Τα μεγάλα πειράματα στη Φυσική Στοιχεωδών Σωματιδίων: τα εργαλεία μας για την εξερεύνηση του μικρόκοσμου

Transcript

1 Τα μεγάλα πειράματα στη Φυσική Στοιχεωδών Σωματιδίων: τα εργαλεία μας για την εξερεύνηση του μικρόκοσμου Κώστας Κορδάς Τμήμα Φυσικής Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης ΑΠΘ, 11 Δεκεμβρίου 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) Παραδείγματα από μετρήσεις Διακριτική ικανότητα και στατιστική π.χ. Η ανακάληψη του Higgs Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 2

3 1. Γιατί και πώς Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 3

4 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 Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία 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 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; Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 5

6 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 Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 6

7 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) Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 7

8 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) Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 8

9 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... Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 9

10 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... Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 10

11 Σωματίδια με... μήκος κύμματος; Κβαντική Φυσική τα σωματίδια συμπεριφέρονται και ως κύμματα Όσο μεγαλύτερη είναι η ορμή p (= μάζα x ταχύτητα) ενός σωματιδίου τόσο μικρότερο μήκος κύματος (λ) έχει: h λ = p Louis de Broglie (1924) Σταθερά του Plank = h = x J s Α.Π.Θ - 7 Οκτ Κ. Κορδάς - Πυρηνική και Στοιχειώδη Ι - Μάθημα 1β - εισαγωγή 11

12 Σωματίδια με το κατάληλο 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 12 π.5 α Vo ταρ lt ιία Louis de Broglie (1924) Όπως αποκτάμε ταχύτητα στην κατηφόρα! Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 12

13 Σωματίδια με το κατάληλο 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 Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 13

14 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 Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 14

15 Το κατάλληλο εργαλείο ανά περίπτωση οι επιταχυντές ως μικροσκόπια Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 15

16 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 Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 16

17 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 Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 17

18 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 Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 18

19 Μετά από ~100 χρόνια πειραμάτων σκέδασης Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία 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 Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία 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 Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 21

22 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 Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 22

23 Υπάρχουν και δυνάμεις Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 23

24 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 Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 24

25 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 Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 25

26 Μα, πώς παράγουμε σωματίδια; Πειράματα σκέδασης συγκρούσεις σωματιδίων E = mc2 ενέργεια Η μάζα είναι μια μορφή ενέργειας μάζα c = ταχύτητα του φωτός Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 26

27 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 Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 27

28 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 Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 28

29 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 ) Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 29

30 Επιταχυντές για τη μελέτη του σύμπαντος! Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 30

31 Το απειροστό συνταντά το άπειρο! Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 31

32 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? Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 32

33 2. Τα εργαλεία μας, τα μεγάλα πειράματα Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 33

34 Ψάνουμε τις απαντήσεις παράγοντας και ανιχνεύοντας σωματίδια ( η μέθοδος ) Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 34

35 Χρειαζόμαστε λοιπόν επιταχυντές τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (Large Hadron Collider, LHC) στο CERN Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 35

36 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 Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 36

37 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! Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 37

38 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; Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 38

39 Ανίχνευση σωματιδίων Η ανίχνευση των σωματιδίων βασίζεται στην αλληλεπίδρασή τους με την ύλη που διασχίζουν οι πρώτοι ανιχνευτές σωματιδίων: βλέπεις το πέρασμα ενός σωματιδίου σε μια φωτογραφία. Π.χ, e/m στο εργαστήριο Ατομικής 3ου έτους Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 39

40 Σύγχρονες διατάξεις για ανιχνευτές. Εδώ το πείραμα ATLAS στο CERN p p Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 40

41 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 Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 41

42 Δεν παράγονται πάντα αυτά που μας ενδιαφέρουν, κι όταν παράγονται δεν είναι μόνα τους: Στις συγκρούσεις πρωτονίων παράγονται πολλά σωματίδια! p p Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 42

43 Έμμεσες παρατηρήσεις των σωματιδίων που διασπώνται γρήγορα Μετρώντας τα τελικά προϊόντα (π.χ., από μια διάσπαση) τα οποία αλληλεπιδρούν με τον ανιχνευτή μας, βγάζουμε συμπεράσματα για τα χαρακτηριστικά των γονιών τους Ανιχνευτής Μή-μοναδικά σωματίδια: τα σωματίδια που ανιχνέυουμε μπορεί να ήρθαν από τη διαδικασία που ψάχνουμε, αλλά μπορεί κι από άλλες p που δεν μας ενδιαφέρουν enp k π e µ p Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 43

