Acceleratorer och Detektorer Framtiden. Barbro Åsman den

Transkript

1 Acceleratorer och Detektorer Framtiden Barbro Åsman den

2 Rutherfords experiment Rutherfords experiment

3 Atommodeller Thomsons modell Rutherfords resultat

4 Studerade radioaktiv strålning tillsammans med Rutherford. Harriet Brooks uppmanades hon att säga upp sig eftersom hon planerade att gifta sig. the Collage cannot afford to have women on the staff to whom the collage work is secondary; The Collage is not willing to stamp with approval a women to whom self-elected home duties can be secondary

5 för att: Vi ger partiklar hög hastighet 1. de skall kunna tränga djupt in i andra partiklar.

6 Djup spridning i protonen e e e

7 Upptäckten av kvarkar 3 km lång accelerator

8 Kosmisk strålning

9 för att: Vi ger partiklar hög hastighet 1. de skall kunna tränga djupt in i andra partiklar. 2. den höga rörelseenergin skall omvandlas till massa enligt E = mc 2

10 Linjär Accelerator högspänning

11 Laddade partiklar i magnetfält Laddade partiklar i rörelse påverkas av magnetfält Radien = massa x hastighet magnetfält x laddning

12 Laddad partikel i magnetfält Låg hastighet hög hastighet

13 Elektron i magnetfält hög hastighet låg hastighet

14 Cyklotron

15 Cyklotron

16 Synkrotron

17 Synkrotron SPS Tesla

18 Varför är acceleratorer så stora?? Magnetfälten kan inte göras tillräckligt starka Magnetfältet = massa x hastighet / radie x laddning

19 Synkrotonljus

20 Varför är acceleratorer så stora?? Magnetfälten kan inte göras tillräckligt starka Magnetfältet = massa x hastighet / radie x laddning Laddade partiklar strålar ut energi i form av synkrotronljus

21 Praktisk Enhet elektron (enegi U) U= 1 ev = 1.6x10-19 J (hastighet frame vid positiva plattan är km/s) Volt 1 kev = 10 3 ev 1 MeV = 10 6 ev 1 GeV = 10 9 ev 1 TeV = ev Enligt E=mc 2 svarar 1 protons massa mot energin 1 GeV

22 Högenergilaboratorier CERN DESY FNAL BNL KEK SLAC

23 CERN

24

25

26 CERN

27 Acceleratorer på CERN

28 Acceleratortunnlar

29 The first proposal for the WWW was made at CERN by Tim Berners-Lee in 1989, and further refined by him and Robert Cailliau in WEBEN

30 Se partiklar? De partiklar vi talar om är så små att de inte syns!! Vad vi ser är spår efter partiklar Vi kan bestämma: Partiklarnas riktning Partikelsort Partiklarnas energi

31 Dimkammare Positronens upptäckt

32 Antiprotondetektorn 1956

33 Faustina pion Anti-proton proton proton pion proton proton

34 BEBC

35 Bubbelkammare

36 Trådkammare

37 Trådkammare

38 trådar Strålrör pades Elektroner som driver Laddat spår genom kammaren Kammarväggen HV-platta Trådkammare

39

40 Kalorimeter

41 Olika partiklar i olika detektorer

42 Delphi

43 Detektorer

44 Delphi

45

46

47 Elektron och Myon händelser

48 Tvåjethändelse

49 LEP result The width of a mass distribution gives the lifetime of a particle. The lifetime gives the number of decay products

50 Fermilab Utanför Chicago, på prärien......finns en 2 TeV antiproton-protonkolliderare: Tevatronen DØ CDF

51 DØ Silicon Microstrip Tracker

52

53 LHC - Large Hadron Collider Proton-proton kollisioner vid en energi av 14 TeV - världsrekord med en faktor 7! LEP/LHC (27 km) SPS (7 km) Vi behöver många kollisioner så att vi kan studera även sällsynta partiklar. 40 millioner kollisoner per sekund! Ska börja köra 2008.

54 ALICE CMS LHCb ATLAS

55 ALTAS

56 ATLAS jämförd med 6-våningshus

57 ATLAS, en detektor som kan mäta allt allt ett samarbete mellan nästan 2000 fysiker från ca 150 institutioner i hela världen KTH 7000 ton, 44 m lång, 22 m diameter vissa element skall positioneras med en precision bättre än 100 µm Uppsala, Lunds univ. Stockholms univ.

58 Några Fundamentala Frågor Hur uppkommer vilomassa? Vad består universums mörka materia av? Vad hände med universums antimateria?

