Η ΒΑΣΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ ΣΤΗ ΣΩΜΑΤΙΔΙΑΚΗ ΦΥΣΙΚΗ ΠΗΓΗ ΝΕΑΣ ΓΝΩΣΗΣ ΤΗΣ ΓΕΝΕΣΗΣ ΤΟΥ ΣΥΜΠΑΝΤΟΣ ΕΥΑΓΓΕΛΟΣ Ν. ΓΑΖΗΣ Καθηγητής Πειραµατικής Φυσικής Στοιχειωδών Σωµατιδίων, ΕΜΠ ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΩΝ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΩΝ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΒΡΑΒΕΙΟ Β. ΞΑΝΘΟΠΟΥΛΟΥ, ΔΡΑΜΑ, 29 Απριλίου 2012 1
Περιεχόµενα της Οµιλίας Οι διαστάσεις του (µικρο-) κόσµου Γιατί πιο µεγάλη ενέργεια στις δέσµες των σωµατιδίων? Βασικές Αρχές λειτουργίας του Επιταχυντή Κύκλοτρο, Συγχροκύκλοτρο Σύγχροτρο, Γραµµικός Επιταχυντής Πρωτονίων Οι επιταχυντές στο CERN Ο Μεγάλος Αδρονικός Επιταχυντής LHC Τα πειράµατα στον επιταχυντή LHC Αποτελέσµατα Φυσικής Το Μποζόνιο HIGGS Νέες ιδέες για τα αναπάντητα ερωτήµατα Συµπεράσµατα 2
Οι Διαστάσεις του (µικρο-) κόσµου Η σωµατιδιακή φυσική ερευνά την ύλη στις µικρότερες δυνατές διαστάσεις της: Επιταχυντές Μικροσκόπια Κιάλια, Τηλεσκόπια Οπτικά και ράδιο- τηλεσκόπια, è ΑΣΤΡΟ-ΣΩΜΑΤΙΔΙΑΚΗ ΦΥΣΙΚΗ!! 3
Γιατί πιο µεγάλη ενέργεια? Η αρχή της γένεσης του Σύµπαντος (ΜΕΓΑΛΗ ΕΚΡΗΞΗ) προϋποθέτει τη συγκεντρωση µέγιστης ενέργειας σε ελάχιστο χώρο, όπου µε την πάροδο του χρόνου η ενέργεια ελαττώνεται και δηµιουργείται ύλη. Οι επιταχυντές παρέχουν φορτισµένα σωµατίδια µε υψηλή κινητική ενέργεια, οι συγκρούσεις των οποίων δηµιουργούν συνθήκες ενέργειας και ύλης πολύ κοντά στη ΜΕΓΑΛΗ ΕΚΡΗΞΗ. Για να αυξηθεί η ενέργεια των σωµατιδίων της δέσµης, εφαρµόζονται ισχυρά ηλεκτρικά και µαγνητικά πεδία που τα επιταχύνουν και συγχρόνως τα εστιάζουν. Οι επιταχυντές έχουν είτε κυκλική µορφή (ΚΥΚΛΙΚΟΙ ΕΠΙΤΑΧΥΝΤΕΣ), όπου τα σωµατίδια της δέσµης επιταχύνονται διαγράφοντας επαναλαµβανόµενες κυκλικές τροχιές, είτε ευθεία γραµµή (ΓΡΑΜΜΙΚΟΙ ΕΠΙΤΑΧΥΝΤΕΣ), όπου η δέσµη ταξιδεύει από την µια άκρη στην άλλη. Οι ανιχνευτές συλλαµβάνουν τα σωµατίδια που παράγονται στις συγκρούσεις, προκειµένου να διερευνηθεί η δοµή του πυρήνα του ατόµου και οι δοµικοί λίθοι των νουκλεονίων quarks. Σχέση του Einstein E = mc 2 =>m = E/c 2 4
