Įvadas į dalelių fiziką A.Juodagalvis

Transkriptas

1 Įvadas į dalelių fiziką A.Juodagalvis Pranešimas Lietuvos mokytojų delegacijai CERN d A.Juodagalvis, Įvadas į dalelių fiziką 1

2 Turinys Medžiagos sandara ir tipiniai dydžiai Dalelių zoologijos sodas ir standartinis modelis Standartinio modelio sudėtinės dalys Kaip tyrinėjame subatominių dalelių savybes? Keli papildomi informacijos šaltiniai A.Juodagalvis, Įvadas į dalelių fiziką 2

3 atomai didėja Ar medžiagą sudaro graikų atomai? Átomos (gr.) - nedalomas atomai mažėja Tuneliniu mikroskopu ištirtas švarus aukso paviršius. Au atomo skersmuo 2.9Å Atomų dydžiai skiriasi. Tipinis ilgio vienetas (angstremas) 1Å = m = mm A.Juodagalvis, Įvadas į dalelių fiziką 3

4 Atomo sandara Angstremas Tipinis atomo branduolio ilgio vienetas femtometras 1fm = m = Å Jei protonas ir neutronas būtų 10 cm skersmens, kvarkai ir elektronai būtų mažesni nei 0,1 mm dydžio, o atomo skersmuo siektų apie 10 km A.Juodagalvis, Įvadas į dalelių fiziką 4

5 Medžiagos sandara MOVIE CERN info A.Juodagalvis, Įvadas į dalelių fiziką 5

6 Medžiagos sandara II Kristalas Molekulė Atomas Atomo branduolys Fundamentaliosios dalelės Leptonai elektronas Hadronai Branduoliai Protonas arba neutronas Kvarkai kylantysis ( up ) ir krintantysis ( down ) A.Juodagalvis, Įvadas į dalelių fiziką 6

7 Kalbant apie Visatos mastelius... Geras puslapis: Slankikliu keičiant mastelį, rodomi to dydžio objektai A.Juodagalvis, Įvadas į dalelių fiziką 7

8 B.Wiringa Lengviausi branduoliai Vandenilio izotopai Vandenilis Deuteris Tritis Protonas Elektronas Neutronas Net paprasčiausias sudėtinis atomo branduolys pasižymi neįprastomis savybėmis Medžiagos pasiskirstymas deuteryje galėtų būti sferiškai simetriškas. Tačiau taip nėra: apie 6% procentus medžiagos išsidėstę toroidinėse struktūrose Deuterio žemiausios energijos būsenos ekvipotencialūs (vienodo tankio) paviršiai M J =1 M J = A.Juodagalvis, Įvadas į dalelių fiziką 8

9 nematuojami kintamieji SM sudėtiniai elementai:. Standartinis modelis remiasi lokalios kalibruotės invariantiškumu: rezultatas turi nepriklausyti nuo nematuojamų kintamųjų, fazės poslinkis Pvz., banginės funkcijos fazės. Tačiau bangų interferencija yra stebima! A.Juodagalvis, Įvadas į dalelių fiziką 9

10 Dalelių standartinis modelis Trys dalelių šeimos (stabiliausia) I II III Keturios fundamentaliosios sąveikos - gravitacinė - elektromagnetinė - silpnoji - stiprioji MOVIE kvarkai leptonai sąveikų nešėjai A.Juodagalvis, Įvadas į dalelių fiziką 10

11 Greitintuvai padėjo atrasti daugybę dalelių Keistasis (s-kvarkas), kylantysis (u-kvarkas) ir krintantysis (d-kvarkas) elektronas miuonas neutrinai elektroninis miuoninis Gelminis (b-kvarkas) Žavusis (c-kvarkas) tauonas Viršūninis (t-kvarkas) tauoninis neutrinas Higso bozonai SUSY??? L H C fotonas gliuonas W, Z R.Landua A.Juodagalvis, Įvadas į dalelių fiziką 11

