EurOpen Chudenice Fyzika částic a současné experimenty na urychlovačích Miloš Lokajíček

Plán Základní síly fyziky částic –Rozměry a jednotky –Gravitační, elektromagnetická, slabá, silná –Zkoumání vlastností částic Urychlovače a detektory –Urychlovače –Detektory –Status LHC Jak jsme stavěli hadronový kalorimetr ATLAS »Mnoho obrázků je z prezentací kolegů a připravované účebnice kolegy J. Dolejšího

Rozměry a jednotky Hmotnostní škála Délková škála m naše tělo atom elektron atomové jádro vlnová délka světla elektron kg atom naše tělo

Rozměry a jednotky “atomová hmotnostní jednotka” u, 1/12 hmotnosti atomu uhlíku ( 12 C). 1 u = × kg Einsteinův vztah E = mc 2 -> m = E/c 2 Fyzika částic 1 eV, kinetická energie, kterou získá nabitá částice s nábojem 1e, která projde potenciálním rozdílem 1 V 1 eV = × J, 1 eV/c 2 = × kg 1 u = MeV/c 2 Důležité hodnoty m proton ≈ u ≈ 1 GeV/c 2, m elektron ≈ 0,5 MeV/c 2 1 eV ≈ 1,6 × J, c ≈ 3 × 10 8 m/s Obvykle využití jednotek, kde c=1 Např. gravitační zákon F=konst. m1*m2/r 2, jednotky známé Změřit konstantu, je-li konst.=1, pak F v jednotkách kg2/m2. V dříve používaných jednotkách cgs byla např. jednotka kapacity cm -1

kg Dalsí běžné jednotky 1 Å = m fermi 1 F = 1 fm = m T G M k m  n p f tera giga mega kilo mili micro nano pico femto elektron naše tělo atom TeV GeV MeV /c 2 Rozměry a jednotky

Klidová energie atomu Klidová energie elektronu Tepelná energie atomu Energie elektronu v televizní obrazovce 1joule Největší energie protonu ze současného urychlovače (Tevatron ve FNAL) Energie proto- nu z “příkladu o volném pádu” eV (TeV) (GeV) (MeV) (keV) (eV) (meV) Energie obsažená v jedné sklenici piva (0.5 litr) Lidská denní spotřeba energie Největší energie jednotlivé částice pozorované v kosmickém záření Klidová energie komára Vazbová energie nukleonů v jádru Vazbové energie elektronů v atomech Energie fotonů ve viditelném světle Moje kinetická energie při chůzi Kinetická energie letícího komára LHC

Konstituenty hmoty Fermiony + Bosony Fermiony – nositelé hmotnosti (poloviční spin)

Bosony, zprostředkují síly (celočíselný spin) Konstituenty hmoty Fermiony + Bosony

(Ne)elementární částice

Síly mezi částicemi popisovány jako tzv. výměnné síly zprostředkované výměnnou určité částice Slabá + elektromagnetická = elektroslabá (Maxwell v 19. století sjednotil elektřinu a magnetismus) Základní síly sílapůsobí namezi částicemizprostředkující částice relativní síla gravitačníhmotu-enrgiivšechny částice Graviton (nepozorován) slabáflavorquarky, leptonyW + W - Z 0 app elektromagnetická Elektrický náboj všechny nabitéfoton1 silná Barevný náboj quarky, gluonygluony20-60

Volné kvarky nejsou Volné kvarky nebyly pozorovány – pouze vazané barevně neutrální objekty Při násilném vzdalování dvou kvarků, barevné pole zesiluje až vytvoří páry quarků a antiquarků, které opět vytvoří barevně neutrální objekty Tento jev se nazývá „quark confinement“

Poznámky k základním silám Velké sjednocení (Grand unification) se pokouší o společný popis elektroslabá + silná –Rozpad protonu (poločas > let) Supersymetrie –Teorie v souvislosti s velkým sjednocením –Každá existující částice má hmotného superpartnera partnera Tak by i neutrino mělo hmotného superpartnera stabilní neutralino – možné vysvětlení temné hmoty ve vesmíru Pokud by se podařilo společně popsat gravitační+elektroslabá+silná  tzv. teorie všeho Extra dimenze –gravitace je ve skutečnosti silnější než se nám jeví v našem 3D prostoru, šíří se ve více dimenzích, které nejsou ploché -> v našich dimenzích je síla neúměrně menší –Předpověděné efekty dosud nepozorovány

