Μεγάλα πειράματα για τη Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων

Μεγάλα πειράματα για τη Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων τα τηλεσκόπια του μικρόκοσμου Κώστας Κορδάς Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης HEP MasterClass Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, 4 Μαρτίου 2010

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 Τα μεγάλα πειράματα σε επιταχυντές Βασικά συστατικά τέτοιων πειραμάτων (στο LHC) Ανίχνευση σωματιδίων σε τέτοια πειράματα Το μποζόνιο Ζ και η ανίχνευσή του στον προηγούμενο επιταχυντή του CERΝ, τον LEP (ηλεκτρόνιο-ποσιτρόνιο) Παραδείγματα για την απογευματινή άσκηση 2

Μέρος Α' 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 Τα μεγάλα πειράματα σε επιταχυντές Βασικά συστατικά τέτοιων πειραμάτων (στο LHC) Ανίχνευση σωματιδίων σε τέτοια πειράματα 3

Γιατί; Η περιέργεια Αναρωτιόμαστε, από τι είναι φτιαγμένος ο κόσμος; ; έσα μ εδώ ι α ίν Τι ε Δημόκριτος (460 371 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 (384 322 π.χ): Όλος ο χώρος είναι γεμάτος από ένα συνεχές ύλης 4

Γιατί; Η περιέργεια Αναρωτιόμαστε, από τι είναι φτιαγμένος ο κόσμος; ; έσα μ εδώ ι α ίν Τι ε Δημόκριτος (460 371 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 (384 322 π.χ): Όλος ο χώρος είναι γεμάτος από ένα συνεχές ύλης Πώς μπορούμε να προχωρήσουμε από τις υποθέσεις σε επιστημονικά τεκμηριωμένες θεωρίες; Με το πείραμα - Γαλιλαίος (Galileo Galilei), 1564 1642 μ.χ 5

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; 6

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 Σαν να πυροβολούμε Ραδιενεργός ένα σακκί. πηγή Έχει μέσα άμμο, ή μήπως σιδερένιες μπάλες; 7

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 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 8

Μια καθημερινή εμπειρία σκέδασης Η όραση! 9

Μια καθημερινή εμπειρία σκέδασης Η όραση! Πηγή φωτός (φωτονίων) Στόχο ς 10

Μια καθημερινή εμπειρία σκέδασης Η όραση! Πηγή φωτός (φωτονίων) Στόχο ς Ανιχνευτής 11

Μια καθημερινή εμπειρία σκέδασης Η όραση! Πηγή φωτός (φωτονίων) Στόχο ς Ανιχνευτής Μονάδα επεξεργασίας δεδομένων υπολογιστής 12

Μια καθημερινή εμπειρία σκέδασης Η όραση! Πηγή φωτός (φωτονίων) Στόχο ς 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) 13

Δε βλέπουμε όμως τα άτομα. Γιατί; Γιατί το μήκος κύμματος του ορατού φωτός είναι πολύ μεγαλύτερο από τις διαστάσεις του ατόμου 5000 φορές μεγαλύτερο, περίπου λ(ορατό) ~ 500 nm, R(άτομο) ~ 10-10 m = 0.1 nm λ=1m 14

Δε βλέπουμε όμως τα άτομα. Γιατί; Γιατί το μήκος κύμματος του ορατού φωτός είναι πολύ μεγαλύτερο από τις διαστάσεις του ατόμου 5000 φορές μεγαλύτερο, περίπου λ(ορατό) ~ 500 nm, R(άτομο) ~ 10-10 m = 0.1 nm λ=1m Μεγάλο μήκος κύματος μικρή διακριτική ικανότητα (διακρίνουμε δύσκολα τα μικρά αντικείμενα) 15

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 έιναι; Μετά από λίγο... 16

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 έιναι; Μετά από λίγο... 17

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) 18

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 19 π.5 α Vo ταρ lt ιία Louis de Broglie (1924) Όπως αποκτάμε ταχύτητα στην κατηφόρα! 19

