Φυσική Στοιχειωδών Σωµατιδίων. 8 ου Εξαµήνου ιδ. Αν.Καθ Πετρίδου Χαρά Φεβρουάριος 2006

Transcript

1 Φυσική Στοιχειωδών Σωµατιδίων 8 ου Εξαµήνου ιδ. Αν.Καθ Πετρίδου Χαρά Φεβρουάριος 2006

2 Φυσικής Στοιχειωδών Σωµατιδίων Μάθηµα 1ο

3 ιδακτέα Ύλη Επιταχυντές και Ανιχνευτές στη Φυσική Στοιχειωδών Σωµατιδίων Σκέδαση - Ελαστική & Ανελαστική Βαθειά Ανελαστική Σκέδαση Πρότυπο παρτονίων-στατικά κουάρκ Ηλεκτρασθενείς Αλληλεπιδράσεις Πειραματική Επαλήθευση του Καθιερωμένου Προτύπου

4 Βιβλιογραφία Introduction to High Energy Physics (4th edition), Donald H. Perkins (Cambridge, 2000) Nuclear and Particle Physics,W.S.C.Williams, (Oxford) Particles and Nuclei (4th edition), Ch. Povh et al (Springer, 2004) Βοηθητική (1) Introduction to Experimental Particle Physics, Richard Fernow (Cambridge) Hadron Interactions, Collins & Martin (Bristol) Quarks and Leptons, Halzen & Martin (Willey,1984) Statistics for Particle Physics, Richard Barlow (Manchester) Review of Particle Physics, Physical Review D (PDG, 2004)

5 Βιβλιογραφία (συνέχεια) Βοηθητική (2) Concepts of Particle Physics, Gottfreid & Weisskopf (Oxford, 1984) The Experimental Foundations of Particle Physics, Cahn & Goldhaber (Cambridge, 1989) Modern Elementary Particle Physics, Kane Gordon, (Addison- Wesley) Nuclear and Particle Physics, W.E.Burcham & M.Jobes (Longman Scientific and Technical)

6 Βιβλιογραφία (συνέχεια) Εκλαϊκευµένα Βιβλία για τα Στοιχειώδη Σωµάτια (Easy Reading) Concepts of Modern Physics, Arthur Beiser, 5 th edition, McGraw Hill (και µεταφρασµένο) The ideas of Particle Physics, J.E.Dodd, (Cambridge) Subatomic Physics, H.Frauenfelder,E.Henley (Prentice-Hall,Inc The First Three Minutes, Steven Weinberg (και µεταφρασµένο) Towards the Theory of Everything, Steven Weinberg Quarks, The Stuff of Matter, H.Fritsch The Second Creation: Makers of the Revolution in Twentieth- Centuury Physics, R. P. Greese & C. C. Mann (Rudgers Press) The Elegant Universe, Brian Green The Fabric of the Cosmos, Brian Green

7 Θέματα για εργασίες Φυσική γιατοµποζόνιο Ζ 0 Aνακάλυψη : UA1, UA2 στο CERN Μελέτη των ιδιοτήτων του στο LEP I Line shape Η Μάζα του Οι γενιές των νετρίνο Ενεργός διατομή : Μετρήσεις στα CDF, D0 FermiLab Φυσική για το μποζόνιο W ± Aνακάλυψη : UA1, UA2 στο CERN Παραγωγή δυο μποζονίων στο LEP Η Μάζα του : Μετρήσεις στα CDF, D0 FermiLab

8 Θέματα για εργασίες Top quark : Ανακάλυψη, Μέτρηση στο Fermilab Ηiggs στο LEP Φυσική στο LHC : Μέτρηση των W, Z Higgs Παραγωγή tt bar (Μέτρηση μάζας, ενεργός διατομή) Φυσική στον επιταχυντή HERA Φυσική για το νετρίνο (ταλαντώσεις, )