12 Dalelių zoologijos sodas ( ) Nauji greitintuvai ir detektoriai leido atrasti daugybę dalelių (~200) π + π π 0 η' Eta-praim Pionai η Eta ρ + ρ ρ o Ro K + K K 0 Kaonai φ Fi Δ ++, Δ +, Δ 0, Δ Delta Σ +, Σ 0, Σ Sigma (keistos!) Λ 0 Lambda (keista!) Ξ 0, Ξ Sigma(labai keista!) Mezonai BARIONAI Standartinis modelis leido suprasti dalelių ypatybes A.Juodagalvis, Įvadas į dalelių fiziką 12 R.Landua

13 SUSY? Jėgų unifikavimas Kvantinė gravitacija? Super unifikavimas Magnetizmas Kvantinė elektrodinamika (QED) Elektro- Magnetizmas Elektrosilpnasis Maxwell Elektra modelis Fermi Silpnoji teorija Silpnoji sąveika Didysis Standartinis Unifikavimas modelis Branduolinė sąveika Kvantinė chromodinamika (QCD) Universali gravitacija Kepler Einstein, Newton Galilei Žemės gravitacija toliveika artiveika artiveika Dangaus kūnų gravitacija toliveika Theorijos: Stygos? Reliatyvistinė/Kvantinė Klasikinė CERN info A.Juodagalvis, Įvadas į dalelių fiziką 13

14 Bangų interferencija Bangos sąveikaus Taškinis bangų šaltinis Bangos sąveikaus ir atsiras interferencinis raštas Jei naudojami šviesos šaltiniai, interferencija matoma kaip šviesios ir tamsios juostelės A.Juodagalvis, Įvadas į dalelių fiziką 14

15 Elektronų interferencija 8 elektronai 270 elektronų 2000 elektronų 6000 elektronų Elektronai turi ir dalelės, ir bangos savybių Cassiopeia Project filmukas A.Juodagalvis, Įvadas į dalelių fiziką 15

16 SM sudėtiniai elementai: tikimybė F.Galtono atsitiktinių skaičių generavimo mašina Normalinio (Gauso) pasiskirstymo funkcija Padalijimas į skyrelius sukuria netolygumą, jei padalijimai labai siauri, gauname tolydžią funkciją A.Juodagalvis, Įvadas į dalelių fiziką 16

17 SM sudėtiniai elementai: sukinys Looking Glass Universe filmukas Šterno-Gerlacho eksperimentas A.Juodagalvis, Įvadas į dalelių fiziką 17

18 Sąveikas perneša dalelės Elektromagnetinę sąveiką perduoda fotonai toliveikė jėga e - e - Silpnąją sąveiką perduoda W ir Z bozonai artiveikė jėga W ± dalyvauja dalelių virsmuose u d Stipriąją sąveiką perduoda gliuonai (kvarkų klijai ) artiveikė jėga branduolinė (arba hadroninė) sąveika u d R.Landua A.Juodagalvis, Įvadas į dalelių fiziką 18

19 SM sudėtiniai elementai: virtualios dalelės. Kiekviena dalelė spinduliuoja virtualias daleles perduodančias sąveiką kitoms dalelėms: fotonus vektorinius bozonus gliuonus galbūt gravitonus Virtualios dalelės egzistuoja labai trumpą laiką MOVIE A.Juodagalvis, Įvadas į dalelių fiziką 19

20 Kvantas Kvantas fizikos sąvoka, reiškianti nedalomą energijos vienetą. Kvantuoti dydžiai gali turėti tik tam tikras diskrečias skaitines vertes. Fotoefektas: elektronų greitis priklauso nuo krentančios šviesos dažnio, bet ne intensyvumo h 2 mv A 2 Bohr o modelis A.Juodagalvis, Įvadas į dalelių fiziką 20

21 Kiekviena dalelė turi savo antidalelę What happened to antimatter? - Rolf Landua A.Juodagalvis, Įvadas į dalelių fiziką 21

22 Leptonai SM sudėtiniai elementai: simetrijos kylantysis žavusis viršūninis Krintantysis keistasis gelminis Simetrijos vaidina svarbų vaidmenį: pvz., kiekvienoje šeimoje tiek pat dalelių su tokiais pat kvantiniais skaičiais elektroninis miuoninis tauoninis neutrinas neutrinas neutrinas elektronas miuonas tauonas A.Juodagalvis, Įvadas į dalelių fiziką 22