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 20

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 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 21

Το κατάλληλο εργαλείο ανά περίπτωση οι επιταχυντές ως μικροσκόπια 22

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 23

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 24

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 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 26

Μα, πώς παράγουμε σωματίδια; Πειράματα σκέδασης συγκρούσεις σωματιδίων E = mc2 ενέργεια Η μάζα είναι μια μορφή ενέργειας μάζα c = ταχύτητα του φωτός 27

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 28

Επιταχυντές σημαντικό εργαλείο έρευνας μικροσκόπια Οι μεγάλες ενέργειες συγκρούσεων επιτρέπουν: Να κοιτάμε όλο και πιο βαθιά στην ύλη Μεγάλη Ενέργεια μικρό μήκος κύματος λ = h/p 29

Επιταχυντές σημαντικό εργαλείο έρευνας μικροσκόπια Οι μεγάλες ενέργειες συγκρούσεων επιτρέπουν: Να κοιτάμε όλο και πιο βαθιά στην ύλη Μεγάλη Ενέργεια μικρό μήκος κύματος λ = h/p De Broglie (1924) Να ανακαλύπτουμε βαρύτερα σωματίδια Η μάζα είναι μιά μορφή ενέργειας E = mc2 Einstein (1905) 30

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 31

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 ) 32

Επιταχυντές για τη μελέτη του σύμπαντος! 33

Το απειροστό συνταντά το άπειρο! 34

Ερωτήματα που περιμένουν απάντηση Ο κ. Higgs πάντως έχει προτείνει έναν τρόπο/μηχανισμό Πώς τα σωματίδια αποκτούν μάζα; - έχουμε θεμελιώδη σωμάτια (δηλ. χωρίς δομή) με πολύ διαφορετικές μάζες Έχουμε μιά επιτυχημένη θεωρία που περιγράφει τον μικρόκοσμο, αλλά... Από τι αποτελείται το 96% του σύμπαντος; Η βαρύτητα δεν περιγράφεται στην ίδια θεωρία Μπορούμε να περιγράψουμε τα πάντα στη βάση μιας θεωρίας; 35

Χρειαζόμαστε λοιπόν επιταχυντές Εναλλάσουμε το ηλεκτρικό πεδίο και κραταμε το μαγνητικό σταθερό μεγαλώνει η ακτίνα της κυκλικής τροχιάς στο κύκλοτρο πρωτόνια 100 MeV = 0.1 GeV 1930,1930, Lawrence, πρωτόνιατου 100 Lawrence; MeV Σημείωση: 1 πρωτόνιο έχει μάζα ~1 GeV η ενέργεια που έχει επειδή απλά υπάρχει: όση Kινητική Ενέργεια αποκτά επιταχνόμενο σε 109 Volts 1930, Lawrence, πρωτόνια 100 MeV 1 ηλεκτρόνιο έχει μάζα ~2000 φορές λιγότερο (0.51 MeV) 36

Χρειαζόμαστε επιταχυντές 20 x 103 ev = 20 kev 100 x 109 ev = 100 GeV Kυκλικοί επιταχυντές τύπου σύγχροτρον : το μαγνητικό πεδίο μεγαλώνει όσο μεγαλώνει και η ορμή του επιταχυνόμενου σωματιδίου (για να τα κρατά σε σταθερή τροχιά) LEP tunnel 37

+ - Επιταχυντής LEP (e e ) στο CERN Επιταχυντής με περίμετρο 27km Mέχρι το 2000 έκανε συγκρoύσεις + ηλεκτρονίων-ποσιτρονίων (e e ) με ενέργεια σύγκρουσης 90 GeV 38

Το τούνελ του επιταχυντή LEP: 100 μέτρα βάθος Από τα 27 χλμ περίμετρο, τα 20 χλμ είναι Γαλλία και τα υπόλοιπα 7χλμ στην Ελβετία 39