9 Τα πειράµατα στη Φυσική Στοιχειωδών Σωµατιδίων (παρόν-µέλλον) Πολύπλοκα: δέσµες επιταχυντών Επιταχυντές δεσμών Σωματιδίων Κατασκευή ανιχνευτή Ηλεκτρονικά Computers ΑνιχνευτικήΔιάταξη Λήψη Δεδομένων LEP πειράµατα : > 300 άτοµα LHC πειράµατα : >2000 άτοµα (φυσικοί, µηχανικοί, τεχνικοί) Ανάλυση Δεδομένων Φυσική - Νεα Γνώση

10 Τα πειράµατα στη Φυσική Στοιχειωδών Σωµατιδίων (παρόν-µέλλον) Accelerator(s) Accelerator of stable charged particles: p,p, e + e -,A n+ Beam lines Interactions, Bremshtralung, beam halo, Beam-Beam or beam-target collisions

11 Τα πειράµατα στη Φυσική Στοιχειωδών Σωµατιδίων (παρόν-µέλλον) Detector system Control Monitor Fast electronics Interface Time, position and amplitude measurement Event selection (trigger) Event building, buffering and transfer of data to mini computers On-line computers Magnetic tape (CD, Hard Disk) Recording of data, control, monitoring Storage of raw data

12 Πολύπλοκα: δέσµες επιταχυντών Κατασκευή ανιχνευτή Ηλεκτρονικά Computers LEP πειράµατα>300 άτοµα Control Τα πειράµατα στη Φυσική Στοιχειωδών Σωµατιδίων (παρόν-µέλλον) Accelerator(s) LHC πειράµατα>2000 άτοµα(τεχνικοί, φυσικοί, µηχανικοί) Monitor Beam lines Beam-Beam or beam-target collisions Detector system Fast electronics Interface On-line computers Magnetic tape Off-line computers Data summary tape PHYSICS Accelerator of stable charged particles: p,p, e + e -,A n+ Interactions Time, position and amplitude measurement and event selection (trigger) Event building, buffering and transfer of data to mini computers Recording of data, control, monitoring Storage of raw data Off-line analysis

13 Οι επιταχυντές σωματιδίων Βασικές αρχές και στοιχεία επιταχυντή σωματιδίων Ιδιότητες ενός επιταχυντή Προταιρήματα και μειονεκτήματα τύπων επιταχυντών Παραδείγματα σύγχρονων επιταχυντών

14 Γενική περιγραφήεπιταχυντών σωματιδίων Γραµµικός επιταχυντής Πηγή σωματιδίων Κυκλικός επιταχυντής Κοιλότητες επιτάχυνσης Βending Μαγνήτες καμπύλωσης

15 ΟΙ ΕΠΙΤΑΧΥΝΤΕΣ ΣΤΗ ΦΥΣΙΚΗ ΣΤΟΙΧΕΙΩ ΩΝ ΣΩΜΑΤΙ ΙΩΝ Επιταχυντές: δέσµες «σταθερών» σωµατιδίων e +, e -, p, pbar, A n+, µ ±?(µέλλον) Colliders: SppS, LEP, HERA, TeVatron, LHC Head on συγκρούσεις στον σωλήνα κενού της µηχανής ppbar, pp, e + e -, ep, Pb-Pb Fixed target: PS, SPS Η δέσµη (p) προσκρούει σε σταθερό στόχο παράγονται δευτερεύουσες δέσµες: (µ ±, Κ ±, π ±, p ±, e ±, v, γ, Κ L )

16 ΟΙ ΕΠΙΤΑΧΥΝΤΕΣ ΣΤΗ ΦΥΣΙΚΗ ΣΤΟΙΧΕΙΩ ΩΝ ΣΩΜΑΤΙ ΙΩΝ Σταθερούστόχου Συγκρουστήρες δεσμών

17 Oι επιταχυντές σωματιδίων (αναδρομή) Aντίγραφο του κυκλοτρου του Lawrence στον μικρόκοσμο του CERN Tο 1930 o Ernest Lawrence εφευρίσκει και κατασκευάζει το πρώτο κύκλοτρο σε μέγεθος τραπεζιού και κόστος 25 $ και σήμερα οι φυσικοί, μετά από δρόμο μακρυ κατασκευάζουν το LHC στο υπόγειο τούνελ του CERN με κόστος πάνω από 1 Geuro!

