Τι ελπίζουμε να δούμε στον Μεγάλο Αδρονικό Επιταχυντή (LHC) Γ.Ι. Γούναρης, Τμήμα Φυσικής, Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Μάιος 2009

Transcript

1 Τι ελπίζουμε να δούμε στον Μεγάλο Αδρονικό Επιταχυντή (LHC) Γ.Ι. Γούναρης, Τμήμα Φυσικής, Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Μάιος

2 LHC και τα 4 πειράματά του. Περ.: 27 χιλμ. 2

3 Στο τούνελ του LHC Χρειάσθηκαν 25 χρόνια για να σχεδιασθεί, εγκριθεί και κατασκευασθεί ο επιταχυντής και οι ανιχνευτές. Συγκρούσεις p-p 7 TeV + 7 TeV συγκρούσεις /έτος Το πάχος της κάθε δέσμης των p είναι μικρότερο μιας τρίχας. Η πυκνότης ενέργειας στο σημείο συγκρούσεως θα είναι παρόμοια με των πρώτων στιγμών της Δημιουργίας Στις ΗΠΑ λειτουργεί από χρόνια το Tevatron με 7 φορές μικρότερη ενέργεια και 100 (ή 1000) λιγότερα γεγονότα κατ έτος. 3

4 Το κάθε πρωτόνιο που συγκρούεται στο LHC αποτελεί μια ισχυρότατη δέσμη από κουάρκς και g. Σύγκρουση σωματίων στο LHC udsud,,,,, stt,,, bb,, g + εξωτικά σωμάτια udsud,,,,, s, g udsud,,,,, s, g udsud,,,,, stt,,, bb,, g Όμως αν υπάρχουν και αόρατα σωμάτια, τότε θα νομίζαμε ότι παραβιάζεται η διατήρηση της ενέργειας ή ορμής. ΣΥ 4

5 Οι απαιτούμενοι ανιχνευτές είναι τεράστιοι: Οανιχνευτής ATLAS: Όγκος= m 3, 2000 επιστήμονες, 165 Ινστιτούτα, 35 χώρες 45m 22m 5

6 CMS-TS m m m ΟανιχνευτήςτουCMS CMS CERN, Building 40 ATLAS μ m m m m m Transverse View Y ϕ X Towards Center of LHC 6

7 Φάσεις: ATLAS Ιούνιος

8 Φάσεις: Καλώδια 8 7

9 Συνολικά στο ATLAS και CMS εκ. Pixels. Οι εργαζόμενοι απ όλες τις χώρες του κόσμου. Το πλήθος των ερευνητών ανά πείραμα κυμαίνεται στους 2000 με Με συγκρούσεις που τελικά προβλέπεται να φτάσουν τις ανά δευτερόλεπτο, κάθε σύστημα διαχείρισης της πληροφορίας θα υπερφορτωνόταν. 9

10 Η τεχνολογία καινούργια. Δεν υπάρχει πολύ προηγουμένη πείρα. Προβλήματα συνεπώς αναμένονται. 10

11 slhc Τρόποι επιλογής των γεγονότων προ της αποθηκεύσεως απαιτούνται 11

12 Πρώτες μεμονωμένες δέσμες πρωτονίων: 10 Σεπ

13 Στο CMS γιορτάζουν το γεγονός

14 19 Σεπτεμβρίου 2008 Πρόβλημα σε κάποιες διασυνδέσεις 14

15 Παρασκευή 19 Σεπτεμβρίου 2008 Πρόβλημα στο τμήμα 34 Εκκίνηση του τελικού τμήματος στα 5 TeV Εσφαλμένη ηλεκτρική επαφή οδηγεί σε μεγάλη διαρροή Ηλίου στο τούνελ. Το (υπεραγώγιμο) τμήμαθαπρέπεινα θερμανθεί σε θερμοκρασία δωματίου για να διορθωθεί. Επανεκκίνηση προγραμματίζεται για την άνοιξη Αναβάλλεται για τέλος Σεπτεμβρίου ίσως Οκτώβριο... 15