Βασικές Αρχές λειτουργίας του Επιταχυντή Μαγνητικό Πεδίο ΚΙΝΗΣΗ ΦΟΡΤΙΣΜΕΝΟΥ ΣΩΜΑΤΙΔΙΟΥ ΥΠΟ ΤΗΝ ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΔΙΠΟΛΙΚΟΥ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΥ ΠΕΔΙΟΥ (ΚΑΘΕΤΟΥ) ΣΤΗΝ ΟΘΟΝΗ Βρ = «Μαγνητική Ακαµψία» του σωµατιδίου. Δείχνει το βαθµό δυκολίας να υπακούσει σε καµπυλόγραµµη κίνηση το σωµατίδιο λόγω του µαγνητικού πεδίου 5
Βασικές Αρχές λειτουργίας του Επιταχυντή Μαγνητικό Πεδίο ΑΛΛΑΓΗ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗΣ του σωµατιδίου κατά ΓΩΝΙΑ Θ λόγω µαγνητικού πεδίου µήκους L και πεδίου B Βρ = µαγνητική ακαµψία ~ ορµής του σωµατιδίου 6
Βασικές Αρχές λειτουργίας του Επιταχυντή Μαγνητικό Πεδίο ΤΡΟΧΙΑ του σωµατιδίου µέσα σε κυκλικό µαγνήτη Αλλά ένας επιταχυντής περιέχει πολλά σωµατίδια Ο αριθµός των σωµατιδίων στο σύγχροτρον είναι περίπου 10 10-10 12 σωµατίδια Δύο σωµατίδια στο µαγνητικό πεδίο µε ίδια ορµή αλλά µε διαφορετικές γωνίες εισόδου 7
Το ΚΥΚΛΟΤΡΟΝ 8
Το ΚΥΚΛΟΤΡΟΝ 9
Το ΣΥΓΧΡΟΚΥΚΛΟΤΡΟΝ 10
Βασικές Αρχές λειτουργίας του Επιταχυντή Ηλεκτρικό Πεδίο 11
Βασικές Αρχές λειτουργίας του Επιταχυντή Ηλεκτρικό Πεδίο 12
ΓΡΑΜΜΙΚΟΣ ΕΠΙΤΑΧΥΝΤΗΣ ΠΡΩΤΟΝΙΩΝ 13
ΓΡΑΜΜΙΚΟΣ ΕΠΙΤΑΧΥΝΤΗΣ ΠΡΩΤΟΝΙΩΝ 14
Μέθοδοι της σωµατιδιακής φυσικής 1) Συγκέντρωση ενέργειας στα σωµατίδια (επιταχυντής) Ανιχνευτής Επιταχυνόµενα Σωµατίδια 2) Σύγκρουση σωµατιδίων (δηµιουργία συνθηκών ανάλογων του Big Bang) 3) Αναγνώριση παραγόµενων σωµατιδίων από τον Ανιχνευτή (έρευνα για νέα φαινόµενα) Αρχή Σύγχρονου Πειράµατος στη Σωµατιδιακή Φυσική!! 15
Οι εγκαταστάσεις του CERN 2009 27 km CERN PREVESSIN Επιταχυντής SPS CERN MEYRIN Αεροδρόµιο Γενεύης 30/04/2012 Επιταχυντής LHC Ε.Ν. Γαζής / ΕΜΠ 16
Η Τεχνογνωσία του CERN: Η ανάπτυξη επιταχυντών φορτισµένων σωµατιδίων 17
Ο Μεγάλος Αδρονικός Επιταχυντής LHC Ο Μεγάλος Επιταχυντής Συγκρουόµενων Δεσµών Αδρονίων (Large Hadron Collider = LHC) αποτελεί την πιο ισχυρή επιταχυντική µηχανή που κατασκευάστηκε ποτέ για την έρευνα των ιδιοτήτων των θεµελιωδώνσωµατιδίων. Τέσσερις γιγάντιοι υπόγειοι θάλαµοι φιλοξενούν τους ανιχνευτές Θα επιτευχθεί η υψηλότερη στον κόσµο ενέργεια για επιταχυντή. Ήδη βρισκόµαστε στα (4.0+4.0) TeV!! Αποτελεί την ισχυρότερη δέσµη συγκρουόµενων πρωτονίων Λειτουργεί σε θερµοκρασία µικρότερη αυτής του διαστήµατος!! 18
Κατασκευάζοντας το LHC 27 km µήκος περιφέρειας 100 m κάτω από τη γη 19