23 Leptonai SM sudėtiniai elementai: simetrijos kylantysis žavusis viršūninis Krintantysis keistasis gelminis Simetrijos vaidina svarbų vaidmenį: pvz., kiekvienoje šeimoje tiek pat dalelių su tokiais pat kvantiniais skaičiais elektroninis miuoninis tauoninis neutrinas neutrinas neutrinas elektronas miuonas tauonas A.Juodagalvis, Įvadas į dalelių fiziką 23

24 SM sudėtiniai elementai: laukas Laukas nusako dydžio kitimą kiekviename erdvės taške: tik vertę skaliariniai laukai vertę ir kryptį vektoriniai laukai verčių kryptingumą (vertė priklauso nuo krypties) tenzoriniai laukai MOVIE CERN info A.Juodagalvis, Įvadas į dalelių fiziką 24

25 Dalelių fizika viena lygtimi kvantinių laukų teorija Kalibruotė Fermioniniai laukai Higso laukas (elektrosilpnosios sąveikos pažeidimas) Neutrinų kitimas A.Juodagalvis, Įvadas į dalelių fiziką 25

26 SM sudėtiniai elementai:. Viename dėmeny esantys nariai ne visada gali būti sukeisti vietomis laukų ypatybės A B = B A Tai vadinamoji ne-abelinė algebra Pvz., xˆˆ p? px ˆ ˆ i pirmyn ir kairėn kairėn ir pirmyn Vanduo geriau telpa į tuščią stiklinę A.Juodagalvis, Įvadas į dalelių fiziką 26

27 SM sudėtiniai elementai:. Heizenbergo pasiūlytas neapibrėžtumo principas neapibrėžtumo principas x p 2 E t Atvedė prie suvokimo apie kvantines fliuktuacijas Naiviu įsitikinimu (kasdienė patirtis) Kvantinės fliuktuacijos (netobulas atvaizdavimas) Kaip elgiasi akmeninis rutuliukas dubens dugne? UK OER project A.Juodagalvis, Įvadas į dalelių fiziką 27

28 CERN didieji eksperimentai A.Juodagalvis, Įvadas į dalelių fiziką 28

29 Keturi didieji eksperimentai ATLAS CMS LHCb A.Juodagalvis, Įvadas į dalelių fiziką 29

30 Ko tikimasi greitintuve? Greitintuvo energija D.Barney (CMS & CERN)

31 Ko tikimasi greitintuve? Greitintuvo energija D.Barney (CMS & CERN)

32 Ko tikimasi greitintuve? E=mc 2 Susidūrimo energija buvo panaudota kitų dalelių sukūrimui. Dalelių, kurios kadaise egzistavo, bet dabar nebeegzistuoja! Greitintuvo energija D.Barney (CMS & CERN)

33 Didelės energijos protonų susidūrimas MOVIE CERN info A.Juodagalvis, Įvadas į dalelių fiziką 33

34 Higso mechanizmas Įprastoje aplinkoje turime elektromagnetinę ir silpnąją sąveikas, esant dideliai energijai jų negalima atskirti elektrosilpnoji sąveika Higso mechanizmas Higso lauko stiprumas yra simetriškas, bet žemiausia vertė yra ne centre spontaninis simetrijos pažeidimas Ant dugno gulinčiam rutuliukui nesunku judėti ratu A.Juodagalvis, Įvadas į dalelių fiziką 34

35 Higso laukas ir Higso bozonas MOVIE Su Higso lauku sąveikaujančios dalelės įgyja masę P.S. Filmukas komentuotas dar prieš atrandant Higso bozoną A.Juodagalvis, Įvadas į dalelių fiziką 35 CERN info.

