Τα μεγάλα πειράματα στη Φυσική Στοιχεωδών Σωματιδίων: Τα τηλεσκόπια του μικροκοσμου και η ανακάλυψη του Higgs. Κώστας Κορδάς και. Δέσποινα Σαμψωνίδου

Transcript

1 Τα μεγάλα πειράματα στη Φυσική Στοιχεωδών Σωματιδίων: Τα τηλεσκόπια του μικροκοσμου και η ανακάλυψη του Higgs Κώστας Κορδάς και Δέσποινα Σαμψωνίδου Τμήμα Φυσικής Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης ΑΠΘ, 13 Νοεμβρίου 2014

2 Τι θα συζητήσουμε Γιατί και πώς παρατηρούμε τον μικρόκοσμο Τα πειράματα ως προέκταση των αισθήσεών μας Η ανάγκη επιταχυντών και αντίστοιχων πειραμάτων Τι μαθαίνουμε με τα πειράματα στους επιταχυντές Η δομή της ύλης και το σύμπαν Μεγάλα πειράματα σε επιταχυντές Βασικά συστατικά τέτοιων πειραμάτων (στο LHC) Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 2

3 Γιατί; Η περιέργεια Αναρωτιόμαστε, από τι είναι φτιαγμένος ο κόσμος; ; έσα μ εδώ ι α ίν Τι ε Δημόκριτος ( π.χ): Η ύλη αποτελείται από θεμελιώδη σωμάτια που είναι ά-τομα και υπάρχουν στον κατά τ άλλα κενό χώρο Υπήρχαν όμως κι άλλες ιδέες Αριστοτέλης ( π.χ): Όλος ο χώρος είναι γεμάτος από ένα συνεχές ύλης Πώς μπορούμε λοιπόν να προχωρήσουμε από υποθέσεις σε επιστημονικά τεκμηριωμένες θεωρίες; Με το πείραμα - Γαλιλαίος (Galileo Galilei), μ.χ Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 3

4 Πώς; Πειράματα σκέδασης Ο Ernest Rutherford, Hans Geiger και Ernest Marsden, κάνουν πειράματα σκέδασης σωματιδίων άλφα πάνω σε χρυσόχαρτο (1906) Ernest Rutherford ( ) Χρυσόχαρτο Σωματίδια άλφα Ανιχνευτής Μόλυβδος Ξέρουμε ότι τα άτομα έχουν ηλεκτρόνια, που είναι τα πρώτα Ραδιενεργός πηγή στοιχειώδη σωματίδια που ανακαλύφθηκαν (από τον J.J. Thomson). Τα άτομα είναι ουδέτερα: πώς είναι κατανεμημένο το θετικό και αρνητικό φορτίο μέσα στο άτομο; Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 4

5 Πώς; Πειράματα σκέδασης Ο Ernest Rutherford, Hans Geiger και Ernest Marsden, κάνουν πειράματα σκέδασης σωματιδίων άλφα πάνω σε χρυσόχαρτο (1906) Ernest Rutherford ( ) Χρυσόχαρτο Με άτ γεν ομ θ υ μ α χρ ένα υσ ού Ανιχνευτής Σω μ ατ ίδ ι Ραδιενεργός πηγή α Το άτομο έχει το θετικό του φορτίο συγκεντρωμένο σ' έναν πυρήνα άλ φα Μόλυβδος έτσι εξηγείται η σκέδαση σε μεγάλες γωνίες Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 5

6 Μια καθημερινή εμπειρία σκέδασης Η όραση! Πηγή φωτός (φωτονίων) Στόχος Ανιχνευτής Μονάδα επεξεργασίας δεδομένων υπολογιστής Για να δούμε το μήλο, πρέπει να αναλύσουμε τα δεδομένα που ανιχνεύει/μετράει το μάτι μας Ουσιαστικά, ανακατασκευάζουμε το στόχο-μήλο, αναλύοντας τις ιδιότητες των σκεδαζόμενων φωτονίων (τα δεδομένα του πειράματος) Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 6

7 Δε βλέπουμε όμως τα άτομα. Γιατί; Γιατί το μήκος κύμματος (λ) του ορατού φωτός είναι πολύ μεγαλύτερο από τις διαστάσεις του ατόμου 5000 φορές μεγαλύτερο, περίπου λ(ορατό) ~ 500 nm, R(άτομο) ~ 1 Å = m = 0.1 nm λ=1m Μεγάλο μήκος κύματος μικρή διακριτική ικανότητα (διακρίνουμε δύσκολα τα μικρά αντικείμενα) Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 7