Ο Μεγάλος Αδρονικός Επιταχυντής LHC 1238 υπεραγώγιµα µαγνητικά δίπολα, βάρους 35 τόνων το καθένα κατασκευάστηκαν και συναρµολογήθηκαν για τον Μεγάλο Αδρονικό Επιταχυντή, µε περίµετρο 27 χιλιόµετρα!. Αν χρησιµοποιούσαµε συµβατικούς µαγνήτες θα χρειαζόµασταν περίµετρο επιταχυντού µε 120 χιλιόµετρα!!! για να έχουµε την ίδια τελική ενέργεια. 20
Ο Μεγάλος Αδρονικός Επιταχυντής LHC Το ΠΡΩΤΟ µαγνητικά δίπολο, (Μάρτιος 2006) µήκους 15 µέτρων και βάρους 35 τόνων κατεβαίνει σε 100 µέτρα βάθος για να συναρµολογηθεί στον Μεγάλο Αδρονικό Επιταχυντή LHC. 21
The 30/04/2012 LHC machine Ε.Ν. Γαζής / ΕΜΠ 22
Το σύµπλεγµα του LHC και των Ανιχνευτών To LHC λειτουργεί από το 2009. Είναι βέβαιο ότι θα αλλάξει τις απόψεις µας για την Ύλη, τη Φύση και το Σύµπαν! CMS ATLAS LHC-b 30/04/2012 Ε.Ν. Γαζής / ΕΜΠ 23
Κατασκευάζοντας το πείραµα CMS του LHC 24
Ο Ανιχνευτής ATLAS Ο ανιχνευτής ATLAS ανάµεσα στις πτέρυγες του 6-όροφου κτιρίου 40 CERN Διάµετρος 25 m Μήκος Τοροειδούς 26 m Συνολικό µήκος 46 m Συνολικό βάρος 7000 Tons 25
Ο Περιοδικός Πίνακας της Σ.Φ. QUARKS ΤΟ ΠΡΩΤΟΝΙΟ ΤΟ ΜΕΣΟΝΙΟ ΚΑΙ ΤΟ ΒΑΡΥΟΝΙΟ ΛΕΠΤΟΝΙΑ ΦΟΡΕΙΣ ΤΩΝ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΩΝ 26
ΟΛΗ η Σωµατιδιακή Φυσική στον LHC ss cc Φ 1970 J/ψ 1974 Y 1977 Ζ 1984 Higgs 2012? 27
Πείραµα ALICE Ω = sss 30/04/2012 25/11/2011 TheoAlex, Ε.Ν. Greek Γαζής Midterm, / ΕΜΠ PECFA @ CERN 28 28
Πείραµα ALICE Λ = uds 29
Νέο Σωµατίδιο X b (3P) ΠΕΙΡΑΜΑ ATLAS bb ΜΑΡΤΙΟΣ 2012!! 30/04/2012 25/11/2011 TheoAlex, Ε.Ν. Greek Γαζής Midterm, / ΕΜΠ PECFA @ CERN 30 30
Νέο Σωµατίδιο Ξ b * 0 ΠΕΙΡΑΜΑ CMS Ξ b *0 = dsb m = 5945.0 ± 2.8 MeV 27 ΑΠΡΙΛΙΟΥ 2012!! 31
Μποζόνιο HIGGS ΤΟ ΜΠΟΖΟΝΙΟ ΠΟΥ ΔΕΝ ΕΧΕΙ ΒΡΕΘΕΙ ΑΚΟΜΑ? ΠΩΣ ΠΑΡΑΓΕΤΑΙ... ΠΩΣ ΔΙΑΣΠΑΤΑΙ 4 ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΟΙ ΤΡΟΠΟΙ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΤΟΥ ΜΠΟΖΟΝΙΟΥ ΠΙΘΑΝΟΤΗΤΑ ΤΩΝ ΤΡΟΠΩΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΤΟΥ ΜΠΟΖΟΝΙΟΥ ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΟΙ ΤΡΟΠΟΙ ΔΙΑΣΠΑΣΗΣ ΤΟΥ ΜΠΟΖΟΝΙΟΥ Περιµένουµε µόνο 1 Ηiggs σωµατίδιο για κάθε 1 000 000 000 000 γεγονότα! 30/04/2012 25/11/2011 Ε.Ν. Γαζής / ΕΜΠ 32 32
Μποζόνιο HIGGS ΠΕΡΙΟΧΕΣ ΠΟΥ ΜΠΟΡΕΙ ΝΑ ΥΠΑΡΧΕΙ ΤΟ ΜΠΟΖΟΝΙΟ Η συνεχής γραµµή είναι το πείραµα και η διακεκοµµένη γραµµή είναι τα αναµενόµενα αποτελέσµατα 33
