Partikeläventyret. Bernhard Meirose

Transkript

1 Partikeläventyret Bernhard Meirose

2 Vad är Partikelfysik? Wikipedia: "Partikelfysik eller elementarpartikelfysik är den gren inom fysiken som studerar elementarpartiklar, materiens minsta beståndsdelar, och hur de växelverkar med varandra. Partikelfysik kallas ofta högenergifysik eftersom man behöver höga energier för att studera dess fenomen experimentellt." Jättebra. Men vad betyder det?

3 Elementarpartikel Molekyl (består av atomer) Atom (består av kärnan och elektroner) Kärnan (består av protoner och neutroner) Elementarpartikel (kvarkar, elektroner, neutriner)

4 Hur liten? Atomen är (åtminstone) 100,000,000 gånger större än elektronen eller kvarken. Om elektronens eller kvarkens "diameter" var 3 m (maximala!) atomens "diameter" skulle vara som avståndet från jorden till månen.

5 Elementarpartikeln (i Standardmodellen) Alla elementära partiklar som finns i naturen är en del av den så kallade Standardmodellen, som är den teori som förklarar hur alla partiklar växelverkar med varandra. Interaktioner:

6 Standardmodellen (materia och krafter) Materia 6 kvarkar 6 leptoner Grupperade i tre generationer Den saknade ingrediensen: Higgs Boson Krafter Elektrosvaga: γ (foton) (elektromagnetismen) - Z0, W± (svaga) Stark - g (gluon) Inte gravitationskraften! Ingen kvantfältteori av gravitationskraften ännu.

7 Feynmandiagram Bildrepresentationer av de matematiska uttryck, som reglerar beteende av subatomära partiklar. Exempel betasönderfall av en neutron (grundnivå: 1. d u + W- ) 2. Tid Pilens riktning symboliserar anti partikeln. Den rör sig fortfarande åt höger i tiden. 7

8 Högenergi: Varför? Du kommer att lära dig mer om Standardmodellen matematisk struktur och historia i nästa föreläsning. Nu vill vi besvara två frågor: Varför behöver vi högenergi för att studera små saker? Hur kan vi, experimentiellt, göra det?

9 Våg-partikeldualitet Centralt koncept inom kvantmekaniken: alla partiklar har vågliknande egenskaper (inte bara ljus). De Broglie visade att alla partiklar har en ekvivalent våglängd ( λ ): λ =h/p (h är Plancks konstant) Hög rörelsemängd (p) ger oss korta våglängder så att vi kan se små detaljer! Exampel: elektronmikroskop

10 Sondering materia

11 Geiger-Marsden-Rutherford Experiment (1909) Hans Geiger, Ernest Marsden och Ernest Rutherford upptäckte atomkärna genom förbränning av alfapartiklar (med hög energi) med guld och observera dem studsa tillbaka. Dem använde naturliga hög ( 3 7 MeV ) energikälla (radioaktiva sönderfall) för att "se" atomkärnan! Prekursor av alla spridningsexperiment med en accelerator.

12 Acceleratorer: ju högre energi, desto mindre partiklarna kan du se Geiger, Marsden och Rutherford såg inne i kärnan, men med mer energi SLAC såg inne i protonen själv! Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), California, 1968: Fire elektroner på protoner: stora deflektioner sett! --> Kvarkar detekteras inom protonen! <--

13 En lång och svår väg till mycket små partiklar

14 Hur fungerar en accelerator?

15 Laddade partikelstrålar

16 Accelerationen Omväxlande radiofrekvens spänning (Alternating Radio Frequency voltage) Varje steg ger en liten ökning av energi till partikeln. 16

17 Inriktning Magneter (focussing magnets) LHC huvudkvadrupol strålen växelvis fokuserade i horisontella och vertikala plan.