16 LHC status and commissioning 16 μετακινημένοι μαγνήτες... 16

17 Σχεδιάγραμμα: Τι ελπίζουμε να πετύχουμε με τον LHC? Όταν μαζευτεί κάπου επαρκής πυκνότητα ενέργειας, τότε αναπόφευκτα μετατρέπεται σε ύλη. Στον LHC η πυκνότης ενέργειας αναμένεται τεράστια. Η νεώτερη έρευνα δεν έχει πλέον καμιά αμφιβολία ότι ο Κόσμος μας έχει ΑΡΧΗ, (στις αρχές του 20 αιώνα η επιστήμη πίστευε το αντίθετο). Στην αρχή η πυκνότης ενεργείας ήταν τεράστια. Σε τέτοιες συνθήκες, πολλά από τα στοιχειώδη σωμάτια που παρήχθησαν στην αρχή της Δημιουργίας, θα παραχθούν και στον LHC. Οι δυνάμεις έχουν την ίδια υφή όπως και η ύλη. Όλα φαίνονται σαν σωμάτια. Η δομή τους ΔΕΝ είναι όμως τυχαία. Μόλις τα τελευταία χρόνια, αρχίσαμε να την καταλαβαίνουμε! Με τον LHC, ελπίζουμε να προχωρήσει η γνώση της δομής των δυνάμεων και των στοιχειωδών σωματίων της ύλης. 17

18 Η μορφή των δυνάμεων και των σωματίων: Τα στοιχειώδη σωμάτια δεν έχουν ακτίνα, και τίποτε δεν τα εμποδίζει να πλησιάζουν μεταξύ τους. Έτσι, αν οι δυνάμεις ήταν πολύ σκληρές, τότε η ενέργεια ενός μικρού κομματιού του χώρου θα μπορούσε να ξεπεράσει την ενέργεια του Σύμπαντος ολοκλήρου Υπάρχει ΑΝΑΓΚΗ οι δυνάμεις να μην είναι πολύ σκληρές. Αλλιώς τα μαθηματικά δεν δουλεύουν... Ερευνητική μέθοδος: Τι «απαλύνει» τις σκληρότητες αυτές ; Μια πρώτη συμβολή προέρχεται από την αντιύλη. Ο Dirac βρήκε πως αν υπάρχει αντιύλη, οι σκληρότητες αυτές κάπως απαλύνονται. Η αντιύλη ανακαλύφθηκε Αναζητώντας τρόπους περαιτέρω απαλύνσεως οδηγηθήκαμε στις θεωρίες βαθμίδος. Δουλεύουν θαυμάσια όταν δεν υπάρχει μάζα. Όμως, όταν υπάρχει προκαλούνται μεγάλες σκληρότητες! Ο μόνος γνωστός τρόπος να απαλυνθούν οι σκληρότητες αυτές είναι μέσω πεδίων Higgs που κατακλύζουν το Σύμπαν. 18

19 Το πεδίο και τα σωμάτια Higgs Αν το Σύμπαν παρομοιασθεί με μια λιμνούλα, τότε το πεδίο Higgs αντιστοιχεί με το νερό της λίμνης, όταν είναι ακίνητο. Και το πεδίο Higgs χρειάζεται για να αποκτούν μάζα πολλά από τα σωμάτια που την χρειάζονται... Και τα σωμάτια Higgs αντιστοιχούν με τους μικρούς κυματισμούς στην λιμνούλα. Στις πρώτες στιγμές της Δημιουργίας (πριν συμπληρωθεί το πρώτο δευτερόλεπτο), οι τεράστιες πυκνότητες (και θερμοκρασίες) εμπόδιζαν οποιοδήποτε εκτεταμένο πεδίο, να πάρει μη-μηδενική τιμή. Στην αρχή λοιπόν της Δημιουργίας, το πεδίο Higgs πρέπει να μηδενίζεται και κανένα από τα στοιχειώδη αυτά σωμάτια δεν είχε τότε μάζα. Όλα έμοιαζαν τότε με το Φως Η μάζα των στοιχειωδών σωματίων δημιουργήθηκε αργότερα, όταν έπεσε η πυκνότης και η θερμοκρασία, επιτρέποντας στο πεδίο Higgs μη μηδενική τιμές. 19

20 Η Υπερσυμμετρία : Όμως η αντιύλη και οι θεωρίες βαθμίδος και το πεδίο Higgs δεν φαίνεται να αρκούν για μια ικανοποιητική απάλυνση της σκληρότητας των δυνάμεων. Μένουν και άλλες ακόμη σκληρότητες που θα μπορούσαν να απαλυνθούν αν υπήρχε Υπερσυμμετρία. Η Υπερσυμμετρία έχει και άλλα πλεονεκτήματα: παρέχει υποψηφίους για την σύσταση της Σκοτεινής Ύλης (ΣΥ) πού ξέρουμε ότι αποτελεί την κυρία μορφή ύλης στο Σύμπαν. και βοηθά και στην πραγμάτωση του ονείρου της Μεγάλης Ενοποίησης. Στο LHC ελπίζουμε να ανακαλύψουμε την Υπερσυμμετρία, και να παράγουμε ΣΥ στην Γη. 20

