Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

“Tento velký detektivní příběh dosud není vyřešen. Nemůžeme si být jisti, zda vůbec má konečné řešení. Četba nám již poskytla mnoho: naučila nás základům.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "“Tento velký detektivní příběh dosud není vyřešen. Nemůžeme si být jisti, zda vůbec má konečné řešení. Četba nám již poskytla mnoho: naučila nás základům."— Transkript prezentace:

1 “Tento velký detektivní příběh dosud není vyřešen. Nemůžeme si být jisti, zda vůbec má konečné řešení. Četba nám již poskytla mnoho: naučila nás základům řeči přírody; umožnila nám porozumět mnohým z klíčů a byla často zdrojem radosti a povzbuzení v namáhavém a strastiplném pokroku vědy” A. Einstein, L. Infeld: “Fyzika jako dobrodružství poznání” 1. Úvod 2. Co je mikrosvět a jak do něj nahlédnout? 2.1 O platnosti teorie rozhoduje experiment 2.2 Hierarchická struktura hmoty 2.3 Srážky – hlavní metody studia mikrosvěta 3. Urychlovače a experimenty na nich 3.1 Když to začalo 3.2 Jak urychlovače vypadají a fungují 3.3 Co nám řeknou? 3.4 Jak chytat a měřit částice 4. Urychlovač LHC 4.1 Standardní model 4.2 Urychlovač LHC a jeho první výsledky 5. Závěr Vladimír Wagner Ústav jaderné fyziky AVČR, Řež, E_mail: WWW: hp.ujf.cas.cz/~wagner/ Cesta do mikrosvěta aneb jak člověk poznával a poznává strukturu hmoty

2 Fyzika mikrosvěta – jaké má metody? Mikrosvět – neobvyklé vlastnosti popisované kvantovou fyzikou Přiblížení pomocí analogie – tato zjednodušení je třeba je brát velmi opatrně Věda hledá popis reálného světa Pravdivost různých interpretací lze řešit jen experimentálním pozorováním Každá vědecká teorie i hypotéza musí být falzifikovatelná - testovatelná „Jediné, co mě zajímá, je najít soubor pravidel, která by souhlasila s chováním přírody, a nezkoušet jít příliš daleko za to. Zjistil jsem, že většina filozofických diskusí je psychologicky užitečná, ale nakonec, když se podíváte zpátky do historie, zjistíte, že to, co bylo kdysi řečeno s takovou pádností, je téměř vždy -- do jisté míry -- nesmyslné! “ R. Feynman v rozhovoru v knize P. Daviese a J. Browna „Superstrings: A Theory of Everything?“ Nalezené zákonitosti umožňují dělat testovatelné předpovědi Úplné pochopení teorie ↔ úplné osvojení fyzikálního i matema- tického aparátu → spočtení předpovídaných fyzikálních veličin Richard Feynman Karl Popper v Praze v r Použití pojmů z makrosvěta na vlastnosti mikrosvěta ↔ pozor opatrně při interpretaci

3 Složení hmoty Hmota je složena z částic - mezi nimi působí interakce Důležité nástroje pro popis mikrosvěta: 1) Speciální teorie relativity - rychlosti blízké rychlosti světla, kinetická energie srovnatelná s klidovou 2) Kvantová fyzika - velmi malé hodnoty veličin  kvantový a pravděpodobnostní charakter, Heisenbergův princip neurčitosti Atomová fyzika, fyzikální chemie Jaderná fyzika Fyzika elementárních částic Superstrunové teorie? (rozměr m)? Hustota vody 10 3 kg/m 3 Hustota jádra ~10 18 kg/m 3 R ATOM /R JÁDRO ~ 10 5 → V ATOM /V JÁDRO ~ 10 15

4 Počátek studia stavby atomu Diskuze okolo modelu atomu J.J. Thomsona – atom je kladně nabitá koule (3∙ m) uvnitř níž jsou elektrony. Studium chování záření α při průchodu kovovými foliemi – H. Geiger a E. Marsden pod vedením E. Rutherforda (1910). Pozorují: 1)Většina částic α letí přímočaře nebo se rozptýlí jen trochu 2) U několika málo pozorují velký odklon a výjimečně i odraz (velmi překvapivé). Vysvětlení: atom se skládá ze dvou rozdílných částí: atomového jádra ( m) a elektronového obalu → jaderný či planetární model atomu. Přítomnost protonů (jader vodíku) v atomovém jádře prokázal E. Rutherford (1919). W. Bothe a H. Becker (1930) nový pronikavý typ záření (ostřelování Be, B nebo Li částicemi α). J. Chadwick (1932) - jsou to neutrální částice s hmotností blízkou hmotnosti protonu – neutrony Planetární model atomu: Rutheford a Marsden u zařízení

