Kvarkar, leptoner och kraftförmedlare. Kerstin Jon-And Fysikum, SU 28 april 2014

Transkript

1 Kvarkar, leptoner och kraftförmedlare Kerstin Jon-And Fysikum, SU 28 april 2014

2 ATOMEN En atomradie = 0, meter positiv negativ γ γ En atomkärnas radie = 0, meter en tiotusendel av atomens radie (diametern hos ett knappnålshuvud 1 mm höjden av ett trevåningshus mm = 10 m) Elektromagnetisk växelverkan förmedlad av fotonen γ

3 Materiens struktur elektron (-1) 1897 Thomson (Nobelpris 1906) atomkärnan 1911 Rutherford (Nobelpris kemi 1908!)

4 1911 Rutherford med Marsden & Geiger

5 Materiens struktur elektron (-1) 1897 Thomson (Nobelpris 1906) atomkärnan 1911 Rutherford (Nobelpris kemi 1908!) proton (+1) 1919 Rutherford neutron (0) 1932 Chadwick (Nobelpris 1935)

6 ATOMKÄRNAN PROTONER positiv elektrisk laddning NEUTRONER elektriskt neutrala Stark växelverkan mellan nukleonerna håller samman kärnan. Verkar bara på korta avstånd - någon nukleondiameter. Hadroner - starkt växelverkande partiklar (t.ex. proton, neutron) Stark växelverkan förmedlas av gluoner

7 Kosmisk strålning 1911 Hess (Nobelpris 1936) 1932 positron (antipartikel till elektronen) Anderson (Nobelpris 1936)

8 Alla partiklar har en antipartikel!! i Ψ(x,t) t = (iα + βm) Ψ(x,t) Paul A M Dirac 1928 Carl D Anderson 1932 elektron! positron! proton! antiproton! neutron! antineutron! Upptäckten av positronen!

9 Kosmisk strålning 1911 Hess (Nobelpris 1936) 1932 positron (antipartikel till elektronen) Anderson (Nobelpris 1936) 1936 myon (tung kusin till elektronen)

10 Who ordered that? Myon - µ

11 Kosmisk strålning 1911 Hess (Nobelpris 1936) 1932 positron (antipartikel till elektronen) Anderson (Nobelpris 1936) 1936 myon (tung kusin till elektronen) µ 1947 pion (stark vxverkans förmedlare??) Powell (Nobelpris 1950) π 1947 särpartiklar Rochester, Butler K, Λ, Σ

12 Experiment vid partikelacceleratorer ledde till Partikelexplosionen!

13 Mindre beståndsdelar George Zweig aces Murray Gell- Mann quarks

14 1964 mönstret kan förklaras - 3 kvarkar (quarks) Gell-Mann 2/3-1/3 upp ner sär + antikvarkar (u, d, s ) HADRONER spinn 1/2 BARYONER 3 KVARKAR p (uud) n (udd) MESONER KVARK + ANTIKVARK π + (ud) K + (us) Λ (uds)

15 ATOMKÄRNA NEUTRON PROTON ner ner KVARKAR ner upp upp upp gluoner förmedlar stark växelverkan mellan kvarkarna

16 Barbro Åsman

17 modules/module%205/nuclear_properties.htm

18 Upptäckten av kvarkar 3 km lång accelerator

19 Upptäckt av CHARM kvarken Tings experiment (USAs östkust) Resultat för e + e - par! p + Be J + X e + e Richters experiment (USAs västkust)- Resultat! e + e ψ hadroner e + e, µ + µ Invarianta massan hos e + e - paret En tydlig, smal topp vid: m=3.1gev! De såg en stor topp vid (3.105±0.003)GeV!

20 Två experiment - samma resultat! o Richter såg ψ signalen 10 november 1974 o När Ting var klar att publicera sin upptäckt av J var han på SLAC för ett möte. Han talade om sin upptäckt för Richter. o Båda grupperna hade sett samma partikel! Burton Richter at DOE s SLAC Sam Ting and team at DOE's Brookhaven November Revolutionen

21 Tolkningen av J/ ψ! o J/ ψ hade liten bredd - lång livstid - ca s gånger för lång ( normal livstid för stark växelverkan s)! o Passade därför inte in i existerande partikelmultipletter! o Tolkades som ett tillstånd av en ny kvark och dess antikvark! Charm-kvarken var upptäckt! J/ ψ - ( cc )! upp ner charm sär

22 Partiklar upptäckta efter 1964 ν τ Higgsbosonen

23 Toppkvarken upptäckt vid Fermilab utanför Chicago 1995 Toppkvarkens massa är ca 172 GeV (jämfört med protonmassan ca 0,94 GeV). Den sönderfaller innan den bildar hadroner.

