“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

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

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

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

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

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 !!!

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)

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

V současnosti už tři roky funguje největší urychlovač na světě

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

LHCb CMS ALICE ATLAS

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)

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 !!!

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

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

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

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

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

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

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

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

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