8 Μήκος κύματος - διακριτική ικανότητα Μεγάλο μήκος κύματος μικρή διακριτική ικανότητα Μήκος κύμματος ~ διάμετρος της μπάλας του μπάσκετ Κάτι κρύβεται μέσα σε μια σκοτεινή σπηλιά. Τι να είναι; Μετά από λίγο... Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 8

9 Μήκος κύματος - διακριτική ικανότητα Μικρό μήκος κύματος καλή (υψηλή) διακριτική ικανότητα Μήκος κύμματος ~ διάμετρος της καραμέλας Κάτι κρύβεται μέσα σε μια σκοτεινή σπηλιά. Τι να είναι; Μετά από λίγο... Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 9

10 Σωματίδια με... μήκος κύμματος; Κβαντική Φυσική τα σωματίδια συμπεριφέρονται και ως κύμματα Όσο μεγαλύτερη είναι η ορμή (= ταχύτητα x μάζα) ενός σωματιδίου τόσο μικρότερο μήκος κύματος (λ) έχει Louis de Broglie (1924) Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 10

11 Σωματίδια με... μήκος κύμματος; Κβαντική Φυσική τα σωματίδια συμπεριφέρονται και ως κύμματα Όσο μεγαλύτερη είναι η ορμή (= ταχύτητα x μάζα) ενός σωματιδίου τόσο μικρότερο μήκος κύματος (λ) έχει π.χ. Ηλ λ~ ε επ κτρ 80 ι 0n απ ταχ Züόrichν, 2ιο m υν 9 Oct ό τω μια όμ ober 2 ν1 εν 008 μ ο 11 π.5 α Vo ταρ lt ιία Louis de Broglie (1924) Όπως αποκτάμε ταχύτητα στην κατηφόρα! Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 11

12 Σωματίδια με... μήκος κύμματος; Κβαντική Φυσική τα σωματίδια συμπεριφέρονται και ως κύμματα Όσο μεγαλύτερη είναι η ορμή (= ταχύτητα x μάζα) ενός σωματιδίου τόσο μικρότερο μήκος κύματος (λ) έχει ρίες α τ α π μ ~ 400 nm λ 0 0 0, 0 1 ά; ρ ι ε σ ές στη κ ι! χ ο ς δή ιατ δ ν ό υ π χ α ατα μ : ι σ α π ΠέρΕ μπαταρίες ς! ή τ ν υ χ α τ ι Επ Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 12

13 Σωματίδια με... μήκος κύμματος; Κβαντική Φυσική τα σωματίδια συμπεριφέρονται και ως κύμματα Όσο μεγαλύτερη είναι η ορμή (= ταχύτητα x μάζα) ενός σωματιδίου τόσο μικρότερο μήκος κύματος (λ) έχει 10,000 ρίες α τ α π μ ~ 0.08 nm λ 0 0 0, 0 1 άα; ρίες ρ ι ε σ η μπατ στ! ς 00 0 ή, ε 0 τ χ ί 1 ε ν υ Με θα χ, ά α ρ ι τ ε ι ησ λ, Ε ό στπ ρ κ ι άμ τ ε κ ει ρ ν ί α ρ κ α δι α ν ε τ ώσ ο! μ ο τ ά ένα Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 13

14 Το κατάλληλο εργαλείο ανά περίπτωση οι επιταχυντές ως μικροσκόπια Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 14

15 Μετά από ~100 χρόνια πειραμάτων σκέδασης 1 m (μέτρο) 1/1,000,000,000 μόρια ηλεκτρόνια νετρόνια πρωτόνια πυρήνας H20 άτομα 1/10 κουάρκς 1/10,000 1/10 1/10,000 Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 15

16 Μετά από ~100 χρόνια πειραμάτων σκέδασης 1 m (μέτρο) 1/1,000,000,000 μόρια ηλεκτρόνια πυρήνας H20 άτομα νετρόνια πρωτόνια κουάρκ Hλεκτρόνια και κουάρκ: δε βλέπουμε δομή - θεμελιώδη Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 16