24 Standardmodellen - materiepartiklar kvarkar leptoner 3 familjer

25 Standardmodellen - naturkrafter ELEKTROMAGNETISK växelverkan, fotonen - mellan elektriskt laddade partiklar, håller ihop atomen STARK växelverkan, gluoner - endast mellan kvarkar, håller ihop atomkärnan SVAG växelverkan, W, Z bosoner - mellan ALLA kvarkar och leptoner - den enda som kan ändra kvarksort GRAVITATION (svagast), gravitonen? beskrivs inte av Standardmodellen - mellan allt som har massa

26 Svaga kraften - W, Z bosoner Radioaktivt sönderfall

27 Standardmodellen Beskriver partiklarna och krafterna som verkar mellan dem. proton neutron Partiklar i Standardmodellen Kvarkar Leptoner Kraftpartiklar Materiepartiklarna, kvarkar och leptoner, spinn 1/2. Första generationen stabil. Bygger atomerna. Generationen 2 och 3 tyngre, kortlivade. Krafterna förmedlas av kraftpartiklar, bosoner, spinn 1. H Higgsbosonen, spinn 0, behövs för att ge partiklarna massa

28 Standard modellen i ett nötskal starka kraften elektromagnetiska kraften svaga kraften kvarkar upp ner charm sär topp botten gluon foton W leptoner elektron myon tau elektron neutrino myon neutrino tau neutrino Z Higgs

29 ANTIMATERIA Varje kvark och lepton har sin antikvark respektive antilepton. Första antipartikeln som upptäcktes var antielektronen eller positronen (1932). Antipartikeln har motsatt laddning och motsatta inre kvanttal jämfört med partiklen. Partikel och antipartikel förintar varandra. e - e + γ γ

30 Några fundamentala frågor att besvara Hur får partiklarna massa i Standardmodellen? Genom Higgsmekanismen. Vi har upptäckt Higgspartiklen! Vad är den mörka materien som inte kan förklaras av Standardmodellen? En supersymmetrisk partikel? Varför är gravitationen så svag? Kan inte beskrivas i Standardmodellen. Strängteori? Finns det extra dimensioner? Varför domineras universum mest av materia vart tog antimaterian vägen? Symmetribrott?

31 En grundläggande fråga är varför partiklar har massa och varför de har så olika massa. Massmysteriet kan lösas med Higgsmekanismen, som förutsäger en ny elementarpartikel, Higgspartikeln (teori 1964, P. Higgs, R. Brout and F. Englert) Peter Higgs Higgspartikeln har man letat efter länge vid flera acceleratorer. Vi har nu funnit den vid LHC Francois Englert

32 Higgsbosonen big bang Hur kan vi hitta den? sekunder Tid Illustration: Johan Jarnestad/Kungl. Vetenskapsakademien I den ursprungliga formen av Standardmodellen är alla partiklar masslösa. Stämmer uppenbarligen inte med mätdata. På 60-talet konstruerades Higgsmekanismen, en elegant utvidgning av Standardmodellen. Ger massa åt elementarpartiklarna genom att de växelverkar med Higgsfältet som finns i hela universum. Deras massa beror på hur starkt de växelverkar med fältet. Big Bang sek Higgsmekanismen förutsäger en ny partikel Higgspartikeln.

33 Hur får partiklar massa i Standardmodellen? En berömd fysiker vill ta sig till buffébordet på ett party. Det går trögt (han får massa)! En rykte sprids på partyt. Det bildas klungor runt ryktet. Fältet blir exciterat - motsvarar Higgspartikeln.

34 LHC - Large Hadron Collider

35 CERN European Organisation for Nuclear Research 21 medlemsstater Stora acceleratorer + Israel

36 LHC en proton-proton kolliderare Byggd i en tunnel utanför Genève, Schweiz. Omkretsen är 27 km. Tunneln ligger ca 100 m under marken. De två största experimenten: ATLAS and CMS. Protoner kolliderar med en energi av 4 TeV vardera. Protonens vilomassa är ca 1 GeV (E=mc 2 ). Energin hos protonerna är 4000 gånger större. Protonernas hastighet är % av ljushastigheten. Det sker ca 1 miljard kollisioner i sekunden. Ur energin i kollisionerna kan nya tunga, instabila partiklar skapas. Genom att detektera sönderfallsprodukterna kan man dra slutsatser om nybildade partiklar

37 Fysiken vid LHC motsvarar tillståndet här! 37

38 100 miljarder protoner i varje bunt Buntarna kolliderar 40 miljoner gånger per sek Event rate: Protoner kolliderar ca 1 miljard gånger per sek N = L x σ (pp) 109 interactions/s Mostly soft ( low p T ) events Intressanta partiklar bildas väldigt sällan Interesting hard (high-p T ) events are rare 38 very powerful detectors needed

