Μεγάλα πειράματα στη Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων τα τηλεσκόπια του μικρόκοσμου Κώστας Κορδάς Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Εκδήλωση βράβευσης των μαθητών που συμμετείχαν στην Α φάση του Πανελλήνιου Μαθητικού Διαγωνισμού για την επιλογή ομάδων μαθητών που θα συμμετάσχουν στη 10η Ευρωπαϊκή Ολυμπιάδα Επιστημών-EUSO2012 Θεσσαλονίκη, 4 Δεκεμβρίου 2011
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) 2
Γιατί; Η περιέργεια Αναρωτιόμαστε, από τι είναι φτιαγμένος ο κόσμος; ; έσα μ εδώ ι α ίν Τι ε Δημόκριτος (460371 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 (384322 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), 1564 1642 μ.χ 3
Πώς; Πειράματα σκέδασης Ο Ernest Rutherford, Hans Geiger και Ernest Marsden, κάνουν πειράματα σκέδασης σωματιδίων άλφα πάνω σε χρυσόχαρτο (1906) Ernest Rutherford (1871-1937) 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; 4
Πώς; Πειράματα σκέδασης Ο Ernest Rutherford, Hans Geiger και Ernest Marsden, κάνουν πειράματα σκέδασης σωματιδίων άλφα πάνω σε χρυσόχαρτο (1906) Ernest Rutherford (1871-1937) Χρυσόχαρτο Με άτ γεν ομ θ υ μ α χρ ένα υσ ού Σω μ Ανιχνευτής 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 5
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) 6
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 = 10-10 m = 0.1 nm λ=1m Μεγάλο μήκος κύματος μικρή διακριτική ικανότητα (διακρίνουμε δύσκολα τα μικρά αντικείμενα) 7
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) 8
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 εν 0 0 8 ν1 μ ο 9 π.5 α Vo ταρ lt ιία Louis de Broglie (1924) Όπως αποκτάμε ταχύτητα στην κατηφόρα! 9
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 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 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 11
Το κατάλληλο εργαλείο ανά περίπτωση οι επιταχυντές ως μικροσκόπια 12
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 13
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 14
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, νμ, ντ) Πρωτόνια, νετρόνια + ~200 παρόμοια αλλά ασταθή σωματίδια, φτιαγμένα από κουάρκ 15
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 16
Μα, πώς παράγουμε σωματίδια; Πειράματα σκέδασης συγκρούσεις σωματιδίων E = mc2 ενέργεια Η μάζα είναι μια μορφή ενέργειας μάζα c = ταχύτητα του φωτός 17
Παράγουμε και ανιχνεύουμε σωματίδια Πειράματα σκέδασης συγκρούσεις σωματιδίων E=100 E=100 200 E = mc2 ενέργεια Η μάζα είναι μια μορφή ενέργειας μάζα c = ταχύτητα του φωτός 18
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 19
Ταξίδι σε συνθήκες πρώιμου σύμπαντος Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC) στο CERN: 14 TeV ~ 10-14 sec ( Σημείωση: 1 TeV = 1000 GeV = ενέργεια όση η μάζα 1000 πρωτονίων ) 20
Κάποια από τα ερωτήματα που περιμένουν απάντηση 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? 21
Ψάνουμε τις απαντήσεις παράγοντας και ανιχνεύοντας σωματίδια ( η μέθοδος ) 22
Χρειαζόμαστε λοιπόν επιταχυντές τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (Large Hadron Collider, LHC) στο CERN 23
