 grid állomás + egyéni akciók -- IT, mérnökök, és Atlas / LHCb is 39
Összefoglalás LHC: a CERN 27 km kerületű p-p, Pb-Pb ütköztetője detektorok: évi 15 PB adat kiértékelő rendszer: LHC Computing Grid + sw - alapkutatás Higgs bozon, SM ellenőrzése, új fizika keresése - technológiai fejlődés számítástechnika, elektronika, vákuumtechnika, kriogenika - magyar CERN tagság és részvétel a kísérletekben lehetőség kutatóknak, fejlesztőknek, diákoknak, beszállítóknak - hasznos melléktermékek? ( pl. LEP www ) - már stabilan működik energia még megkétszerezendő; utána hosszú adatgyűjtés - világszerte ~ 10ezer ember csapatmunkában 40