44 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 + p2 c 2=m+ p 2 m= E 2 p 2 Απαριθμήσεις (= αριθμός μετρήσεων) E = mc2 Μάζα του συστήματος των προϊόντων Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 44

45 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 Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 45

46 Οι τωρινοί ανιχνευτές στο LHC είναι στ' αλήθεια μεγάλοι m 22 m 7000 T (όσο ζυγίζει το σίδηρο στον πύργο του Eiffel) T. Virdee, ICHEP08 46 Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 46

47 Το πείραμα ATLAS στο τούνελ του LHC p p Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 47

48 ATLAS 22 μέτρα, 7000 τόνοι Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 48

49 ATLAS at CERN - Αριστοτέλειο Οι Eλληνικοί θάλαμοι μιονίων που κατασκευάστηκαν στο Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θ/νίκης εγκαταστημένοι στο πείραμα ATLAS (συνεργασία με Μετσόβειο και Καποδιστριακό) Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 49

50 ATLAS at CERN - Αριστοτέλειο Το 1997 δημιουργήθηκε στο ΑΠΘ ένα εργαστήριο για την κατασκευή και τον έλεγχο ανιχνευτών μιονίων. Χώρος Ελεγχόμενων Συνθηκών Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 50

51 CMS 15 μέτρα, τόνοι (λίγο περισσότερο από το συνολικό βάρος του πύργου του Eiffel) Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 51

52 CMS Όχι μόνο σιδερικά, αλλά και ηλεκτρονικά, και καλώδια Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 52

53 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. Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 53

54 Το online σύστημα επιλογής πρέπει να είναι έξυπνο και γρήγορο Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 54

55 Χρειαζόμαστε Υπολογιστές Περίπου 3000 υπολογιστές για την επιλογή των καλύτερων 200 γεγονότεων ανά δεπτερόλεπτο Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 55

56 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 Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 56

57 Και κυρίως χρειαζόμαστε ανθρώπους Να τα φτιάξουμε ολ' αυτά, να συλλέξουμε τα δεδομένα, και να καταλάβουμε τι μας λέει η φύση. Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 57

58 Ελληνική συμμετοχή στον LHC Ελληνικά Πανεπιστήμια κατασκεύασαν ένα μέρος και έχουν συμμετοχή στα πειράματα ATLAS CMS ALICE στον επιταχυντή LHC του CERN. Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 58

59 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? Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 59

60 3. Παραδείγματα μετρήσεων μέσα από ανακαλύψεις Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 60

61 Παράδειγμα: η ταυτοποίηση σωματιδίων είναι σημαντική (π.χ. J/ψ) 1974, «Νοεμβριανή Επανάσταση». Η ομάδα του Samuel Ting στο Brookhaven National Laboratory Ψ '(3, 7GeV ) Ψ (3,1GeV ) + π + + π Ψ e+ + e και ανεξάρτητα η ομάδα του Barton Richter στο SLAC, ανακάλυψαν το σωματίδιο J/ψ σε ενέργεια 3.1 GeV. To J/ψ είναι μια δέσμια κατάσταση: J Ψ = cc Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 61

62 Παράδειγμα: και η διακριτική ικανότητα μέτρησης της ορμής είναι σημαντική 1977, Μ(μ+ μ-) σε συγκρούσεις πρωτονίων (Lederman et al.), δεν διακρίθηκαν οι ξεχωριστές καταστάσεις Υ, Υ και Υ. Στο διπλανό διάγραμμα ο ίδιος συντονισμός όπως εμφανίστηκε στον ανιχνευτή ATLAS. Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 62

63 Παράδειγμα: και η διακριτική ικανότητα των μετρήσεων είναι σημαντική Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 63

64 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 m= E p 2 2 Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 64

65 Πώς παράγεται το Higgs; Τρόποι. Διαγράμματα Feynman Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 65

66 Τρόποι παραγωγής Higgs όχι ισοπίθανοι: Εξάρτηση από μάζα Higgs 125GeV Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 66

67 Τρόποι παραγωγής Higgs όχι ισοπίθανοι: Εξάρτηση από μάζα Higgs 125GeV Για μάζες > 1TeV, qq->hqq το σημαντικότερο Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 67

68 Πώς διασπάται το Higgs; Τρόποι Τα Branching Ratios (BRs) [ = λόγοι διακλάδωσης = πιθανότητες διάσπασης στο κάθε κανάλι ], εξαρτώνται από τη μάζα Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 68

69 BRs : Πιθανότητα διάσπασης σε κάθε κανάλι συνάρτηση της μάζαςhiggs Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 69

70 Παράδειγμα: 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 Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 70

