1 Sáhněte si na částice LEP a DELPHI Jiří Dolejší Ústav částicové a jaderné fyziky, MFF UK Praha

2 Urychlovače a detektory Fyzici prošli dlouhou cestu od urychlovačů poslepovaných pečetním voskem jako byl první cyklotron, který vynalezl a postavil za asi 25$ Ernest Lawrence v roce 1930, k obrovským urychlovačům v krajinných rozměrech, jako donedávna byl LEP v CERN... Použity fotografie z CERN a tabulky z The Review of Particle Physics, Particle Data Group.Particle Data Group Replika of Lawrenceova cyklotronu v CERNském Microcosmu

3 CERN LEP, pracoval do úpadu, v roce 2000 eutanázie

4 Jak vypadá a jak funguje dnešní urychlovač? „Klasické“ uspořádání, kdy urychlené částice dopadají na pevný terč „Vstřícné svazky“, „srážeč (collider)“ – dva druhy částic jsou urychlovány v opačných směrech a na několika místech přivedeny ke srážce. BU M PRÁSK Představte si situaci, kdy rychle jedoucí auto narazí do auta stojícího na krajnici. Obě do sebe nabořená auta letí kupředu. Hrozné, ale tak strašné jako čelní srážka dvou rychle jedoucích aut. Hromada šrotu zůstává stát na místě, všechna energie byla využita na destrukci. BU M

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

6

7 Urychlovač je vestavěn v tunelu podobném tunelu metra.

8 Urychlovač je vestavěn v tunelu podobném tunelu metra.

9 Urychlované částice létají ve vakuu v trubce zahnuté do kruhu. …

10 Kromě „zahýbacích“ magnetů má urychlovač magnety na zaostřování svazku. K letu po kruhové dráze jsou urychlované částice nuceny magnetickým polem magnetů obklopujících svazkovou trubku.

11 Na několika místech jsou částice urychlovány vysokofrekvenčním polem v urychlovacích dutinách.

12 Spolupráce generací CERNských urychlovačů Dříve LEP, od roku 2007 (snad) LHC

13

14

15 Experiment DELPHI, 100 m pod zemí

16

17

18 Experiment DELPHI, budovy na povrchu

19 Experiment DELPHI, budovy na povrchu.

20 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...) Každý elektron má energii 50−100 GeV, Létají ve shlucích s 3×10 11 elektrony, tj. každý shluk má energii 3×10 11 ×100×10 9 eV = = 3×10 22 eV = 5 kJ. To je makroskopická energie !!!

21 Bod srážky obklopený vrstvami různých (sub)detektorů. Bod srážky je sledován detektorem, v této ilustraci spousta částic detekci uniká. Skutečný detektor by neměl mít žádné „díry“ a měl by letícím částicím vystavovat dostatečně tlustou vrstvu materiálu, aby je zachytil. (to chce rozumět procesům, které se dějí při průchodu částic látkou).

22 Výsledkem ionizace jsou volné elektrony a kladné ionty Elektrické pole letící nabité částice je schopno vybudit elektrony v atomech a molekulách nějaké látky nebo je dokonce z atomů vytrhnout – ionizovat je. Letící nabitá částice ionizací ztrácí energii, brzdí se. Vytvořené ionty lze využít k detekci – stačí přidat elektrody a přiložit na ně vhodné napětí. Jak detektory fungují? Při dostatečně vysokém napětí je elektron v sil- ném poli okolo středového drátu urychlen tak, že sám ionizuje. Vytváří se tak lavina elektronů.  Geiger-Müllerův počítač Tyto dva ionty bohužel zrekombinovaly. -

23 Stránky pro experty! Můžete je přeskočit, ale … Ionizační ztráty na jednotku plošné hmotnosti. a pro různé částice s různými hybnostmi V různých materiálech …

24 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.

25 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. Snímek z BEBC (Big European Bubble Chamber)

26 Elektron s vysokou energií vyzařuje fotony, které se konvertují na elektron-pozitronové páry, které zase vyzařují fotony, které... To je elektromagnetická sprška. Podívejme se na interakci různých částic se stejnou energií (zde 300 GeV) ve velkém bloku železa: elektron mion pion (nebo jiný hadron) Miony s vysokou energií převážně jen ionizují Pion se sráží s jádrem železa, a v této silné interakci se rodí několik nových částic, které opět interagují s dalšími jádry železa, rodí další nové částice... To je hadronová sprška. Z rozpadů hadronů také občas vylétají miony. Elektrony a piony se svými “potomky” jsou skoro úplně pohlceny v dosta- tečně velkém železném bloku.. 1m

27 Stránky pro experty! Můžete je přeskočit, ale … Energetické ztráty elektronů a pozitronů v olovu. Při vysokých energiích převažuje brzdné záření. Při nízkých energiích převažuje ionizace.

28 Stránky pro experty! Můžete je přeskočit, ale … Účinné průřezy různých procesů přispívajících k energetickým ztrátám fotonů v uhlíku a olovu Při nízkých energiích převažuje fotoefekt, … při vysokých energiích převažuje tvoření elektron-pozitronových párů

29 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.

30 Všechny detektory obalují trubku se svazky částic a místem srážky: Elektromagnetický kalorimetr Hadronový kalorimetr Mionový detektor Vnitřní dráhový detektor

31

32 DELPHI v podzemní jeskyni

33

34

35

36 Existují ony extra dimenze předpovídané některými teoretiky? Docela jednoduchá otázka také může znít: Je příroda zcela popsána současným standardním modelem? Není potřeba nic dalšího? Těžko můžeme odpovědět, že ano! Nové urychlovače a experimenty jsou tak obrovské a drahé, aby umožnily průzkum nových oblastí energie a studium extrémně vzácných procesů ― jestliže se nám dodnes nezdařilo něco zpozorovat, měli bychom si vytvořit šanci to uvidět zítra. LHC se postará o urychlení částic, ale jejich interakce potřebujeme studovat ― potřebujeme vhodné detektory. ATLAS bude jedním z nich. LEP a Delphi skončily, ale staví se nová obrovská a drahá zařízení. Proč???... Protože je před námi stále mnoho nezodpovězených otázek, jako například: Co dává částicím jejich hmotu? Kde je očekávaný Higgsův boson? Existují předpovězené supersymetrické částice?

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

38 Částice, o které se dnes budeme starat Stránky pro experty! Nepropadejte panice!

39

40

41

42 Částice, o které se dnes budeme starat

43 Částice, o které se dnes budeme starat

44 A to už snad stačilo …