39 LHC acceleratorns största utmaning: dipolmagneterna Magnetfält som behövs för att få protonerna böja av i banan: 8.4 Tesla Ström i de supraledande magnetlindningarna: 12 ka LHC magneterna kyls med supraflytande helium Coolest Place in the Universe? 1,9 K 1232 dipolmagneter à 35 ton runt LHC

40 Protonstrålar i LHC 10 september 2008: Protonstrålar gick runt hela LHC första gången, i båda riktningarna! 19 september 2008 råkade LHC ut för ett elektriskt missöde 20 november 2009: LHC var igång igen 30 mars 2010: De första kollisionerna vid världens högsta energi, 7 TeV : Lång körning vid 7 TeV 2012: Förlängd körning vid 8 TeV : Uppgradering av LHC till 14 TeV LHC beräknas köra ca 20 år

41 ATLAS detektorn 45 m ATLAS jämförd med en 6-våningsbyggnad på CERN 24 m 7000 ton

42 ATLAS Kollaborationen 38 länder 177 institutioner ca 3000 fysiker (1200 studenter inräknade) Albany, Alberta, NIKHEF Amsterdam, Ankara, LAPP Annecy, Argonne NL, Arizona, UT Arlington, Athens, NTU Athens, Baku, IFAE Barcelona, Belgrade, Bergen, Berkeley LBL and UC, HU Berlin, Bern, Birmingham, UAN Bogota, Bologna, Bonn, Boston, Brandeis, Brasil Cluster, Bratislava/SAS Kosice, Brookhaven NL, Buenos Aires, Bucharest, Cambridge, Carleton, CERN, Chinese Cluster, Chicago, Chile, Clermont-Ferrand, Columbia, NBI Copenhagen, Cosenza, AGH UST Cracow, IFJ PAN Cracow, SMU Dallas, UT Dallas, DESY, Dortmund, TU Dresden, JINR Dubna, Duke, Edinburgh, Frascati, Freiburg, Geneva, Genoa, Giessen, Glasgow, Göttingen, LPSC Grenoble, Technion Haifa, Hampton, Harvard, Heidelberg, Hiroshima IT, Indiana, Innsbruck, Iowa SU, Iowa, UC Irvine, Istanbul Bogazici, Johannesburg/Witwatersrand, KEK, Kobe, Kyoto, Kyoto UE, Lancaster, UN La Plata, Lecce, Lisbon LIP, Liverpool, Ljubljana, QMW London, RHBNC London, UC London, Lund, UA Madrid, Mainz, Manchester, CPPM Marseille, Massachusetts, MIT, Melbourne, Michigan, Michigan SU, Milano, Minsk NAS, Minsk NCPHEP, Montreal, McGill Montreal, RUPHE Morocco, FIAN Moscow, ITEP Moscow, MEPhI Moscow, MSU Moscow, Munich LMU, MPI Munich, Nagasaki IAS, Nagoya, Naples, New Mexico, New York, Nijmegen, Northern Illinois University, BINP Novosibirsk, NPI Petersburg,Ohio SU, Okayama, Oklahoma, Oklahoma SU, Olomouc, Oregon, LAL Orsay, Osaka, Oslo, Oxford, Paris VI and VII, Pavia, Pennsylvania, Pisa, Pittsburgh, CAS Prague, CU Prague, TU Prague, IHEP Protvino, Regina, Rome I, Rome II, Rome III, Rutherford Appleton Laboratory, DAPNIA Saclay, Santa Cruz UC, Sheffield, Shinshu, Siegen, Simon Fraser Burnaby, SLAC, Stockholm, KTH Stockholm, Stony Brook, Sydney, Sussex, AS Taipei, Tbilisi, Tel Aviv, Thessaloniki, Tokyo ICEPP, Tokyo MU, Tokyo Tech, Toronto, TRIUMF, Tsukuba, Tufts, Udine/ICTP, 15- April Uppsala, ATLAS UI Urbana, RRB Valencia, UBC Vancouver, Victoria, Waseda, Washington, Weizmann Rehovot, FH Wiener 42 Neustadt, Wisconsin, Wuppertal, Würzburg, Yale, Yerevan

43 Trådkammare Järn Scintillatorer Bly Flytande Ar Kisel Stråtuber

44 ATLAS konstruktionen & installationen JUNI 2003 Grottan 92 m under jord 55 m lång 32 m bred 35 m hög Idag är ATLAS färdigbyggd och tar data

45 November 2005 Alla toroidspolarna och hela kalorimetern installerad

46 Vi har letat efter Higgspartikeln i många sönderfallskanaler

47 Den första Higgs vi såg i ATLAS (4 April 2008)

48 Två sönderfallssätt för Higgspartikeln är särskilt tacksamma att leta efter H γγ H ZZ 4l (ee, µµ, eµ) Alla sönderfallsprodukter kan mätas och massan på ursprungspartikeln kan rekonstrueras Alla kända bakgrunder måste identifieras Leta efter en bump i massfördelningen!