21 Στις επόμενες διαφάνειες θα προσπαθήσω να διασαφήσω με εικόνες τα προηγούμενα, ακολουθώντας το Σχεδιάγραμμα Σύντομη περιγραφή της ιστορίας του Χρόνου. Σύντομη περιγραφή του προτύπου μοντέλου για την ύλη και τις δυνάμεις (SM). Το μοντέλο αυτό περιέχει μόνον τις γνωστές μορφές ύλης και δυνάμεων και ένα πεδίο Higgs, και χαρακτηρίζεται από συμμετρίες και αξιοσημείωτες τριαδικές δομές. Όλα τα προβλεπόμενα στο SM σωμάτια έχουν ήδη ανακαλυφθεί, εκτός από το Higgs! Την ανακάλυψη του Higgs, ή κάποιο υποκατάστατό του περιμένουμε από το LHC. Γιατί πιστεύουμε ότι υπάρχει Σκοτεινή Ύλη (ΣΥ); Θα παραχθεί στο LHC ; Υπάρχει πράγματι Υπερσυμμετρία; Θα την δει το LHC ; 21

22 Μια σύντομη ιστορία του Χρόνου (πρώτο μέρος) Οι πρώτοι πυρήνες τα e + εξαφανίζονται Τα q δεσμεύονται και p,n σχηματίζονται τα αντι-q εξαφανίζονται Γέννηση της μάζης sec q q, L L Κοσμικός πληθωρισμός sec Μεγάλη ενοποίηση των 3 δυν. Η Βαρύτης ξεχωρίζει από τιςάλλεςδυνάμειςκαι γίνεται κλασσική. Ο χώρος γίνεται τριδιάστατος 22

23 Μια σύντομη ιστορία του Χρόνου (Δεύτερο μέρος) Σήμερα Η διαστολή επιταχύνεται Υπερκαινοφανείς Δημιουργία αστέρων και Γαλαξιών Πρώτοι αστέρες και γαλαξίες. Το Σύμπαν επανιονίζεταιι: z 15 Το Σύμπαν γίνεται διαφανές και... φωτογραφίζεται. 23 Οι πρώτοι πυρήνες

24 SM: Τακβάντα τωνδυνάμεωνκαιτης ύλης και οι τριάδες τους «Γνωστά» σωμάτια γ Hu H d G Παρατηρήστε μια συνεχή επανάληψη του αριθμού 3. Τα στοιχειώδη σωμάτια της ύλης και των δυνάμεων τα λέμε και κβάντα. Τα κβάντα της ύλης είναι τα κουάρκς και τα λεπτόνια. Εμφανίζονται κατά τριάδες! H Και το κάθε κουάρκ κυκλοφορεί σεu τρία «χρώματα», εξ αιτίας του SU(3). Τα κβάντα των τριών βασικών δυνάμεων d είναι τα γ, g, Z, W ± ενώ G είναι το κβάντουμ της βαρύτητας H G ~ Ηδομήτωνδυνάμεωναυτών χαρακτηρίζεται από την συμμετρία U(1) SU(2) SU(3), που είναι γινόμενο τριών απλών ομάδων. Και όλων οι δράσεις ενεργούν μέσα σ έναν χώρο με τρεις γεωμετρικές διαστάσεις, και μια Φύση με τρία βασικά φυσικά μεγέθη 24

25 Ασυμπτωτική Ελευθερία Ηελκτικήδύναμη ανάμεσα στα κοάρκ αυξάνει με την απόσταση. Τα κουάρκς δεν μπορούν ποτέ να εμφανισθούν ελεύθερα. Εμφανίζονται σαν πίδακες (jets). Δέσμιες καταστάσεις όπως τα p, n θα είχαν σχεδόν ολόκληρη την μάζα τους, και αν ακόμη δεν υπήρχε το Higgs. Η ορατή μάζα προέρχεται κυρίως από QCD SU(3) 25