Μποζόνιο HIGGS ΠΕΡΙΟΧΕΣ ΠΟΥ ΜΠΟΡΕΙ ΝΑ ΥΠΑΡΧΕΙ ΤΟ ΜΠΟΖΟΝΙΟ H WW( ) l+νl ν H bb ΚΟΚΚΙΝΗ ΓΡΑΜΜΗ H τ+τ H γγ H ZZ( ) l+l l+l ΜΠΛΕ ΓΡΑΜΜΗ ΠΙΘΑΝΗ ΜΑΖΑ ΤΟΥ ΜΠΟΖΟΝΙΟΥ HIGGS m H = (117.5-118.5) GeV/c 2 119.5 (122.5-129.0) GeV/c 2 125.0 Η συνεχής γραµµή είναι το πείραµα και η διακεκοµµένη γραµµή είναι τα αναµενόµενα αποτελέσµατα 34
Το σωµατίδιο Higgs στον LHC 35
Αναπάντητα Ερωτήµατα Ενοποίηση των αλληλεπιδράσεων Ασυµµετρία των Βαρυονίων: DN B! DN B ~ 10!9 Οι τρεις γενιές γεύσεων των quarks Ελάχιστη µάζα των νετρίνων Προέλευση της σκοτεινής ύλης Κβαντική θεωρία Βαρύτητας Κοσµολογική σταθερά 36
Απαντήσεις µε νέες ιδέες 1. ΥΠΕΡΣΥΜΜΕΤΡΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ: για ελαχιστοποίηση των κβαντικών διορθώσεων 2. ΝΕΑ ΣΩΜΑΤΙΔΙΑ: Technicolor/Topcolor 3. ΕΞΤΡΑ ΔΙΑΣΤΑΣΕΙΣ του χωροχρόνου 4. ΠΡΟΒΛΗΜΑ ΙΕΡΑΡΧΙΑΣ, κλπ 37
Απαντήσεις µε νέες ιδέες Η ΥΠΕΡΣΥΜ- ΜΕΤΡΙΑ Δ Ε Ν ΥΠΑΡΧΕΙ ΓΙΑ ΜΕΓΑΛΗ ΠΕΡΙΟΧΗ 38
Απαντήσεις µε νέες ιδέες ΨΑΧΝΟΥΜΕ «ΒΕΛΟΝΑ ή ΨΥΛΛΟ ΣΤ ΑΧΥΡΑ... ΑΛΛΑ ΣΥΝΕΧΙΖΟΥΜΕ!!! 30/04/2012 Ε.Ν. Γαζής / ΕΜΠ 39
Επίλογος - Κάλεσµα... Η παγκόσµια επιστηµονική κοινότητα ζεί ΜΕΓΑΛΕΣ και ΜΟΝΑΔΙΚΕΣ συναρπαστικές στιγµές ανακάλυψης των νέων φαινοµένων φυσικής µε τη λειτουργία του Μεγάλου Αδρονικού Επιταχυντή LHC!! Ελπίζουµε ότι πολλοί από τους νέους µαθητές, ΕΣΕΙΣ...ενδεχοµένως, οι ΝΕΑΡΟΙ ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΟΙ ΦΥΣΙΚΟΙ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΟΙ Θα µας συνοδεύσουν σε αυτή την θαυµαστή περιπέτεια των νέων Ανακαλύψεων της Επιστήµης, της Τεχνολογίας και Καινοτοµίας!! 40
BACKUP SLIDES 41
Κλίµακα Ενεργειών Τα πρωτόνια που συγκρούονται µέσα στο πείραµα ATLAS, ΠΟΣΟ γρήγορα κινούνται? Ενέργεια πρωτονίου Ποσοστό Ταχύτητας του φωτός 1 ev 0.00005 1 MeV = 1 000 ev 0.046 1 GeV = 1 000 000 ev 0.875 1 TeV = 1 000 000 000 ev 0.99999956 7 TeV = 7 000 000 000 ev 0.999999991 MeV= 10 6 ev GeV= 10 9 ev TeV= 10 12 ev 42
Ο Μεγάλος Αδρονικός Επιταχυντής LHC LHC Parameters Energy @ collisions 7 TeV Energy @ injection 450 GeV Luminocity 10 34 cm -2 s -1 Bunch Spac. 7.48 m Bunch Sep. 24.95 ns Particles/b. 1.1 x 10 11 Dipole field at 7 TeV Luminocity life time DC beam c. 8.33 Tesla 10 h 0.56 A 43