18 Cirkulära Acceleratorer Cyclotron Första cirkulära partikelacceleratorn som byggdes av Ernest O. Lawrence & Stanley Livingston i Berkeley in Energi = 80 kev, Diameter = 13cm 13 cm 18

19 Synchrotron komponenter I en collider, cirkulerar klasar av partiklar / antipartiklar i motsatta riktningar.

20 Large Hadron Collider (LHC) parametrar Används partiklar: protoner (i proton-proton kollisioner) och tunga joner (Bly 82+) Omkrets: meter. Injicerade strålenergi: 450 GeV (protoner) Nominell proton energi: 7 TeV (till nu 3.5 TeV och de blir 6.5 TeV i 2014) 2835x2835 proton-proton-paket ("bunches") (till nu 300x300) 1011 protoner per bunch korsning andel av de proton bunches: 40 MHz (till nu 4 MHz) upp till 109 pp-kollisioner per sekund (fram till nu: 107 pp-kollisioner per sekund) 1

21

22 1. LINAC2 (0.05 GeV) 2. PSB (1.4 GeV) 3. PS (26 GeV) 4. SPS (450 GeV) 5. LHC (3500 GeV) 5. LHC (6500 GeV) i 2014

23 Hur kan vi observera vad som kommer ut från LHC kollisioner? Detektorerna

24 Grundprincipen för kollision strålenexperimentet Kolliderade strålar: under kollisionen strålar partiklarna i alla riktningar, därför är detektorn är sfärisk eller, mer allmänt, cylindrisk

25 Basiska detektor komponenter Olika komponenter bildar lökliknande lager. Varje typ av partiklar ger en specifik kombination av signaler i komponenterna. Neutriner lämnar inga spår i någon av dessa komponenter och härleds genom luckorna i energi ("missing energy").

26 Huvudsakliga LHC detektorer ALICE LHCb CMS ATLAS

27

28 Vad är ATLAS? ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) Det är en detektor med allmänt ändamål (brett spektrum av signaler). Världens största detektor

29 Byggandet av ATLAS-detektorn Beginn

30

31 ATLAS Collaboration ATLAS har ca 3000 medarbetare. Förutom Lund finns det tre andra svenska grupper i ATLAS, från Uppsala, Stockholms universitet och KTH (Kungliga Tekniska Högskolan, Stockholm). ATLAS-projektet är ett internationellt samarbete där 38 länder ingår. Vart och ett av dessa länder visas med färg på kartan i nästa bild.

32

33 Och vad kan vi se i ATLAS-detektorn till exempel? Higgs

34 Vad är massa? "Töm" vakuum Higgs bakgrundsfält Alla partiklar är masslösa Röra sig med ljusets hastighet Partiklar bromsas av interaktion med Higgs fältet Partiklar får faktiskt en massa Värde beror på styrkan i interaktion med bakgrundsfältet Higgs-partikel Kvantmekaniska stimulering av Higgs fältet Nödvändig konsekvens av koncept!

35 Higgs produktion Många produktionsmekanismer

36 Higgs sönderfaller exempel fraktion av sönderfall processer i Higgspartikeln Förutsebar som funktion av massa:

37 Higgs partikel i ATLAS-detektorn Exempel 1: H ZZ μ+μ-μ+μ-

38 Saknade Transversell Energi (missing transverse energy) Summan av energin av alla partiklar som inte direkt mäts av detektorn: i Standardmodellen: alla neutriner.

39 Higgs partikel i ATLAS-detektorn Exempel 2: H W+W- 2 neutriner lämna inga signal i detector = saknade energi!

40 Higgs partikel i ATLAS-detektorn Idag: hitta kandidater för H W+ W-! Men var det? Eller? Är dessa klart urskiljbara i detector? Lycka till!

41 Tack för att ni lyssnade!

42 Back-up

43 Energy Units! Electron Volt Energy gained by an electron when accelerated in an electric field through a potential difference of 1 volt. 1 ev = 1 electron Volt Energy to ionise hydrogen = 13.6 ev 1 kev(kilo) = 1,000 ev = 103 ev Medical X-ray ~ 200 kev 1 MeV(Mega) = 1,000,000 ev = 106 ev Alpha particle decay of uranium 4.2 MeV 1 GeV(Giga) = 1,000,000,000 ev = 109 ev LEP collider beam ( ) = 45 GeV 1 TeV(Tera) = 1,000,000,000,000 ev = 1012 ev Tevatron collider ( ) = 1 TeV Highest energies found in cosmic rays (>1020 ev)