71 Δε φτάνει μόνο η διακριτική ικανότητα: και 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). Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 71

72 H στατιστική είναι πολύ σημαντική! ATLAS: H ZZ 4l Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 72

73 Στατιστική: πόσο σημαντική είναι η περίσσεια γεονότων που μέτρησα; Συλλέγουμε δεδομένα και παρατηρούμε Ν γεγονότα, που είναι πανομοιότυπα για το σήμα και το υπόβαθρο. Aπό τη μέχρι τώρα γνώση μας, περιμένουμε κατά μέσο όρο Νb γεγονότα υποβάθρου Αν Ν>Νb, έχω δεί κάτι καινούργιο; Τα γεγονότα υποβάθρου από μέτρηση σε μέτρηση, παίζουν κατά σ b= N b Aν Ν < Νb + 3σb, λέω ότι το Ν που μέτρησα μπορεί να είναι απλά μια διακύμανση του υποβάθρου. Αν Ν > Νb + 5σb είναι απίθανο να είναι διακύμανση του υποβάθρου: βγαίνω και κάνω ανακοινώσεις ότι ανακάλυψα κάτι νέο! Αν Νb + 3σb < Ν < Νb + 5σb λέω ίσως υπάρχει ένδειξη νέου και περιμένω... Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 73

74 Γιατί δηλώνω ανακάλυψη στα 5σ; Ν > Νb + 3σb : πιθανότητα να βρεθώ με Ν λόγω διακύμανσης του υποβάθρου ( που έχει μέση τιμή μ=νb ) = (1/2)*(2.7*10-3) = 1.35 * 10-3 = 1.35 στις Ν > Νb + 5σb : πιθανότητα διακύνασης εκεί = (1/2)*(5.7* 10-7) = 2.35 στις 10 δις!!! Τότε λέω ότι είναι πολύ απίθανο να με έχει ξεγελάσει το υποβαθρο, κι έτσι λέω ότι έχω δεί κάτι καινούργιο! Σημείωση: στην πράξη βρίσκουμε πρώτα την πιθανότητα διακύμανσης του Νbσε τουλάχιστον Ν (Poisson κατανομή για μετρήσεις), και κατόπιν ανάγουμε την πιθανότητα σε τόσα σ. Αν >5σ => ανακάλυψη! Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 74

75 4. Το ΑΠΘ παρόν στο μέλλον αυτών των πειραμάτων: στις αναβαθμίσεις του ATLAS Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 75

76 New Small Wheel για ανίχνευση μιονίων με τεχνολογία MicroMegas Οι ανιχνευτές δεν ζούν για πάντα, και ίσως να μήν έχουν πιά τα χαρακτηριστικά (ταχύτητα, διακριτική ικανότητα) να λειτοθργήσουν σε πολύ συχνότερες και πυτκνότερες συγκρούσεις. Αντικατάσταση ανιχνευτών μιονίων στα καπάκια του ATLAS το New Small Wheel με τεχνολογία MicroMegas Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 76

77 Προτότυπα σε δέσμες ελέγχου Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 77

78 Προτότυπα σε δέσμες ελέγχου Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 78

79 Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 79

80 Το online σύστημα επιλογής πρέπει να γίνει πιό έξυπνο, πιό γρήγορο: Fast TracKer (FTK) upgrade 2 tracks in the Event Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 80

81 Πολύ γρήγορη εύρεση των τροχιών σε 2 βήματα 1. Find low resolution track candidates called roads. Solve most of the combinatorial problem. 2. Then track fitting inside the roads. Thanks to 1st step, this is much easier. Roads Pattern recognition w/ Associative Memory Originally: M. Dell Orso, L. Ristori, NIM A 278, 436 (1989) Excellent results with linear approximation! Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 81

82 Ηεκτρονικά για το FTK Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 82

83 Στο εργαστήριο στο υπόγειο Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 83

84 Ανώμαλη παραγωγή δύο μποζονίων Ζ ( γεγονότων ΖΖ ) Αν υπάρχουν τέτοιες ανώμαλες συζεύξεις, Τότε πολύ περισσότερα γεγονότα με μεγάλη μάζα (ΖΖ) σε σχέση με αυτό που περιμένουμε από την Καθιερωμένη Θεωρία μας που είναι το κόκκινο? Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 84

85 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. Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 85

86 τ α ι Γ ό ί η λ α ή υτ η θ ά π σ ο πρ ; α ι ε Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 86

87 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 Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 87

88 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; Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 88

89 Ευχαριστώ Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα Στοιχειωδών Σωματιδίων - εργαλεία μικρόκοσμου 89