26 Το Σύμπαν κατακλύζεται σήμερα από το πεδίο Higgs, όπωςμιαλίμνηαπόνερότης. Αν το νερό είναι πυκνό, τα «ψάρια» δυσκολεύονται παίρνουν μάζα. Αν το νερό ήταν πολύ «αραιό», θα ήσαν πιο ελεύθερα. Το πεδίο Higgs είναικάτισανυγρόπου κατακλύζει σήμερα το Σύμπαν. Η βασική ιδέα είναι ότι αλληλεπίδραση ενός μη μηδενικού του πεδίου Higgs με τα άλλα σωμάτια, αυξάνει την ενέργεια τους, και δυσκολεύει την κίνησή τους. Η μάζα των W, Z, e, μ, τ, και των νετρίνο πρέπει να προέρχεται εξ ολοκλήρου από το πεδίο Higgs. Τα κουάρκς όμως παίρνουν την μάζα τους εν μέρει από το Higgs και εν μέρει από QCD.... Τι είναι το σωμάτιο Higgs ; Τα «κυματάκια» στην λίμνη οι κβαντικές διεγέρσεις του πεδίου Higgs είναι το σωμάτιο Higgs Τέτοια «κυματάκια», ελπίζουμε να παραχθούν άγουμε στο LHC. H Υπερσυμμετρία περιμένει m h 140 GeV, 26

27 Ψάχνοντας για το σωμάτιο Higgs. Αναμένεται να παράγεται στο LHC καιναπεθαίνεισχεδόναμέσως 27

28 Ψάχνοντας για το Higgs SM SM: BR(H)=Πιθανότητα διασπάσεως του H σε ζεύγη σωματίων, σαν συνάρτηση του Μ Η. SM m h Συνδυάζοντας τα σφάλματα όλων των μετρήσεων που διαθέτουμε. SM SM 33 MH = 76 GeV < 142GeV MSSM 115 < m < 120 h 24 με P 95% GeV 28

29 Ένα 115 m h 120 GeV είναι πολύ δύσκολο να ανακαλυφθεί (Έτος ) 29

30 Έτος

31 Έτος 2013 Αν το SM είναι σωστό και η Higgs μάζα είναι m h 20 GeV, και αν το LHC δουλεύει με IL ~6 fb -1 /y, τότε θα χρειασθούν τρία περίπου χρόνια για την ανακάλυψή του Higgs. Ίσως το Tevatron προλάβει 31

32 Η Υπερσυμμετρία απαλύνει περισσότερο την σκληρότητα των δυνάμεων «Γνωστά» σωμάτια Υπερσυμμετρικά τους αδέλφια γ Hu u L, R L, R c, t L R H u H d d L, R L, R s b L, R H d G e L, R L, R μ, τ L R G ~ Σε κάθε «γνωστό» αντιστοιχεί ένα ή δυο «υπερσυμμετρικά τους αδέλφια», με πανομοιότυπα φορτία, «χρώμα», ισοσπίν. Διαφέρουν μόνον στο σπιν, και στη μάζα. Οργανώνονται και αυτά κατά τριάδες. Κανένα δεν έχει βρεθεί ως τώρα. Ελπίζουμε στο LHC! 32

33 Η Υπερσυμμετρία ενθαρρύνει το ο όνειρο της Μεγάλης Ενοποίησης Αν M SUSY <1 TeV, τότε οι εντάσεις των τριών δυνάμεων πολύ κοντά στην πηγή τους, παίρνουν πανομοιότυπες τιμές. Οι τρεις δυνάμεις γίνονται μία! Q~1/d : Q GeV d cm Σε αποστάσεις ~ cm, όχι μόνον οι εντάσεις των τριών δυνάμεων, αλλά ίσως και οι «μάζες» των υπερσυμμετρικών σωματιδίων λαμβάνουν κοινές τιμές. 33

34 ΣΥ Ο Γαλαξίας μας έχει διάμετρο περίπου 100 kly (Το φως κάνει 8 για να έλθει από τον Ήλιο, όμως χρειάζεται χρόνια για να φτάσει στο κέντρο του Γαλαξία) Τα άσπρα είναι αστέρια και νεφελώματα. Όμως γύρω από το κέντρο του Γαλαξία υπάρχει πολύ περισσότερη ΣΥ. 34

35 Ένα σημαντικό κομμάτι του Σύμπαντος... Η ύπαρξη ΣΥ αποτελεί κοινή πεποίθηση. 35

36 1Ε Bullet cluster:: Δύο σμήνη γαλαξιών, σε απόσταση D 3.4 Gly, συγκρούσθηκαν 150 Mly νωρίτερα. Σπανιότατη περίπτωση όπου τα κέντρα μάζης της συνήθους και της ΣΥ δεν συμπίπτουν, (Αύγουστος 2006). Οπτικό: Χιλιάδες γαλαξίες Ατιν. Χ: Θερμά αέρια T~10 8 K Σκωτ. Ύλη : βαρυτικά είδωλα Ένας γαλαξίας σαν τον δικό μας 36