17 Μετά από ~100 χρόνια πειραμάτων σκέδασης 1 m (μέτρο) 1/1,000,000,000 μόρια ηλεκτρόνια πυρήνας H20 νετρόνια πρωτόνια άτομα Ηλεκτρόνια κουάρκ + 5 παρόμοια σωματίδια (4 απ' αυτά ασταθή: μ, τ, ν μ, ντ) Πρωτόνια, νετρόνια + ~200 παρόμοια αλλά ασταθή σωματίδια, φτιαγμένα από κουάρκ Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 17

18 Μετά από ~100 χρόνια πειραμάτων σκέδασης Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 18

19 Υπάρχουν και δυνάμεις Τα σωματίδια αισθάνονται το ένα το άλλο αλληλεπιδρούν με διάφορες δυνάμεις ανταλλάσοντας ειδικά σωματίδια που είναι οι φορείς της δύναμης Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 19

20 Υπάρχουν και δυνάμεις Τα σωματίδια αισθάνονται το ένα το άλλο αλληλεπιδρούν με διάφορες δυνάμεις ανταλλάσοντας ειδικά σωματίδια που είναι οι φορείς της δύναμης Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 20

21 Υπάρχουν και δυνάμεις Τα σωματίδια αισθάνονται το ένα το άλλο αλληλεπιδρούν με διάφορες δυνάμεις ανταλλάσοντας ειδικά σωματίδια που είναι οι φορείς της δύναμης e- (ηλεκτρόνιο) e- γ (φωτόνιο) e- (ηλεκτρόνιο) eχρόνος Το φωτόνιο (γ) είναι ο φορέας της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 21

22 Υπάρχουν και δυνάμεις Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 22

23 Μετά από ~100 χρόνια πειραμάτων σκέδασης, ιδού Φορείς των δυνάμεων Λεπτόνια κουάρκ οι δομικοί λίθοι της ύλης και οι φορείς/διαδότες των δυνάμεων: 3 γενιές σωματιδίων ύλης Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 23

24 Στην πράξη η σκέδαση είναι... κάπως έτσι! Πειράματα σκέδασης συγκρούσεις σωματιδίων ρ α Π ι α τ ν ο άγ! α ι ίδ τ α μ ω σ α έ ν Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 24

25 Μα, πώς παράγουμε σωματίδια; Πειράματα σκέδασης συγκρούσεις σωματιδίων E = mc2 ενέργεια Η μάζα είναι μια μορφή ενέργειας μάζα c = ταχύτητα του φωτός Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 25

26 Παράγουμε και ανιχνεύουμε σωματίδια Πειράματα σκέδασης συγκρούσεις σωματιδίων E=100 E= E = mc2 ενέργεια Η μάζα είναι μια μορφή ενέργειας μάζα c = ταχύτητα του φωτός Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 26

27 Επιταχυντές σημαντικό εργαλείο έρευνας μικροσκόπια Οι μεγάλες ενέργειες συγκρούσεων επιτρέπουν: Να κοιτάμε όλο και πιο βαθιά στην ύλη λ = h/p De Broglie (1924) Να ανακαλύπτουμε βαρύτερα σωματίδια τηλεσκόπια Μεγάλη Ενέργεια μικρό μήκος κύματος Η μάζα είναι μιά μορφή ενέργειας E = mc2 Einstein (1905) Να μελετάμε συνθήκες σαν του πρώιμου σύμπαντος Πολύ Ενέργεια σε μικρό χώρο μεγάλες θερμοκρασίες E=kT Μελετάμε φαινόμενα και σωματίδια που Boltzman (~1900) δεν είναι πιά ορατά ή υπαρκτά στον σύμπαν Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 27

28 Ταξίδι σε συνθήκες πρώιμου σύμπαντος Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC) στο CERN: 14 TeV ~ sec ( Σημείωση: 1 TeV = 1000 GeV = ενέργεια όση η μάζα 1000 πρωτονίων ) Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 28

29 Επιταχυντές για τη μελέτη του σύμπαντος! Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 29

30 Το απειροστό συνταντά το άπειρο! Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 30