Τώρα στο ίδιο τούνελ: O Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (Large Hadron Collider) ~300 τρισεκατομύρια πρωτόνια (~3000 ομάδες των 1011 ) 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 14000 GeV 40

Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων στο CERN Από τις γρηγορότρες πίστες του πλανήτη, και απ'τα πιο Methodology άδεια και κρύα (1.9 Κ = -271.1 C) μέρη του σύμπαντος κενό και θερμοκρασίες μέσα στους σωλήνες του επιταχυντή καλύτερα απ'του μεσοαστρικού χώρου! 41

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 Αλλα πώς; 42

Ανίχνευση σωματιδίων Η ανίχνευση των σωματιδίων βασίζεται στην αλληλεπίδρασή τους με την ύλη που διασχίζουν Φωτογραφικές πλάκες: οι πρώτοι ανιχνευτές σωματιδίων 43

Ιχνηλασία φορτισμένων σωματιδίων Ιονισμός Φορτισμένο σωματίδιο + HV - - + - + - + - + Παλμός ρεύματος 44

Ιχνηλασία ( tracking ) φορτισμένων σωματιδίων - Ιονισμός Θάλαμος με ευγενές αέριο (π.χ. Αργό) + - + - + - + - + HV + HV Φορτισμένο σωματίδιο - + - + - + - + 45

Μέτρηση ορμής φορτισμένου σωματιδίου => Μετράμε την ορμή (p) από την καμπύλωση (R) της τροχιάς φορτισμένου σωματιδίου σε μαγνητικό πεδίο B. Η δύναμη Lorentz F = q v B δίνει κεντρομόλο επιτάχυνση, άρα: F = p v / R B F v Τροχιά φορτισμένου σωματιδίου Β R => Όσο μεγαλύτερη η ορμή (p) του σωματιδίου, τόσο μεγαλύτερη η ακτίνα καμπυλότητας (R) της τροχιάς που ιχνηλατούμε. 46

Μέτρηση της ενέργειας σωματδίου Αποροφούμε το σωματίδιο σε κατάλληλο θερμιδόμετρο καλορίμετρο και μετράμε την ενέργεια που αποροφήθηκε = η αρχική ενέργεια του σωματιδίου Προσπίπτων σωματίδιο σε θερμιδόμετρο-καλορίμετρο. Στα θερμιδόμετρα-καλορίμετρα μετρούμε και την ενέργεια ουδέτερων σωματιδίων (για τα οποία δεν έχουμε μέτρηση από ιχνηλασία) 47

Αλληλεπίδραση σωματιδίων με διάφορα είδη ανιχνευτών Εσωτερικοί ιχνηλάτες Θερμιδόμετρα: ηλεκτρομαγνητικό, αδρονικό Εξωτερικοί ιχνηλάτες: Θάλαμοι μουονίων φωτόνια Ηλεκτρόνια / ποσιτρόνια μιόνια Πιόνια / πρωτόνια νετρόνια 48

Αλληλεπίδραση διαφόρων σωματιδίων με διάφορα είδη ανιχνευτών Η θέση των διαφόρων τύπων ανιχνευτών σ' ένα πείραμα συγκρουόμενων δεσμών 49

Πειραματικές διατάξεις σε επιταχυντές συγκρουόμενων δεσμών - e + e 50

Χρειαζόμαστε μεγάλους ανιχνευτές 43 m 22 m 7000 T T. Virdee, ICHEP08 (όσο ζυγίζει το σίδηρο στον πύργο του Eiffel) 50 51

ATLAS 22 μέτρα, 7000 τόνοι 52

ATLAS at CERN - Αριστοτέλειο Οι Eλληνικοί θάλαμοι μιονίων που κατασκευάστηκαν στο Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θ/νίκης εγκαταστημένοι στο πείραμα ATLAS (συνεργασία με Μετσόβειο και Καποδιστριακό) 53