37 Μόνον 4% της ενεργείας του Σύμπαντος προέρχεται από γνωστή ύλη. Το 22% προέρχεται από Σκοτεινή Ύλη αποτελούμενη από ουδέτερα, αγνώστου είδους σωμάτια, που δεν αλληλεπιδρούν με το φως, ούτε σχετίζονται με την γνωστή ύλη και δυνάμεις. Αισθάνονται μόνον την βαρύτητα και τις ασθενείς δυνάμεις. Το υπόλοιπο 74% είναι ενέργεια προερχόμενη από άγνωστα πεδία, που ίσως μοιάζουν με το πεδίο Higgs. Σκοτεινή Ενέργεια. CHANDRA X ray τηλεσκόπιο: MACS J :: Δύο σμήνη γαλαξιών, σε απόσταση D 5.6 Gly, Μιαακόμηπερίπτωσηόπουτακέντραμάζηςτηςσυνήθους και της ΣΥ δεν συμπίπτουν, (Αύγουστος 2008). 37

38 Ψάχνοντας για την ΣΥ: Τεχνητός δορυφόρος PAMELA 2006: Ιταλία- Γερμανία- Σουηδία- Ρωσία. 38

39 Κοιτάζοντας προς τη γενική κατεύθυνση του κέντρου του Γαλαξία μας... Εκεί πρέπει να είναι μαζεμένη αρκετή ΣΥ, ώστε να μπορεί να αλληλοκαταστρέφεται... Η PAMELA βλέπει e +, αλλά δεν βλέπει αντιπρωτόνια. 39

40 Τεχνητός δορυφόρος PAMELA 2008: Τα σωμάτια της ΣΥ προτιμούν να αλληλοκαταστρέφονται παράγοντας λεπτόνια μάλλον, παρά κουάρκς. Δύσκολη η εξήγηση με υπερσυμμετρία!! W 0 γ + Z? 40

41 Η Υπερσυμμετρία περιέχει υποψηφίους για την ΣΥ «Γνωστά» σωμάτια Υπερσυμμετρικά τους αδέλφια γ Hu u L, R L, R c, t L R H u H d d s b L, R L, R L, R H d G e L, R L, R τ L R μ, G ~ Τα φυσικά νιουτραλίνο είναι γραμμικοί «συνδυασμοί» των γ, Z, H, H κάτι σαν συμβολή κβαντικών κυμάτων... u Το ελαφρότερο νιουτραλίνο d χ, χ, χ, χ 0 χ 1 Άλλη δυνατότητα για ΣΥ είναι το βαρυτίνο είναι σταθερό και μπορεί να αποτελεί την ΣΥ. G 41

42 0 χ 1 μ μ LR, μ + p 0 χ 2 q L, R p q μ 0 χ 1 q L, R q Μια διαδικασία παραγωγής 2 στο LHC. Τα νιουτραλίνος είναι αόρατα και η ορμή ελλείπουσα. Αν δούμε περισσότερα σωμάτια να φεύγουν προς την μια μεριά απ ότι προς την άλλη, έχουμε ανακαλύψει κάτι. χ

43 Τελειώνοντας Ο μεγαλύτερος σήμερα επιταχυντής, το Tevatron, λειτουργεί στα ~2 TeV. To LHC θα έχει ενέργεια 14 TeV και φορές μεγαλύτερη ροή συγκρουομένων p. Υπάρχει πραγματικά το Higgs ; Ποια είναι η μάζα του; Η ύπαρξη ΣΥ, καιοιενδείξειςγιατηνενοποίηση των δυνάμεων και άλλα οδηγούν στο συμπέρασμα ότι υπάρχουν κβάντα που δεν περιέχονται στον SM. Υπάρχει πράγματι Υπερσυμμετρία με M SUSY ~1 TeV; Με τον LHC θα παράγουμε ΣΥ στη Γη; Όμως έχουμε επιστημονικά πεισθεί ότι το Σύμπαν που βλέπουμε έχει Αρχή. Γεννήθηκε πριν 14 δισ. χρόνια, και κάποτε θα τελειώσει. Και εκπλήττομαι από το γεγονός ότι ό,τι είναι σίγουρο στην επιστημονική περιγραφή συμπίπτει απολύτως με την Γραφική περιγραφή την γραμμένη 1400 χρόνια π.χ. 43