31 Κάποια από τα ερωτήματα που περιμένουν απάντηση Έχουμε μιά επιτυχημένη θεωρία, αλλά... Ο κ. Higgs πάντως είχε προτείνει έναν τρόπο/μηχανισμό που φαίνεται σωστός! Πώς τα σωματίδια αποκτούν μάζα; - έχουμε θεμελιώδη σωμάτια (δηλ. χωρίς δομή) με πολύ διαφορετικές μάζες Από τι αποτελείται το 96% του σύμπαντος; Η βαρύτητα δεν περιγράφεται στην ίδια θεωρία Μπορούμε να περιγράψουμε τα πάντα στη βάση μιας θεωρίας; Υπάρχουν άλλες δυνάμεις? Ζούμε σε περισσότερες από 3+1 διαστάσεις? Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 31

32 Ψάνουμε τις απαντήσεις παράγοντας και ανιχνεύοντας σωματίδια ( η μέθοδος ) Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 32

33 Χρειαζόμαστε λοιπόν επιταχυντές τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (Large Hadron Collider, LHC) στο CERN Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 33

34 Το τούνελ του επιταχυντή LHC: 100 μέτρα βάθος Άλπεις Από τα 27 χλμ περίμετρο, τα 20 χλμ είναι Γαλλία και τα υπόλοιπα 7χλμ στην Ελβετία Γενεύη ~300 τρισεκατομύρια πρωτόνια (~3000 δεσμίδες των 100 δις) ταξιδεύοντας με ταχύτητα % αυτής του φωτός, Γυρίζουν ~11000 φορές το δευτερόλεπτο γύρω από τον επιταχυντή που έχει περίμετρο 27km Η ενέργεια σύγκρουσης των πρωτονίων είναι GeV Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 34

35 Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων στο CERN Από τις γρηγορότερες πίστες του πλανήτη, και απ'τα πιο άδεια και κρύα (1.9Methodology Κ = C) μέρη του σύμπαντος κενό και θερμοκρασίες μέσα στους σωλήνες του επιταχυντή καλύτερα απ'του μεσοαστρικού χώρου! Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 35

36 Για να μάθουμε κάτι από τις συγκρούσεις που παρέχει ο επιταχυντής, Χρειαζόμαστε και Ανιχνευτές Σκοπός: - Να μετρήσουμε την ενέργεια και την ορμή των σωματιδίων που παράγονται στις συγκρούσεις - Να ταυτοποιήσουμε το είδος των σωματιδίων Αλλά πώς; Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 36

37 Ανίχνευση σωματιδίων Η ανίχνευση των σωματιδίων βασίζεται στην αλληλεπίδρασή τους με την ύλη που διασχίζουν Φωτογραφικές πλάκες: οι πρώτοι ανιχνευτές σωματιδίων Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 37

38 Ανίχνευση σωματιδίων Κάθε τύπος σωματιδίου (e-, γ, κλπ) έχει χαρακτηριστική αλληλεπίδραση με τα διάφορα στρώματα του ανιχνευτή Η θέση των διαφόρων τύπων ανιχνευτών σ' ένα πείραμα συγκρουόμενων δεσμών Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 38

39 Βλέπουμε μόνο τα τελικά προϊόντα p p Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 39

40 Δεν παράγονται πάντα αυτά που μας ενδιαφέρουν, κι όταν παράγονται δεν είναι μόνα τους: Στις συγκρούσεις πρωτονίων παράγονται πολλά σωματίδια! p p Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 40

41 Μετράμε τα τελικά προϊόντα για να γνωρίσουμε τους γονείς που δεν υπάρχουν πιά! Ενέργεια και ορμή μητρικού σωματιδίου = ενέργεια και ορμή, αντίστοιχα, των προϊόντων/παιδιών E=m c 2 p 2 c 2 m= E 2 p 2 Απαριθμήσεις (= αριθμός μετρήσεων) E = mc2 Μάζα του συστήματος των προϊόντων Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 41

42 Μετράμε τα τελικά προϊόντα για να γνωρίσουμε τους γονείς που δεν υπάρχουν πιά! Ενέργεια και ορμή μητρικού σωματιδίου = ενέργεια και ορμή, αντίστοιχα, των προϊόντων/παιδιών E=m c 2 p 2 c 2 Απαριθμήσεις (= αριθμός μετρήσεων) E = mc2 m= E p 2 2 Τα σωματίδια που συνδυάσμαμε είναι από κοινό γονιό! Τα σωματίδια που συνδυάσμαμε έιναι άσχετα μεταξύ τους Μάζα του συστήματος των προϊόντων Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 42