Standardní model Standardní model = současná teorie fundamentálních částic a jejích interakcí –Silné interakce kvarků a gluonů pomocí barevných nábojů –Kombinovaná elektroslabá teorie s W a Z bozony jako výměnnými nositeli slabých sil a fotony jako prostředníky elektromagnetických sil –Nezahrnuje gravitační síly (velmi slabé) –Triumf fyziky částic 70. let, zahrnuje vše, co bylo známé a úspěšně předpověděl výsledek mnoha experimentů

Standardní model ALE Neodpovídá na to otázku, co je důvodem, že fundamentální částice mají hmotu (kvarky ve Standardním modelu mají nulovou hmotu) Higgsův mechanismus – nejjednodušší doplnění teorie, které „zhmotní“ konstituenty. Mechanismus obsahuje další částici – Higgsův bozon a další sílu jím zprostředkovanou –Higgsův bozon nebyl dosud nalezen, hmotnost 110 – 190 GeV  LHC

Fyzikální program experimentů LHC Přesná měření top kvarku –Objeven v 1995 ve FNAL Měření CP narušení –Porušení symetrie mezi hmotou a antihmotou v některých srážkách – hledáním vysvětlení, proč je v přírodě nadbytek hmoty nad antihmotou Objevy –Higgsův bozon –Supersymetrie –Extra – dimenze –aj.

Zkoumání struktury částic Pomocí srážek částic –Pružné srážky Částice před a po srážce stejné –Nepružné srážky Většinou produkce nových částic Hluboké nepružné srážky –Pohled do nitra částic Zákony zachování –Energie –Hybnosti

Urychlovače Fermilab TEVATRON CERN LHC DESY HERA KEK KEKB J-PARC BNL RHIC SLAC Linac+ PEP-II Dubna

Urychlovače Lineární –Stovky metrů až kilometry Všude jako počáteční urychlovací stupně –Nová generace, ILC bude km Cíl 70 MV/m Kruhové –TEVATRON obvod 6 km –LHC (od 2007) obvod 27 km SLAC LINAC PEP-II Pevný terč Vstřícné svazky

CERN - Meyrin

Urychlovací komplex v CERN

Urychlovač LHC Urychluje pp, 7+7 TeV –7* více než TEVATRON –Umožňuje hledat nové hmotné částice do hmoty až 5 TeV Luminosita L design =2*10 34 cm -2 s -1 –100 krát více než Tevatron Hledání vzácných procesů – malý účinný průřez σ (N = L σ ) Srážky balíků protonů (10 11 protonů/balík) každých 25 ns Dojde současně asi ke 20 srážkám, každá srážka má v průměru 75 nabitých částic, tj. celkem přes 100 částic (včetně neutrálních) Hledání vzácných případů srážek si vynucuje tuto nepříjemnost

CERN – experiment ATLAS

LHC

Přehled konstrukce současných detektorů slibující zachycení téměř všech částic: elektron mion hadrony Vnitřní dráhový detektor: Minimum materiálu, jemná seg- mentace aby bylo možné měřit přesně body na drahách částic. Electromagnetický kalorimetr: nabízí materiál pro rozvoj elektromagnetických spršek a měří absorbovanou energii. Hadronový kalorimetr: nabízí svůj materiál pro rozvoj hadronových spršek a měří energii, kterou v něm částice zanechají. Mionový detektor: nepokouší se miony zachytit, ale zazname- nává jejich dráhy. Neutrina utíkají nezpozorována. Magnetické pole zahýbá dráhy částic a pomáhá měřit jejich hybnosti.

Weigh t: 7000 t 44 m 22 m Level-1 latency Interactions every 25 ns … –In 25 ns particles travel 7.5 m Cable length ~100 meters … –In 25 ns signals travel 5 m Total Level-1 latency = (TOF+cables+processing+distribution) = 2.5  sec For 2.5  sec, all signals must be stored in electronics pipelines