5 Experimentální pozorování je rozhodujícím kritériem pro uznání platnosti hypotézy a její přeměnu v teorii Větší detaily, energie a teploty, produkce těžších částic Stěžejní nástroj – srážka urychlených částic 1) Nárůst energie → větší detaily Zatím největší urychlovače E ~ 100 GeV → m 2) Produkce částic s vyšší klidovou energií (hmotností) Celkové energie už přímo makroskopické – pád 0,02 g z výšky 1 m  srážka dvou menších much nebo větších komárů Klidová hmotnost protonu: ~ 1 GeV LHC – srážka protonů s energiemi 7000 GeV Jádra olova (208 nukleonů) na každý 2700 GeV  GeV = 1,8∙10 -4 J Hmotnost 1 g se stejnou rychlostí  5  J ( hirošimských bomb) Stejná energie Rozdíl rozměrů V současné době už se sráželi 1 eV = 1,602∙ J E = mc 2 3) Dosažení co nejvyšších hustot a teplot

6 Historické stránky Americké fyzikální společnosti (AIP) Potřeba urychlovat částice na vyšší energie – produkce a hledání nových částic Existence kosmického záření – jeho doplnění umělým zdrojem Princip urychlovače typu cyklotron První urychlovač – E.O. Lawrence v roce 1930 typ – cyklotron zdroj částic magnetické pole – kruhová dráha částice elektrické VF pole pro urychlení Nobelova cena za fyziku 1939 nyní více než urychlovačů různých typů !!! Potřebujeme urychlovač !!!

7 Původní patentový nákres a model prvního urychlovače (průměr okolo 11 cm, V = 1800 V) Současné urychlovače – obrovské množství různých typů. Od malých produkčních pro medicínu (japonský R = 1 m) až po giganty v CERNu (R = 4 km)

8 Z čeho se urychlovač skládá: Iontový zdroj – produkce nabitých částic Elektrostatické nebo proměnné elektrické pole – urychlení částice – urychlovací systém Magnetické pole – určuje dráhu částice, provádí fokusaci svazku – magnetické čočky vedou svazek a snaží se co nejvíce jej zúžit Radiační ochrana – zajištění bezpečnosti pomoci stínění Vakuový systém – částice se při urychlování musí pohybovat ve vysokém vakuu – nutný systém vývěv Zdroj plazmy – elektrický výboj Dipólové magnety LHC Chlazení – supravodivé magnety potřebují heliové teploty Řídící centrum urychlovače LHCKryogenní systém pro LHC Řídící systém – ovládání, řízení a kontrola práce urychlovače Urychlovací prvky LHC

9 V současnosti už tři roky funguje největší urychlovač na světě

10 1700 supravodivých magnetů z nich 1232 největších dipolových 200 teplých magnetů Tedy 1700 kryogenních propojení. Tedy kryogenních svarů m 2 vícevrstevné izolace Obvod 27 km – slušná linka metra - čtyři experimenty  čtyři zastávky  čtyři křížení dvojice rour Spouštění magnetu do podzemního tunelu Spojovací část mezi jednotlivými sekcemi 120 tun supravodivého a supratekutého helia

11 LHCb CMS ALICE ATLAS

12 Nejen připravit hmotu z počátku vesmíru, ale i si ji prohlédnout Máme na to detektory – a tu jsou jejich úkoly: 1)Zachytit co nejvíce částic a určit jejich vlastnosti 2)Zachytit a určit energii i těch nejenergetičtějších částic 3)Zachytit dráhu krátce žijících částic nebo dráhy jejich produktů rozpadu 4)Určit hybnosti částic 5)Určit náboje částic Vnitřní dráhové detektory Hadronové kalorimetry Elektromagnetické kalorimetry Velké dráhové komory (umístěné v magnetickém poli)

13 Jeden z posledních snímků ALICE před uzavřením jeskyně před čtyřmi lety (nejmladší „fyzik“ na obrázku pochází z české ALICE komunity) !!! Velký experiment – potřeba hodně lidí !!!