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 99.9999991% αυτής του φωτός, Γυρίζουν ~11000 φορές το δευτερόλεπτο γύρω από τον επιταχυντή που έχει περίμετρο 27km Η ενέργεια σύγκρουσης των πρωτονίων είναι 14 000 GeV 24
Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων στο CERN Από τις γρηγορότερες πίστες του πλανήτη, και απ'τα πιο άδεια και κρύα (1.9Methodology Κ = -271.1 C) μέρη του σύμπαντος κενό και θερμοκρασίες μέσα στους σωλήνες του επιταχυντή καλύτερα απ'του μεσοαστρικού χώρου! 25
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 26
Χρειαζόμαστε μεγάλους ανιχνευτές 43 m 22 m 7000 T (όσο ζυγίζει το σίδηρο στον πύργο του Eiffel) T. Virdee, ICHEP08 27 27
Το πείραμα ATLAS στο τούνελ του LHC p p 28
ATLAS 22 μέτρα, 7000 τόνοι 29
Όχι μόνο όγκος/μπράτσα, αλλά και νοημοσύνη στο LHC χρειαζόμαστε ανιχνευτές που.. 7x10 12 ev 10 34 cm -2 s-1 2835 10 11 Beam Energy Luminosity Bunches/Beam Protons/Bunch 7.5 µ (25 νσ) Bunch Crossing Proton Collisions 7 TeV Proton Proton colliding beams 4 10 7 Hz 10 9 Hz e- ﾵ+ Parton Collisions New Particle Production (Higgs, SUSY,...) 10-5 Hz p ﾵ+ Z H θ ﾵp Z ﾵ- θ γ p θ θ χ2 0 νε χ1 θ p µ+ µ χ 0 1 Σελεχτιον οφ 1ένα εϖεντ δισεκατομύριο ιν 10,000,000,000,000 * Να βλέπουν περίπου συγκρούσεις πρωτονίων το δεπτερόλεπτο, * Nα διαλέγουν τις καλύτερες 100-200 ανά δεπτερόλεπτο * και να τις καταγράφουν με διακριτική ικανότητα φωτοφραφικής μηχανής των 100 Μεγα pixels. 30
Χρειαζόμαστε Υπολογιστές Περίπου 3000 υπολογιστές για την επιλογή των καλύτερων 200 γεγονότεων ανά δεπτερόλεπτο 31
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 32
Και κυρίως χρειαζόμαστε ανθρώπους Να τα φτιάξουμε ολ' αυτά, να συλλέξουμε τα δεδομένα, και να καταλάβουμε τι μας λέει η φύση. 33
Ελληνική συμμετοχή στον LHC Ελληνικά Πανεπιστήμια κατασκεύασαν ένα μέρος και έχουν συμμετοχή στα πειράματα ATLAS CMS ALICE στον επιταχυντή LHC του CERN. 34
Τι συζητήσαμε Πώς παρατηρούμε τον μικρόκοσμο Πειράματα σκέδασης ως προέκταση των αισθήσεών μας Η ανάγκη επιταχυντών και αντίστοιχων πειραμάτων Όσο πιο γρήγορο είναι το βλήμα, τόσο μεγαλύτερη διακριτική ικανότητα παρατήρησης έχουμε. Τι μαθαίνουμε με τα πειράματα στους επιταχυντές Αναλογία με την όραση Η δομή της ύλης και το σύμπαν μικροσκόπια και τηλεσκόπια Ο μεγάλος επιταχυντής αδρονίων (LHC) στο CERN και τα μεγάλα πειράματα στο LHC Τα βασικά συστατικά τους 35
τ α ι Γ ό ί η λ α ή υτ η θ ά π σ ο πρ ; α ι ε 36
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 37
Γιατί όλη αυτή η προσπάθεια; Για να καταλάβουμε αυτό τον κόσμο τον μικρό, τον μέγα που ζούμε 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; 38
Συγχαρητήρια που φτάσατε μέχρι εδώ! Να κοιτάτε πάντα μακρυά και ψηλά, να αγαπάτε αυτό που κάνετε και να δουλεύετε πολύ. Τα υπόλοιπα έρχονται! Καλή σας Επιτυχία! 39
Ευχαριστώ! 40
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... 41
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... 42
Επιταχυντές για τη μελέτη του σύμπαντος! 43
Το απειροστό συνταντά το άπειρο! 44
Βλέπουμε μόνο τα τελικά προϊόντα p p 45
ATLAS at CERN - Αριστοτέλειο Οι Eλληνικοί θάλαμοι μιονίων που κατασκευάστηκαν στο Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θ/νίκης εγκαταστημένοι στο πείραμα ATLAS (συνεργασία με Μετσόβειο και Καποδιστριακό) 46
CMS Όχι μόνο σιδερικά, αλλά και ηλεκτρονικά, και καλώδια 47