Higgs -> 4  The challenge How to extract this…… from this … +30 MinBias

HLTHLT DATAFLOWDATAFLOW ROS LV L1 D E T RO LVL2 TriggerDAQ 2.5  s ~ 10 ms Calo MuTrCh Other detectors FE Pipelines Read-Out Drivers Read-Out Sub-systems ROIB L2P L2SV L2N RoI Builder L2 Supervisor L2 N/work L2 Proc Unit RoI RoI data = 1-2% RoI requests Lvl2 acc = ~2 kHz Sub-Farm Output SFO Lvl1 acc = 75 kHz 40 MHz 75 kHz ~2 kHz ~ 200 Hz 120 GB/s ~ 300 MB/s ~2+4 GB/s Event Filter EFP ~ sec Event Filter Processors 120 GB/s ~4 GB/s EFacc = ~0.2 kHz Read-Out Buffers Read-Out Links TDR Ch.2-5-app.A ROD ROB ARCHITECTURE (Functional elements and their connections) EB SFI EBN Sub-Farm Input Event Building N/work Event Builder Event Filter N/work EFN Dataflow Manager DFM

Barrel Toroid: 8 separate coils Barrel coil toroid transport and installation

CABLING!

300+ racks of read-out electronics underground

Albany, Alberta, NIKHEF Amsterdam, Ankara, LAPP Annecy, Argonne NL, Arizona, UT Arlington, Athens, NTU Athens, Baku, IFAE Barcelona, Belgrade, Bergen, Berkeley LBL and UC, Bern, Birmingham, Bonn, Boston, Brandeis, Bratislava/SAS Kosice, Brookhaven NL, Bucharest, Cambridge, Carleton, Casablanca/Rabat, CERN, Chinese Cluster, Chicago, Clermont-Ferrand, Columbia, NBI Copenhagen, Cosenza, INP Cracow, FPNT Cracow, Dortmund, JINR Dubna, Duke, Frascati, Freiburg, Geneva, Genoa, Glasgow, LPSC Grenoble, Technion Haifa, Hampton, Harvard, Heidelberg, Hiroshima, Hiroshima IT, Indiana, Innsbruck, Iowa SU, Irvine UC, Istanbul Bogazici, KEK, Kobe, Kyoto, Kyoto UE, Lancaster, Lecce, Lisbon LIP, Liverpool, Ljubljana, QMW London, RHBNC London, UC London, Lund, UA Madrid, Mainz, Manchester, Mannheim, CPPM Marseille, Massachusetts, MIT, Melbourne, Michigan, Michigan SU, Milano, Minsk NAS, Minsk NCPHEP, Montreal, FIAN Moscow, ITEP Moscow, MEPhI Moscow, MSU Moscow, Munich LMU, MPI Munich, Nagasaki IAS, Naples, Naruto UE, New Mexico, Nijmegen, BINP Novosibirsk, Ohio SU, Okayama, Oklahoma, LAL Orsay, Oslo, Oxford, Paris VI and VII, Pavia, Pennsylvania, Pisa, Pittsburgh, CAS Prague, CU Prague, TU Prague, IHEP Protvino, Ritsumeikan, UFRJ Rio de Janeiro, Rochester, Rome I, Rome II, Rome III, Rutherford Appleton Laboratory, DAPNIA Saclay, Santa Cruz UC, Sheffield, Shinshu, Siegen, Simon Fraser Burnaby, Southern Methodist Dallas, NPI Petersburg, Stockholm, KTH Stockholm, Stony Brook, Sydney, AS Taipei, Tbilisi, Tel Aviv, Thessaloniki, Tokyo ICEPP, Tokyo MU, Tokyo UAT, Toronto, TRIUMF, Tsukuba, Tufts, Udine, Uppsala, Urbana UI, Valencia, UBC Vancouver, Victoria, Washington, Weizmann Rehovot, Wisconsin, Wuppertal, Yale, Yerevan ATLAS Collaboration 34 Countries 151 Institutions 1770 Scientific Authors (more are joining…)

Status ATLASCMS ALICE LHCb

Kosmické testy miony po instalaci Hadronový kalorimeter, červen 2005 Vnitřní drahový detektor (křemíkový stripový a TRT) květen 2006

FERMILAB (CHICAGO) Experiment D0 –Tevatron p+antip –2 TeV –Obvod TEVATRON 6 km –Main Injector Více funkcí Skladování antip po beam dump Main Injector (new) Tevatron DØCDF Chicago   p source Booster

Závěr Výzkum ve fyzice částic probíhá v rozsáhlé mezinárodní spolupráci Moderní urychlovače a detektory jsou unikátní zařízení Výsledky fyziky částic mají úzkou návaznost na kosmologii a zvláště Big Bang (schopny zkoumat jevy zlomky sekund po něm) LHC přináší novou, dychtivě očekávnou generaci experimentů Na explicitní přání organizátorů jsem nezmínil zpracování 1 PB produkovaných dat ročně na mezinárodním gridu fyziky částic