59 Ljus i materia

60 Förklaringsmodeller: Eller Abosrption och re-emission - + Fotonen har en massa i materialet, där den växelverkar med det elektromagnetiska fältet Rörelseenergi Rörelseenergi Rörelse-energi och massa (E=mc 2!)

61 På ett analogt sätt kan man anta att t ex en elektron som rör sig i vakuum saktar upp (=erhåller massa) genom att växelverka med ett fält - Higgs-fältet e - Vi behöver något i stil med Higgs-fältet i partikelfysiken, annars fungerar inte Standard modellen! En unik egenskap hos Higgs-fältet är att det finns överallt, även i vakuum Olika partiklar erhåller olika massa pga att de kopplar olika starkt till Higgs-fältet För att visa att det här är en riktig teori vill vi producera den fältpartikel som hör till Higgs fältet - Higgspartikeln

62 Hur får partiklar massa i Standardmodellen? En berömd fysiker försöker ta sig igenom ett cocktailparty. Det går trögt! En rykte sprids på partyt. Det bildas klungor runt ryktet. Higgsfältet finns överallt - om det finns En partikel får tröghet - massagenom att växelverka med fältet! Om Higgsfältet finns så finns en Higgspartikel som vi kommer att upptäcka vid LHC!!

63 Hur kan vi se se Higgspartikeln i ATLAS? Higgspartikeln kan sönderfalla till 2 Z-partiklar, som i sin tur sönderfaller till 4 elektroner/positroner, vars spår vi ser i spårdetektorn och elektromagnetiska kalorimetern.

64 Vad består Universum av? Atomer - vanlig materia - ca 4%. Beskrivs av Standardmodellen. Mörk energi - någon totalt okänd form av energi som får universums expansion att accelerera. Mörk materia - ca 23%. Vi vet inte vad den består av! Supersymmetri??

65 Supersymmetri Varje partikel en partner, elektronerna har selektroner och så vidare. Dessa bildades - liksom alla andra partiklar - i big-bang bang De tyngsta sönderfaller, liksom de tyngsta av de vanliga partiklarna Den lättaste l - en slags partner till fotonen - skulle kunna vara stabil och finnas kvar i universum Eftersom vi inte har upptäckt några supersymmetriska partiklar måste de vara ganska tunga kvark gluon elektron neutrino myon foton W Z Higgs skvark gluino selektron sneutrino smyon fotino Wino Zino Higgsino

66 En supersymmetrisk partner har samma: - laddning - växelverkar som partikeln Supersymmetriska partiklar produceras parvis _ q q gluon _ ~ t ~ t Den lättaste l supersymmetriskas partikeln - LSP -kan inte sönderfalla. ~ t W b ~ b ~ χ o 1 Den här typen av partiklar skulle kunna vara lösningen l på ett kosmologiskt problem: - det verkar som om det finns något därute som vi inte vet vad det är!

67 ANTIMATERIA Varje kvark och lepton har sin antikvark respektive antilepton. Partikel och antipartikel förintar varandra. Enligt Big Bang teorin skapades universum symmetriskt - lika mycket materia som antimateria. Varför har inte allt förintats? Varför finns vi - bara materia - kvar i universum?

68 Vart tog antimaterien vägen? Svaret finns kanske inom partikelfysiken: K 0 mesonen oscillerar fram och tillbaka mellan partikel och antipartikel anti-särkvark anti-nerkvark. K 0 K 0 nerkvark särkvark.. Är detta symmetriskt så ger det här ingen förklaring till varför r vi finns, det är lika sannolikt att en partikel blir antipartikel som tvärtom. Men K-systemet är inte symmetriskt! Det är enklare för antipartikeln att oscillera till en partikel än motsatsen. Vid LHC kan vi göra noggranna mätningar av asymmetrien I andra partikelsystem.

69 Linear Collider Något mer på gång? Linjärkolliderare kilometer: total längd km

70 Hadronmaskin - leptonmaskin Cirkulära ra hadron-kolliderare relativt lätt att få höga energier generella i bemärkelsen att man har många olika typer av kollisioner. ställer stora krav på detektorerna, mycket bakgrund Linjära lepton-kolliderare En maskin för upptäckter tekniskt svårare att nå höga energier enklare att ställa in, genom att välja energi. enklare för detektorer, inte så mycket bakgrund En maskin för precisions-studier

71 Om partikelfysikens frågeställningar:

72 Spännande framtid Vi ser med spänning och förväntan fram mot att få analysera data från kollisioner i LHC! Vem vet hur vår världsbild kan komma att förändras