43 Χρειαζόμαστε μεγάλους ανιχνευτές 43 m 22 m 7000 T (όσο ζυγίζει το σίδηρο στον πύργο του Eiffel) T. Virdee, ICHEP08 43 Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 43

44 Το πείραμα ATLAS στο τούνελ του LHC p p Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 44

45 ATLAS 22 μέτρα, 7000 τόνοι Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 45

46 ATLAS at CERN - Αριστοτέλειο Οι Eλληνικοί θάλαμοι μιονίων που κατασκευάστηκαν στο Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θ/νίκης εγκαταστημένοι στο πείραμα ATLAS (συνεργασία με Μετσόβειο και Καποδιστριακό) Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 46

47 ATLAS at CERN - Αριστοτέλειο Το 1997 δημιουργήθηκε στο ΑΠΘ ένα εργαστήριο για την κατασκευή και τον έλεγχο ανιχνευτών μιονίων. Χώρος Ελεγχόμενων Συνθηκών Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 47

48 CMS 15 μέτρα, τόνοι (λίγο περισσότερο από το συνολικό βάρος του πύργου του Eiffel) Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 48

49 CMS Όχι μόνο σιδερικά, αλλά και ηλεκτρονικά, και καλώδια Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 49

50 Όχι μόνο όγκος/μπράτσα, αλλά και νοημοσύνη στο LHC χρειαζόμαστε ανιχνευτές που.. 7x1012 ev 1034 cm-2 s Beam Energy Luminosity Bunches/Beam Protons/Bunch 7.5 µ (25 νσ) Bunch Crossing Proton Collisions 7 TeV Proton Proton colliding beams Hz 109 Hz e- ﾵ+ Parton Collisions New Particle Production (Higgs, SUSY,...) θ 10-5 Hz p ﾵ+ Z H p Z ﾵ- θ ﾵ γ p θ θ χ2 0 νε χ1 θ p µ+ µ χ 0 1 Σελεχτιον οφένα 1 εϖεντ ιν 10,000,000,000,000 συγκρούσεις * Να βλέπουν περίπου δισεκατομύριο πρωτονίων το δεπτερόλεπτο, * Nα διαλέγουν τις καλύτερες ανά δεπτερόλεπτο * και να τις καταγράφουν με διακριτική ικανότητα φωτοφραφικής μηχανής των 100 Μεγα pixels. Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 50

51 Χρειαζόμαστε Υπολογιστές Περίπου 3000 υπολογιστές για την επιλογή των καλύτερων 200 γεγονότεων ανά δεπτερόλεπτο Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 51

52 Υπολογιστές παντού παγκόσμιο δίκτυο (Grid) 20 χλμ 15 χλμ * Μετά το world-wide web (WWW) που ανακαλύφθηκε στο CERN, το GRID είναι ένα ακόμα βήμα προς ένα αποκεντρωμένο υπολογιστικό μοντέλο * Απαραίτητο για την ανάλυση και αποθήκευση των παργόμενων δεδομένων * Π.χ., το πείραμα ATLAS καταγράφει πληροφορίες όσο ένα CD (700 ΜΒ) κάθε ~2 δεπτερόλεπτα Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 52

53 Και κυρίως χρειαζόμαστε ανθρώπους Να τα φτιάξουμε ολ' αυτά, να συλλέξουμε τα δεδομένα, και να καταλάβουμε τι μας λέει η φύση. Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 53

54 Ελληνική συμμετοχή στον LHC Ελληνικά Πανεπιστήμια κατασκεύασαν ένα μέρος και έχουν συμμετοχή στα πειράματα ATLAS CMS ALICE στον επιταχυντή LHC του CERN. Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 54

55 Που σημαίνει συμμετοχή στην προσπάθεια να απαντηθούν κάποια βασικά ερωτήματα Ο κ. Higgs πάντως έχει προτείνει έναν τρόπο/μηχανισμό Έχουμε μιά επιτυχημένη θεωρία, αλλά... Πώς τα σωματίδια αποκτούν μάζα; - έχουμε θεμελιώδη σωμάτια (δηλ. χωρίς δομή) με πολύ διαφορετικές μάζες Από τι αποτελείται το 96% του σύμπαντος; Η βαρύτητα δεν περιγράφεται στην ίδια θεωρία Μπορούμε να περιγράψουμε τα πάντα στη βάση μιας θεωρίας; Υπάρχουν άλλες δυνάμεις? Ζούμε σε περισσότερες από 3+1 διαστάσεις? Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 55