ATLAS at CERN - Αριστοτέλειο Το 1997 δημιουργήθηκε στο ΑΠΘ ένα εργαστήριο για την κατασκευή και τον έλεγχο ανιχνευτών μιονίων. Μια σύντομη περιήγηση στους χώρους του εργαστηρίου; Χώρος Ελεγχόμενων Συνθηκών 54

CMS 15 μέτρα, 12000 τόνοι (λίγο περισσότερο από το συνολικό βάρος του πύργου του Eiffel) 55

CMS Όχι μόνο σιδερικά, αλλά και ηλεκτρονικά, και καλώδια 56

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 1 εϖεντ ιν 10,000,000,000,000 * Να βλέπουν ένα δισεκατομύριο συγκρούσεις πρωτονίων το δεπτερόλεπτο, * Nα διαλέγουν τις καλύτερες 100-200 ανά δεπτερόλεπτο * και να τις καταγράφουν με διακριτική ικανότητα φωτοφραφικής μηχανής των 100 Μεγα pixleς. 57

Χρειαζόμαστε Υπολογιστές Περίπου 3000 υπολογιστές για την επιλογή των καλύτερων 200 γεγονότεων ανά δεπτερόλεπτο 58

Υπολογιστές παντού παγκόσμιο δίκτυο (Grid) 20 χλμ 15 χλμ * Μετά το world-wide web (WWW) που ανακαλύφθηκε στο CERN, 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 κάθε ~2 δεπτερόλεπτα 59

Και κυρίως χρειαζόμαστε ανθρώπους Να τα φτιάξουμε ολ' αυτά, να συλλέξουμε τα δεδομένα, και να καταλάβουμε τι μας λέει η φύση. 60

Ελληνική συμμετοχή Ελληνικά Πανεπιστήμια κατασκεύασαν ένα μέρος και έχουν συμμετοχή στα πειράματα ATLAS CMS ALICE στον νέο επιταχυντή LHC του CERN. 61

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 ταυτόχρονου ; Την αντικατάσταση της βεβαιότητας με την πιθανότητα; 62

Τι συζητήσαμε μέχρι τώρα 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 και αρχές λειτουργίας 63

Μέρος Β' Το μποζόνιο Ζ και η ανίχνευσή του στον προηγούμενο επιταχυντή του CERΝ, τον LEP (ηλεκτρόνιο-ποσιτρόνιο) Παραδείγματα για την απογευματινή άσκηση 64

Η ανίχνευση του σωματιδίου Ζ των ασθενών αντιδράσεων Παράδειγμα δημιουργίας και διάσπασης του μποζονίου Ζ 65

Οι διασπάσεις του Z Z e+ e- ηλεκτρόνιο-ποζιτρόνιο Z µ+ µ- μιόνια Z τ+ τ- λεπτόνια ταυ Z qq quark (αδρόνια) Z νν νετρίνο-αντινετρίνο Σήμερα θα ταυτοποιήσουμε τις διασπάσεις αυτές και θα μετρήσουμε την πιθανότητά τους να συμβούν 68

Η ταυτοποίηση των παραγόμενων σωματιδίων Εσωτερικοί ιχνηλάτες Θερμιδόμετρα: ηλεκτρομαγνητικό, αδρονικό Εξωτερικοί ιχνηλάτες: Θάλαμοι μουονίων φωτόνια Ηλεκτρόνια / ποσιτρόνια μουόνια Πιόνια / πρωτόνια νετρόνια 69

Πειραματικές διατάξεις σε επιταχυντές συγκρουόμενων δεσμών - e + e 70

Z e+ e- (1) - + e e Καλορίμετρα Ανιχνευτές μιονίων 71

Z e+ e- (2) Δύο φορτισμένα σωματίδια 180 το ένα απο το άλλο - + e e Καλορίμετρα Ανιχνευτές μιονίων 72

Z e+ e- (3) Δύο φορτισμένα σωματίδια 180 το ένα απο το άλλο Μεγάλη απόθεση ενέργειας στο ηλεκτρομαγνητικό θερμιδόμετρο/καλορίμετρο - + e e Καλορίμετρα Ανιχνευτές μιονίων e 73