36 Užregistruoti Higso bozono įvykiai Higso bozonas sugautas Skilimas į du fotonus... ir... keturis leptonus A.Juodagalvis, Įvadas į dalelių fiziką 36

37 Higso bozono skilimas į du fotonus A.Juodagalvis, Įvadas į dalelių fiziką 37

38 CERN CMS detektorius A.Juodagalvis, Įvadas į dalelių fiziką 38

39 Artimiausi LHC uždaviniai Kokia yra dalelių masės kilmė? Kodėl vienos dalelės yra itin masyvios, o kitos kitos beveik neturi masės? Ar atrastoji dalelė yra Higso bozonas? Standartinis modelis neapjungia visų fundamentaliųjų sąveikų (elektromagnetinės, stipriosios, silpnosios ir gravitacinės). Ar egzistuoja supersimetriškos dalelės? Kiek papildomų matavimų turi erdvė? Regima medžiaga sudaro tik 4% Visatos masės. Kokia yra tamsiosios materijos (23%) ir tamsiosios energijos (73%) kilmė? Ar tamsioji materija yra supersimetriškos dalelės? Kodėl Visatą sudaro materiją ir nėra antimaterijos? Kokia yra medžiagos sandara esant aukštam slėgiui ir temperatūrai? Kokios yra kvarkų-ir-gliuonų plazmos savybės? Ar kvarkai fundamentalios dalelės? A.Juodagalvis, Įvadas į dalelių fiziką 39

40 Susipažinkime su dalelių fizika kitaip A.Juodagalvis, Įvadas į dalelių fiziką 40

41 CERN MediaLab: ETAPE Etape kompiuterinis žaidimas, supažindinantis su pastatytais greitintuvais ir dalelių standartiniu modeliu A.Juodagalvis, Įvadas į dalelių fiziką 41

42 SPRACE (San Paolo Research and Analysis Center) Sprace2 kompiuterinis žaidimas, supažindinantis su dalelėmis ir medžiagos sandara A.Juodagalvis, Įvadas į dalelių fiziką 42

43 Ačiū už dėmesį

44 Kosminė radiacija Eksperimentai įrengti po Žemės paviršiumi, siekiant sumažinti dalelių foną Sunkiausia izoliuoti nuo neutrinų (beveik neįmanoma) ir miuonų A.Juodagalvis, Įvadas į dalelių fiziką 44

45 Higso bozono skilimas į 2e ir A.Juodagalvis, Įvadas į dalelių fiziką 45

46 CERN o greitintuvų schema A.Juodagalvis, Įvadas į dalelių fiziką 46

47 CMS skersinis pjūvis A.Juodagalvis, Įvadas į dalelių fiziką 47

48 Protonų susidūrimai 7x10 12 ev Spindulio energija cm -2 s -1 Skaistis 2808 Pluoštelių skaičius spindulyje Protonų skaičius pluoštelyje 7.5 m (25 ns) Pluoštelių susidūrimų dažnis 40 MHz 7 TeV protonų protonų susiduriantys srautai Protonų susidūrimų dažnis 600 MHz Sudedamųjų dalių susidūrimai Naujų dalelių susidarymas 10-5 Hz (Higgs, SUSY,...) p µ + µ - Z H µ + µ - Z p p q q c ~ 0 2 e - ~ g ~ q q ~ e c 1 - q p ~ c 0 1 Reikia rasti 1 įdomų įvykį tarp 10,000,000,000,000 (T.S.Virdee) A.Juodagalvis, Įvadas į dalelių fiziką 48

49 Dalelių fizika viena lygtimi kvantinių laukų teorija Standartinio modelio parametrai derinasi su eksperimentiniais duomenimis dideliu tikslumu! Kalibruotė Aromatai Elektrosilpnosios sąveikos pažeidimas Neutrinų kitimas (jei neutrinas yra savo antidalelė) A.Juodagalvis, Įvadas į dalelių fiziką 49

50 Numatytos Higso bozono skilimo tikimybės A.Juodagalvis, Įvadas į dalelių fiziką 50

51 Signalo paieška bendru atveju... Tai nebūtinai signalas Tai ne signalas atkurtoji dalelės masė (GeV/c 2 ) Išskirtasis signalas A.Juodagalvis, Įvadas į dalelių fiziką 51

52 Drell-Yan procesas Kvarkų jūros (t.y. partonų) egzistavimą nukleonuose dar geriau nurodo Drell-Yan procesas: neutralios leptonų poros susidarymas e + *,Z *,Z e + q + Drell-Yan procesas yra teoriškai gerai išnagrinėtas (yra atlikti antros tikslumo eilės skaičiavimai) Gali būti panaudojamas partonų pasiskirstymo funkcijų tikslinimui ir perturbacinių metodų patikrinimui Fonas kitiems procesams, įskaitant ne standartinio modelio procesus bei Higgs o bozono paiešką _ q p + p X A.Juodagalvis, Įvadas į dalelių fiziką 52

