LHC, nový stroj na částice Jiří Dolejší Ústav částicové a jaderné fyziky, Matematicko-fyzikální fakulta Univerzita Karlova v Praze

O mikrosvětě toho víme dost … Objev jádra E. Ruthefordem v roce 1911 (Jádro by mělo být nakreslené daleko menší, s průměrem menším než 0,0001 průměru atomu ) Atomisté – představa o atomech jako o nedělitelných stavebních kamenech hmoty. Objev protonu (E. Rutheford 1916) a neutronu (J. Chadwick 1932). Objev elektronu (Thomson 1897) – Thomsonův model atomu (1903). Objev kvarků 1964. Atom a jeho části

O mikrosvětě a částicích toho víme dost …

Fermiony Kvarky a leptony tvoří tři rodiny, vždy po dvou kvarcích a dvou leptonech. Leptony mají menší hmotnost než odpovídající kvarky. Obyčejná hmota je složená jen z kvarků u a d a elektronů, členů první rodiny. Fermiony jsou tedy stavební kameny hmoty. Fermiony jsou částice se spinem 1/2, 3/2, … Spin je vnitřní moment hybnosti částice. Udává se v násobcích ћ, což je kvantová jednotka momentu hybnosti, kde Elektrický náboj se vyjadřuje v násobcích náboje protonu. V soustavě SI je elektrický náboj protonu 1,60×10-19 C.

Bosony Kvarky a leptony jsou základní stavební kameny hmoty. Jaké síly je však drží pohromadě? Všechny síly jsou projevem interakcí částic. Existují čtyři základní typy interakcí: gravitační, elektromagnetická, silná a slabá. Síly jsou důsledkem výměny dalších fundamentálních částic nazývaných bosony. Pro každý typ síly existuje jeden nebo více „nosičů“, které zprostředkovávají interakci. Dobře známý foton je například boson, který zprostředkovává elektromagnetickou sílu. Nosiče sil Bosony jsou částice se spinem 0, 1, 2, … Každý kvark nese jednu ze tří hodnot „silného náboje“, kterému se také říká „barevný náboj“. Tyto barevné náboje nemají nic společného s barvami ve viditelném světle. Gluony mají osm možných hodnot barevného náboje. Stejně jako elektricky nabité částice intera- gují tak, že si vyměňují fotony, v silných interakcích interagují barevně nabité částice prostřednictvím výměny gluonů. Leptony, fotony, W a Z bosony silně neinteragují a nemají tedy žádný barevný náboj. Na konci šedesátých let se podařilo vytvořit teorii sjednocující elektro- magnetické a slabé interakce, odpovídající např. za radioaktivitu beta – teorii elektroslabých interakcí.

O mikrosvětě toho sice víme dost, ale zdaleka ne všechno ... Protože je před námi stále mnoho nezodpovězených otázek, jako například: Kde je očekávaný Higgsův boson? Existují předpovězené supersymetrické částice? Existují ony extra dimenze předpovídané některými teoretiky? Co dává částicím jejich hmotu? Docela jednoduchá otázka také může znít: Je příroda zcela popsána současným standardním modelem? Není potřeba nic dalšího? Těžko můžeme odpovědět, že ano! Chce to nové experimenty, nové urychlovače … nové možnosti

Nové poznatky o částicích získáváme ze studia jejich srážek: Ve srážce dvou aut se nic nového nenarodí! V makrosvětě se rodí děti!

Nové poznatky o částicích získáváme ze studia jejich srážek:

Tisíce nově narozených částic ve srážce dvou jader zlata při 100 GeV/A v detektoru STAR.

Jak vypadá a jak funguje dnešní urychlovač? Urychlovač je vestavěn v tunelu podobném tunelu metra. Kromě „zahýbacích“ magnetů má ury- chlovač magnety na zaostřování svazku. Na několika místech jsou částice urychlovány vysokofrekvenčním polem v urychlovacích dutinách. Urychlované částice létají ve vakuu v trubce zahnuté do kruhu. K letu po kruhové dráze jsou nuceny magnetickým polem magnetů obklopujících trubku.

Tohle je urychlovač v krajinných dimenzích

Na místo srážky „dohlíží“ detektor. Některé částice právě prchly 2808 shluků v každém svazku, 1,15×1011 protonů v každém shluku, odstup shluků 25 ns což odpovídá vzdálenosti 7.5 m (místo některých shluků jsou jen mezery) Každý střet dvou shluků znamená průměrně 23 proton-protonových srážek. Střední počet částic, které se narodí ve všech těchto srážkách, je zhruba 1500. Detektor by měl zachytit co nejvíce z nich. Na místo srážky „dohlíží“ detektor. Některé částice právě prchly z oblasti srážky, další srážka bezprostředně hrozí. Detektor by měl: zachytit co nejvíce částic být přesný být rychlý (a laciný a ...) Bohužel jsem líný kreslit 1011 protonů v každém shluku ... Každý proton nese energii 7 TeV, takže každý shluk s 1011 protony nese energii 1011×7×1012 eV = 7×1023 eV = 112 kJ. To je makroskopická energie !!! Takovou energii by mělo auto s hmotností 1200 kg při rychlosti 50 km/h!

Snímek z BEBC (Big European Bubble Chamber) Nabuzené atomy mohou energii vyzářit a to využíváme ve scintilačních detektorech. Ionty mohou způsobit kondenzaci přechlazené páry, což využívaly mlžné komory. Energie předaná ionizací přehřáté kapalině může způsobit vývoj bublinek, které pak trasují dráhu částic. Stačí je osvětlit a vyfotografovat a dostaneme fotografie z bublinových komor, které přispěly k mnoha objevům šedesátých a sedmdesátých let.

A Toroidal LHC ApparatuS Tady je jeden z nich: ATLAS 22 m 44 m

Přehled konstrukce současných detektorů slibující zachycení téměř všech částic: Magnetické pole zahýbá dráhy částic a pomáhá měřit jejich hybnosti. elektron Hadronový kalorimetr: nabízí svůj materiál pro rozvoj hadronových spršek a měří energii, kterou v něm částice zanechají. mion Neutrina utíkají nezpozorována. 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. Mionový detektor: nepokouší se miony zachytit, ale zazname- nává jejich dráhy.

ATLAS 2003 2004

2006

2008

Simulovaná srážka, ve které se narodil Higgsův boson…

Simulovaná srážka, ve které se narodila černá díra

LHC, ATLAS, ALICE jsou nástroje pro nás a pro další generaci