Z e+ e- (4) Δύο φορτισμένα σωματίδια 180 το ένα απο το άλλο Μεγάλη απόθεση ενέργειας στο ηλεκτρομαγνητικό θερμιδόμετρο/καλορίμετρο Καλορίμετρα Ανιχνευτές μιονίων Το μέγεθος της στήλης είναι ανάλογο της ενέργειας που αποτέθηκε στα καλορίμετρα 74

Z μ+ μ- (1) Δύο φορτισμένα σωματίδια 180 το ένα απο το άλλο - + e e Καλορίμετρα Ανιχνευτές μιονίων 75

Z μ+ μ- (2) Δύο φορτισμένα σωματίδια 180 το ένα απο το άλλο Ίχνη διέλευσης σωματιδίων και στους ανιχνευτές μιονίων μ - + e e Καλορίμετρα Ανιχνευτές μιονίων μ 76

Z μ+ μ- (3) Δύο φορτισμένα σωματίδια 180 το ένα απο το άλλο Ίχνη διέλευσης σωματιδίων και στους ανιχνευτές μιονίων Καλορίμετρα Ανιχνευτές μιονίων 77

Z νν Z e+ ez µ+ µ- ηλεκτρόνιο-ποζιτρόνιο μιόνια Z τ+ τ- λεπτόνια ταυ, που είναι σταθή e- νe νμ ή μ- νe νμ ή αδρόνια(1 ή 3 φορτισμένα) νμ e- νe νμ ή μ- νe νμ Z qq ή αδρόνια(1 ή 3 φορτισμένα) νμ quark (αδρόνια) Πίδακας αδρονίων με αρκετά φορτισμένα σωμάτια Πίδακας αδρονίων με αρκετά φορτισμένα σωμάτια Z νν νετρίνο-αντινετρίνο Δεν αφήνουν ίχνος αόρατα για τον ανιχνευτή δεν βλέπουμε ενέργεια στον ανιχνευτή. 78

Z qq Z e+ ez µ+ µ- ηλεκτρόνιο-ποζιτρόνιο μιόνια Z τ+ τ- λεπτόνια ταυ, που είναι σταθή e- νe νμ ή μ- νe νμ ή αδρόνια(1 ή 3 φορτισμένα) νμ e- νe νμ ή μ- νe νμ Z qq ή αδρόνια(1 ή 3 φορτισμένα) νμ quark (αδρόνια) Πίδακας αδρονίων ( jet ) με αρκετά φορτισμένα σωμάτια Πίδακας αδρονίων ( jet ) με αρκετά φορτισμένα σωμάτια Z νν νετρίνο-αντινετρίνο Δεν αφήνουν ίχνος αόρατα για τον ανιχνευτή! 79

Z qq (1) 2-3 πίδακες ( jets ) σωματιδίων με ολική ορμή ΜΗΔΕΝ - + e e Καλορίμετρα Ανιχνευτές μιονίων 80

Z qq (2) 2-3 πίδακες ( jets ) σωματιδίων με ολική ορμή ΜΗΔΕΝ ενέργεια στον αδρονικό καλορίμετρο από φορτισμένα σωμάτια ή όχι (π.χ., νετρόνια) και ενέργεια στον ηλεκτρομαγνητικό καλορίμετρο από ουδέτερα jet - + e e Καλορίμετρα Ανιχνευτές μιονίων jet 81

Z qq (2 πίδακες) 2 πίδακες( jets ) σωματιδίων ~180 ο ένας από τον άλλο ενέργεια στον αδρονικό καλορίμετρο (από φορτισμένα σωμάτια ή όχι, π.χ., νετρόνια) και ενέργεια στον ηλεκτρομαγνητικό καλορίμετρο από ουδέτερα 82

Z qq (3 πίδακες) 3 πίδακες( jets ) σωματιδίων με ολική ορμή ΜΗΔΕΝ ενέργεια στον αδρονικό καλορίμετρο από φορτισμένα σωμάτια ή όχι (π.χ., νετρόνια) και ενέργεια στον ηλεκτρομαγνητικό καλορίμετρο από ουδέτερα 83