18 Βασικές Ιδιότητες των Επιταχυντών Σωματιδίων Το είδος των σωματιδίων που επιταχύνονται Η ενέργεια στην οποία επιταχύνονται τα σωματίδια Το ποσοστό της ενέργειας της δέσμης που είναι διαθέσιμο για την παραγωγή ΝΕΩΝ σωματιδίων Η φωτεινότητα της δέσμης ( Luminosity)

19 Tιείδος σωματιδίων επιταχύνουμε? Φορτισµένα Επιταχύνονται με ηλεκτρικά πεδία (Ενέργεια = φορτίο * διαφορά δυναμικού) Οδηγούνται και εστιάζονται με μαγνητικά πεδία Μακρόζωα (σταθερά) καλύτερα :με άπειρο χρόνο ημιζωής αλλά : εξαιτίας του παράγοντα Lorentz :γτ, ο χρόνοςζωήςμέσα στον επιταχυντή μπορει να ειναι αρκετά μεγάλος Παράδειγμα : Πιόνια, τ=2.6x10-8 sec, E=100 GeV, γ = E/m = 100/0.14 = , γτ = 0.04msec, v c, μέση διανυόμενη απόσταση = c γ τ= 11 Km (αρκετή για πειράματα σταθερού στόχου) Μιόνια, τ=2.2x10-6 sec, E=100 GeV, m=0.1gev/c 2 =1428.6, γτ = 4.4msec!, v c, μέση διανυόμενη απόσταση = c γ τ= 1320 Km!! (υπάρχουν ιδέες για επιταχυντές συγκρουστήρες μιονίων) Στη πράξηοισυγκρουστήρεςσήμεραειναι: Ηλεκτρονίων, αντι-ηλεκτρονίων, πρωτονίων & αντι-πρωτονίων

20 Τι αλλάζει με τον τύπο των σωματιδίων που επιταχύνουμε? Σύγκρουση e -, e + σε quarks e -, e + είναι σημειακά σωματίδια Δεν έχουν χρώμα => δεν έχουμε συμβολή της αρχικής με την τελική κατάσταση (gluon emission) Οι θεωρητικοί υπολογισμοί είναι ευκολοι και ακριβείς Συγκρουστήρες p, p σε quarks και gluons Τα πρωτόνια αποτελούνται από quarks. Αυτά αλληλεπιδρούν, ΜΟΝΟ μέρος της ενεργειας της δέσμης χρησιμοποιείται στην αλληλεπίδραση Οι κατανομές παρτονίων στο πρωτόνιο ΜΟΝΟ πειραματικά υπολογίζονται Τα σωματίδια που συγκρούονται έχουν χρώμα => οι θεωτητικοι υπολογισμοί ειναι δυσκολοι και όχι ακριβείς

21 Τι αλλάζει με τον τύπο των σωματιδίων που επιταχύνουμε? Συγκρούσεις e p π.χ. στον HERA στο DESY τα e είναι σημειακά και χρησιμοποιούνται για την μελέτη της δομής του πρωτονίου απο quarks & gluons Στους συγκρουστήρες ep Ηδέσμητων e- (e+) έχει απώλειες λόγω ακτινοβολίας σύνχροτρον (μειονέκτημα) Καλό κενό Η δέσμη των πρωτονίων ΔΕΝ έχει απώλειες λόγω ακτινοβολίας σύνχροτρον (πλεονέκτημα) Κακό κενό (high p-beam gas reaction rates)