56 Αναζητώντας το σωματίδιο Higgs Όπως το φωτόνιο είναι ο φορέας του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου, έτσι και το σωματίδιο Higgs είναι ο φορέας του πεδίου Higgs. Και τα διάφορα σωματίδια αποκτούν διαφορετική μάζα επειδή αλληλεπιδρούν περισσότερο ή λιγότερο με το πεδίο Higgs. Πώς βλέπω το Higgs; Από τα παιδιά του Π.χ., 4 μιόνια που διαπερνούν τον ανιχνευτή μου (κόκκινες γραμμές στην απεικόνηση δεξιά) E = mc E =m c + p c E =m + p 2 m= (E 2 p2 ) Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 56

57 Παράδειγμα #1: Higgs ZZ 4 λεπτόνια (4e ή 4μ ή 2e2μ) Η στατιστική είναι πολύ σημαντική! ** Πρέπει να έχουμε αρκετά γεγονότα ώστε να φανεί καθαρά η κορυφή του Higgs σε κάποια τιμή μάζας (αλλιώς, μπορείς να την εξηγήσεις σαν μια «σκερτσόζικη» διακύμανση των γεγονότων του υπόβαθρου). Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 57

58 Παράδειγμα #2: Higgs γγ Επειδή το κανάλι αυτό θεωρούταν (δικαίως όπως αποδείχθηκε) πολύ καλό για την ανακάλυψη του Higgs, και ο ATLAS και ο CMS επένδυσαν στον ΗλεκτροΜαγνητικό καλορίμετρό τους Και στα δύο πειράματα παρατηρούμε περίσσεια γεγονότων πάνω από το υπόβαθρο στην περιοχή μάζας 125GeV 4-Ιουλίου-2012 Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 58

59 Τι συζητήσαμε Πώς παρατηρούμε τον μικρόκοσμο Πειράματα σκέδασης ως προέκταση των αισθήσεών μας Η ανάγκη επιταχυντών και αντίστοιχων πειραμάτων Η δομή της ύλης και το σύμπαν μικροσκόπια και τηλεσκόπια Ο μεγάλος επιταχυντής αδρονίων (LHC) στο CERN και τα μεγάλα πειράματα στο LHC Όσο πιο γρήγορο είναι το βλήμα, τόσο μεγαλύτερη διακριτική ικανότητα παρατήρησης έχουμε. Τι μαθαίνουμε με τα πειράματα στους επιταχυντές Αναλογία με την όραση Τα βασικά συστατικά τους Προσπαθώντας να απαντήσουμε ερωτήματα προς νέες ανακαλύψεις. Το Higgs, κλπ. Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 59

60 τ α ι Γ ό ί η λ α ή υτ η θ ά π σ ο πρ ; α ι ε Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 60

61 Βέβαια, για να κάνουμε την έρευνά μας ωθούμε την τεχνολογία κι έτσι αναπτύσουμε και μεταφέρουμε τεχνολογίες αιχμής που βελτιώνουν τη ζωή μας π.χ., διαγνωστικές μέθοδοι στις επιστήμες υγείας Silicon detector for a Compton camera in nuclear medical imaging Radio-isotope production for medical applications Thin films by sputtering or evaporation Medipix: Medical X-ray diagnosis with contrast enhancement and dose reduction Radiography of a bat, recorded with a GEM detector Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 61

62 Καλά αυτά, αλλά η προσπάθεια γίνεται......για να καταλάβουμε αυτόν τον κόσμο τον μικρό, τον μέγα (Ελύτης) που ζούμε ( από περιέργεια υπάρχω, Ρασούλης-Παπάζογλου) Γιατί η παρατήρηση του κόσμου με διάφορα μέσα, αλλάζει τον τρόπο που σκεπτόμαστε. Θυμάστε: Την κατάρριψη του γεωκεντρικού μοντέλου του κόσμου; Τη σχετικότητα του χρόνου; Την αντικατάσταση της βεβαιότητας με την πιθανότητα; Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 62

63 Ευχαριστώ Κορδάς-Σαμψωνίδου- Τα μεγάλα πειράματα στο CERN, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 63