Z τ τ (1) + - Z e+ ez µ+ µ- ηλεκτρόνιο-ποζιτρόνιο μιόνια Z τ+ τ- λεπτόνια ταυ, που είναι ασταθή e- νe ντ ή μ- νμ ντ ή αδρόνια(1 ή 3 φορτισμένα) ντ e- νe ντ ή μ- νμ ντ Z qq ή αδρόνια(1 ή 3 φορτισμένα) ντ quark (αδρόνια) Πίδακας αδρονίων με αρκετά φορτισμένα σωμάτια Πίδακας αδρονίων με αρκετά φορτισμένα σωμάτια Z νν νετρίνο-αντινετρίνο Δεν αφήνουν ίχνος αόρατα για τον ανιχνευτή! 84

Z τ τ (2) + - Z e+ ez µ+ µ- ηλεκτρόνιο-ποζιτρόνιο μιόνια Z τ+ τ- λεπτόνια ταυ, που είναι σταθή e- νe ντ ή μ- νμ ντ ή αδρόνια(1 ή 3 φορτισμένα) ντ e- νe ντ ή μ- νμ ντ ή αδρόνια(1 ή 3 φορτισμένα) ντ q q quark (αδρόνια) το ένα από το άλλο ΤαZ τ διασπόνται ΑΝΕΞΑΡΤΗΤΑ Πίδακας αδρονίων με αρκετά φορτισμένα σωμάτια Πίδακας αδρονίων με αρκετά φορτισμένα σωμάτια 1) Αλλά πάντα έχουν αρκετά νετρίνα ως προϊόντα νθα πάντα πολύ ενέργεια (> 60 %) Z ν μας λείπει νετρίνο-αντινετρίνο 3) Αν έχουμε αδρονικούς έχουν Δεν αφήνουν ίχνος πίδακες, αόρατα αυτοί για τονθα ανιχνευτή! λίγα σωματίδια 85

Z τ τ (3) + - 2 σωματίδια, ΟΧΙ σε ~180 το ένα από το άλλο Έχουμε πολλά νετρίνα: μας λείπει αρκετή ενέργεια τ μ+ν+ν - + e e Καλορίμετρα Ανιχνευτές μιονίων τ e+ν+ν 86

Z τ τ 2 μ + νετρίνα + - Δύο μιόνια, όχι σε γωνία 180 μεταξύ τους και πολύ ενέγεια που έχει διαφύγει - Καλορίμετρα Ανιχνευτές μιονίων 87

Z τ τ 2 e + νετρίνα + - Δύο ηλεκτρόνια και πολύ ενέγεια που έχει διαφύγει - Καλορίμετρα Ανιχνευτές μιονίων 88

Z τ τ 2 πίδακες+ νετρίνα + - Δύο πίδακες σωματιδίων (με 3 φορτισμένα ο καθένας) και πολύ ενέγεια που έχει διαφύγει - Καλορίμετρα Ανιχνευτές μιονίων 89

Τι συζητήσαμε στο Β' μέρος Είδαμε πώς οι ανιχνευτές χρησιμοποιούνται για να ταυτοποιήσουν το είδος των σωματιδίων Ηλεκτρόνια (σταματούν στον ηλεκτρομαγνητικό καλορίμετρο) Μιόνια (διατρητικά) Νετρίνα (δεν αλληλεπιδρούν η χαμένη ενέργεια ) Αδρόνια ( πίδακες σωματιδίων = jets) Είδαμε πώς μπορούμε να ξεχωρίσουμε τους διάφορους τρόπους διάσπασης του μποζονίου Ζ: Z e+e- Z µ+µ- Z τ+τ- Z qq Δείτε ακόμη μερικά παραδείγματα και... έτοιμοι για την άσκηση! 90

Ευχαριστώ 91