14 Účast našich studentů na instalaci křemíkových driftových detektorů a jejich elektroniky Čekání na ALICI – čekali a čekají i čeští fyzikové

15

16 První případy srážek dvou jader olova z experimentu ALICE (místo 10 až 100 částic se ve srážce produkuje až částic)

17 Standardní model Hmota je tvořena částicemi (fermiony s=1/2), mezi kterými působí interakce, které jsou zprostředkovány výměnou částic (bosony s=celé číslo) Tři druhy interakcí: 1) Silná - kvantová chromodynamika (působí pouze na kvarky a z nich složené hadrony – baryony a mezony) 2) Elektromagnetická - kvantová elektrodynamika 3) Slabá - elektroslabá teorie + antičástice Gravitace stojí mimo standardní model – je velmi slabá a v mikrosvětě se neprojevuje tvoří běžnou hmota za normálních podmínek výměnný charakter interakcí baryony – tři kvarky mezony – kvark a antikvark elektrický náboj barevný náboj Tady je Higgs Je spojený s generací části hmotnosti

18 Budovaný urychlovač LHC Proč: Studium hmoty existující ve vesmíru Pochopení vlastností sil, které v přírodě působí Dosažená teplota: ~ 2,1×10 12 K Dosažená hustota: ~ 4 ρ 0 = kg/m 3 Jak: Urychlovač – produkce husté a horké hmoty (možnost prokázal urychlovač BEVALAC) Experimentální zařízení – studium této hmoty Soustava s neutronovou hvěz- dou v představách malíře RHIC a LHC jsou kuchyně pro vaření velmi horké polévky 80. léta – začátek studia horké a husté jaderné hmoty Začátek 21. století – studium extrémně horké hmoty Jak získat nejhustší a nejteplejší hmotu v laboratoři

19 Jak identifikovat částici detekcí produktů rozpadu? Určit hybnosti a energie produktů rozpadu a z nich spočítat klidovou hmotnost původní částice

20 Existence nové částice ?higgse? potvrzena ! 1) Potvrzen přebytek pro γγ a ZZ rozpady v oblasti hmotnosti 125 GeV 2) Pravděpodobnosti produkce a rozpadu odpovídají standardnímu higgsi 3) Jedná se o boson se spinem 0 4) Větší statistika a studium dalších reakcí potvrdí, zda jde opravdu o standardního higgse

21 LHCb – studium rozdílu mezi hmotou a antihmotou Rozpad B d 0 částic a antičástic

22 Není černá díra jako černá díra !!! Mikroskopická černá díra (pokud existuje) je neškodná !!! Klasická černá díra Mikroskopická černá díra Je ve vesmíru pozorována Rozměr i hmotnost hvězdná Zatím jen hypotetický objekt v exotických teoriích Hmotnost atomového jádra Rozměr 1000 x menší než proton Hned se vypaří Do atmosféry Země dopadá kosmické záření ještě s většími energiemi než mají protony a jádra na LHC

23 Závěr Fyzikové vypracovávají teorie, které nám umožňují předpovídat budoucí děje. Správnost těchto teorií se dá ověřovat jedině experimentem a srovnáním předpovědí s pozorováním. Nejběžnějším typem experimentu v jaderné a částicové fyzice jsou srážky Pro srážky s vysokou energií potřebujeme urychlovače – stále větší a větší urychlovače Měří se stejné nebo podobné fyzikální veličiny, které znáte. Jen je k tomu třeba mít složitější přístroje. Vidíme stále větší detaily a produkujeme stále těžší částice. Také horkou a hustou hmotu, jaká byla na počátku vesmíru můžeme dostat i v laboratoři pomocí srážek těžkých jader urychlených na rychlosti blízké rychlosti světla. Nový urychlovač znamená i objev nových částic a potvrzení teorií. Koncem roku 2009 začal pracovat největší urychlovač na světě LHC, už třetí rok poskytuje první informace Účast českých fyziků - příležitost i pro studenty VŠ a tedy i pro Vás


Stáhnout ppt "“Tento velký detektivní příběh dosud není vyřešen. Nemůžeme si být jisti, zda vůbec má konečné řešení. Četba nám již poskytla mnoho: naučila nás základům."

Podobné prezentace


Reklamy Google