49 En Higgskandidat: H γγ

50

51 Fördelningen av massan hos fotonparen

52 En Higgs-kandidat: H ZZ 4l (4μ i detta fall)

53 En Higgskandidat: H ZZ 4e

54

55 Fördelningen av massan hos de 4 leptonerna

56 Hur stor är sannolikheten att bumparna runt 126 GeV bara är fluktuerande bakgrund? Sammantaget är sannolikheten 1, Både ATLAS och CMS ser samma signal Vi har gjort en upptäckt!!

57 4 juli 2012 Higgs-seminarium - CERN Melbourne konferens

58 Seminariet 4 juli 2012 blev nyhet i världspressen

59 Är det Standardmodellens Higgs? ingen Higgs: 0 1: SM Higgs Än så länge ser vi inga avvikelser

60 Kungl. Vetenskapsakademien har beslutat utdela Nobelpriset i fysik 2013 till François Englert, Université Libre de Bruxelles, Bryssel, Belgien och Peter W. Higgs, University of Edinburgh, Storbritannien för den teoretiska upptäckten av en mekanism som bidrar till förståelsen av massans ursprung hos subatomära partiklar, och som nyligen, genom upptäckten av den förutsagda fundamentala partikeln, bekräftats av ATLAS- och CMS-experimenten vid CERN:s accelerator LHC Higgspartikeln! Sista pusselbiten i Standardmodellen Illustration: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences Nobelpris i fysik 2013

61 Vad består Universum av? Atomer - vanlig materia - ca 4%. Beskrivs av Standardmodellen. Mörk materia - ca 23%. Vi vet inte vad den består av! Supersymmetri? Mörk energi - någon totalt okänd form av energi som får universums expansion att accelerera. Om supersymmetri finns har varje partikel en skugga. Den lättaste skuggan (ganska tung ) kan vara stabil och utgöra mörk materia.

62 Mörk materia i Universum Vera Rubin gjorde den första systematiska studien av rotationskurvor hos spiralgalaxer 1970 Överraskande resultat: Det mesta av materien i galaxerna (90%) är mörk, den lyser inte.

63 Supersymmetri (SUSY) En teori som förutsäger symmetri mellan materiepartiklar (kvarkar och leptoner) och kraftförmedlare Exempel: kvark q (s=1/2) q (s=0) ~ squark gluon g (s=1) g (s=1/2) gluino Vår vanliga värld med standardpartiklar ~ Kanske en ny värld med SUSY partiklar?? Motivering: - Förenar materieoch kraftpartiklar - Erbjuder en kandidat till mörk materia - Löser flera djupa problem med Standardmodellen

64 Supersymmetriska partiklar En supersymmetrisk partikel sönderfaller generellt till en SMpartikel och en lättare SUSY-partikel Den lättaste SUSY-partikeln kan vara stabil och lämna detektorn utan att växelverka (kandidat till Mörk Materia) Kännetecknet på en SUSY-partikel i detektorn är kvarkar (ger jets i detektorn) och/eller leptoner och saknad energi 25/5/2012 Kerstin Jon-And, SU Denna partikel (neutralino) är en bra kandidat till universums mörka materia 64

65 Sökande efter Mörk Materia vid LHC Simulering En kandidat till mörk materia är neutral och lämnar inga spår i detektorn. Vi letar efter tomma områden där det saknas energi, missing transverse energy, MET χ~ 0 1 MET Vi behöver kombinera LHC och Astropartikel fysik data för att bevisa att den partikel vi hoppas hitta är den partikel som utgör mörk materia.. ~ χ

66 Slutsatser Standardmodellen för partikelfysik stämmer med alla hittillsvarande data från partikelacceleratorer En ny partikel som liknar en Higgsboson har upptäckts bara ett par år efter de första kollisionerna vid LHC Mer än 20 års förberedelser ligger bakom En triumf för grundforskningen och internationellt samarbete Mer data behövs för att undersöka om egenskaperna hos den nya partikeln stämmer i detalj med Standardmodellen. Avvikelser skulle tyda på ny fysik. Sökandet efter ny fysik bortom Standardmodellen pågår! Följ utvecklingen!