53 Matavimas esant 7TeV pp energijai Elektrono ir pozitrono porų masių pasiskirstymas: CMS preliminary eksperimentiškai nustatytą pasiskirstymą (taškai) atitinka kelių procesų įvykiai: dominantys Drell-Yan įvykiai (signalas, geltona spalva) foniniai Drell-Yan įvykiai (dviejų tau dalelių susidarymas, oranžinė spalva) viršūninių kvarkų anihiliacija (tamsi raudona spalva) kiti elektrosilpnosios sąveikos bei QCD procesai (raudona ir violetinė spalva) A.Juodagalvis, Įvadas į dalelių fiziką 53

54 Matavimas esant 7TeV pp energijai r i 1 i, ll d dm R M i R i U Ni A i i i A norm N norm U norm norm Matavimai buvo kartojami sukaupus naujus duomenis A.Juodagalvis, Įvadas į dalelių fiziką 54

55 Nukleonų struktūra Protonų ir neutronų kvantinių skaičių aprašymui užtenka 3 valentinių kvarkų Jei tai tiesa, didelės energijos elektronų netamprios sklaidos reakcijos skerspjūvis turėtų būti SLAC eksperimento rezultatai: x= q 2 /2M 2 ν 3 kvarkai A.Bodek et al, Phys. Rev. D20, 1471 (1979) dσ en 2 = dσ ep 3 e e' f N Išvada: turi egzistuoti kvarkų jūra A.Juodagalvis, Įvadas į dalelių fiziką 55

56 Nukleonų struktūra Protonų ir neutronų kvantinių skaičių aprašymui užtenka 3 valentinių kvarkų Jei tai tiesa, didelės energijos elektronų netamprios sklaidos reakcijos skerspjūvis turėtų būti SLAC eksperimento rezultatai: x= q 2 /2M 2 ν 3 kvarkai A.Bodek et al, Phys. Rev. D20, 1471 (1979) dσ en 2 = dσ ep 3 e e' f N Išvada: turi egzistuoti kvarkų jūra Partonų pasiskirstymo funkcijos A.Juodagalvis, Įvadas į dalelių fiziką 56

57 e - e + μ - τ - p - νe νμ τ - ντ ν mass Particles Atom Nucleus p + n Particle zoo u π d s c STANDARD MODEL b t Brownian motion Special relativity Electromagnetic Quantum mechanics Wave / particle Fermions / Bosons Spin Antimatter QED Higgs GUT SUSY Photon Superstrings Fields W Weak Radioactivity Fermi Beta- Decay P, C, CP violation W bosons EW unification Z 3 generations Strong Yukawa π exchange QCD Colour g Dalelių fizikos istorija Istorija yra gana paini. Atskiri elementai vystėsi lygiagrečiai. Esamos žinios nėra galutinės R.Landua A.Juodagalvis, Įvadas į dalelių fiziką 57

58 Dalelių masių spektras 1 TeV 100 GeV 1 GeV 1 MeV 0.01 ev R.Landua A.Juodagalvis, Įvadas į dalelių fiziką 58

59 1973 The concept of Colour charge PROBLEM: three fermions are not allowed to be in identical states (Pauli exclusion principle) Δ ++ u +2/3 e u u +2/3 e +2/3 e Since the three up-quarks must have parallel spin - there are in a symmetric state The three quarks must be different in one quantum number: colour (Bardeen, Fritzsch, Gell-Mann) R.Landua A.Juodagalvis, Įvadas į dalelių fiziką 59

60 Quantum Chromo Dynamics this has nothing to do with our visible colours, just an analogy Theory constructed in analogy to QED QCD: 3 different charges ( colour charge ) [red, green, blue]* Strong force between quarks is transmitted by (8) gluons Dogma of QCD: Only colour-neutral bound states are allowed, explains: MESONS = Quark-Antiquark BARYONS = 3-Quark states R.Landua A.Juodagalvis, Įvadas į dalelių fiziką 60