Τα μεγάλα πειράματα στο LHC τα τηλεσκόπια του μικρόκοσμου Κώστας Κορδάς LHEP, University of Bern, Ελβετία Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, 10 Μαρτίου 2009
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 στο LHC Τα βασικά συστατικά τους 2
Γιατί; Η περιέργεια Αναρωτιόμαστε, από τι είναι φτιαγμένος ο κόσμος; Τι αι είν εδ ; έσα μ ώ 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 3
Γιατί; Η περιέργεια Αναρωτιόμαστε, από τι είναι φτιαγμένος ο κόσμος; Τι αι είν εδ ; έσα μ ώ 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 να προχωρήσουμε από τις υποθέσεις σε επιστημονικά τεκμηριωμένες θεωρίες; Με το πείραμα - Γαλιλαίος (Galileo Galilei), 1564 1642 μ.χ 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 Σωματίδια άλφα Ανιχνευτής Ραδιενεργός πηγή Μόλυβδος 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 Σαν να πυροβολούμε Ραδιενεργός ένα σακκί. πηγή Έχει μέσα άμμο, ή μήπως σιδερένιες μπάλες 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 Με άτ γεν ομ θυ μ α χρ ένα υσ ού Ανιχνευτής Σω μα τί Ραδιενεργός πηγή δι α άλ φα Μόλυβδος Το άτομο έχει το θετικό του φορτίο συγκεντρωμένο σ' έναν πυρήνα έτσι εξηγείται η σκέδαση σε μεγάλες γωνίες 7
Μια καθημερινή εμπειρία σκέδασης Η όραση! 8
Μια καθημερινή εμπειρία σκέδασης Η όραση! Πηγή φωτός (φωτονίων) Στόχος 9
Μια καθημερινή εμπειρία σκέδασης Η όραση! Πηγή φωτός (φωτονίων) Στόχος Ανιχνευτής 10
Μια καθημερινή εμπειρία σκέδασης Η όραση! Πηγή φωτός (φωτονίων) Στόχος Ανιχνευτής Μονάδα επεξεργασίας δεδομένων υπολογιστής 11
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) 12
Δε βλέπουμε όμως τα άτομα. Γιατί; Γιατί το μήκος κύμματος του ορατού φωτός είναι πολύ μεγαλύτερο από τις διαστάσεις του ατόμου 500 φορές μεγαλύτερο, περίπου λ=1m 13
Δε βλέπουμε όμως τα άτομα. Γιατί; Γιατί το μήκος κύμματος του ορατού φωτός είναι πολύ μεγαλύτερο από τις διαστάσεις του ατόμου 500 φορές μεγαλύτερο, περίπου λ=1m Μεγάλο μήκος κύματος μικρή διακριτική ικανότητα (διακρίνουμε δύσκολα τα μικρά αντικείμενα) 14
Μήκος κύματος - διακριτική ικανότητα Μεγάλο μήκος κύματος μικρή διακριτική ικανότητα Μήκος κύμματος ~ διάμετρος της μπάλας του μπάσκετ Μετά από λίγο... 15
Μήκος κύματος - διακριτική ικανότητα Μικρότερο μήκος κύματος καλύτερη διακριτική ικανότητα Μήκος κύμματος ~ διάμετρος της μπάλας του τένις Μετά από λίγο... 16
Μήκος κύματος - διακριτική ικανότητα Μικρό μήκος κύματος καλή (υψηλή) διακριτική ικανότητα Μήκος κύμματος ~ διάμετρος της καραμέλας 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 υ ν 9 Oc t ό τω μια όμ ober 2 εν 008 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 Louis de Broglie (1924) π.χ. λ ~ 800 nm Σαν το βαθύ κόκκινο φως. Ηλεκτρόνιο Zürich, 29 October 2008 20 επιταχυνόμενο από μια μπαταριία των 1.5 Volt 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 Louis de Broglie (1924) ίες ρ α τ α μπ λ ~ 800 nm 0 0 0, π.χ. 0 είχε α Με 1 θ, ιρά ε σ η λ, τ ό σ Ηλεκτρόνιο ρ κ ι Zürich, 29 October 2008 21 άμ τ ε κ ει ρ ν ί α ρ επιταχυνόμενο κ α δι α ν ε τ ώσ ο! από μια μπαταριία μ ο τ ά ένα των 1.5 Volt 21
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 ής! τ ν υ χ Επιτα 22
Το κατάλληλο εργαλείο ανά περίπτωση οι επιταχυντές ως μικροσκόπια 23
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 24
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 25
Μετά από ~100 χρόνια πειραμάτων σκέδασης 1 m (μέτρο) 1/1,000,000,000 μόρια ηλεκτρόνια πυρήνας H20 νετρόνια πρωτόνια άτομα κουάρκ Hλεκτρόνια και κουάρκ: δε βλέπουμε δομή - θεμελιώδη Ηλεκτρόνια + άλλα 5 παρόμοια αλλά ασταθή σωματίδια Πρωτόνια, νετρόνια + άλλα 200 παρόμοια αλλά ασταθή σωματίδια 26
Στην πράξη η σκέδαση είναι... κάπως έτσι! Πειράματα σκέδασης συγκρούσεις σωματιδίων Πα ι α τ ν ο γ ά ρ τ α μ ω σ α νέ! α ι ίδ 27
Μα, πώς παράγουμε σωματίδια; Πειράματα σκέδασης συγκρούσεις σωματιδίων E = mc2 ενέργεια Η μάζα είναι μια μορφή ενέργειας μάζα c = ταχύτητα του φωτός 28
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 29
Επιταχυντές σημαντικό εργαλείο έρευνας μικροσκόπια Οι μεγάλες ενέργειες συγκρούσεων επιτρέπουν: Να κοιτάμε όλο και πιο βαθιά στην ύλη Μεγάλη Ενέργεια μικρό μήκος κύματος 30
Επιταχυντές σημαντικό εργαλείο έρευνας μικροσκόπια Οι μεγάλες ενέργειες συγκρούσεων επιτρέπουν: Να κοιτάμε όλο και πιο βαθιά στην ύλη Μεγάλη Ενέργεια μικρό μήκος κύματος De Broglie (1924) Να ανακαλύπτουμε βαρύτερα σωματίδια Η μάζα είναι μιά μορφή ενέργειας E = mc2 Einstein (1905) 31
Επιταχυντές σημαντικό εργαλείο έρευνας μικροσκόπια Οι μεγάλες ενέργειες συγκρούσεων επιτρέπουν: Να κοιτάμε όλο και πιο βαθιά στην ύλη 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 32
Ταξίδι σε συνθήκες πρώιμου σύμπαντος Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC) στο CERN: 14 TeV ~ 10-14 sec 33
Επιταχυντές για τη μελέτη του σύμπαντος! 34
Το απειροστό συνταντά το άπειρο! 35
Ερωτήματα που περιμένουν απάντηση Τι είναι η 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; 36
Χρειαζόμαστε επιταχυντές τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (Large Hadron Collider) Αρκετά τρισεκατομύρια πρωτόνια, ταξιδεύοντας με ταχύτητα 99.9999991% αυτής του φωτός, γυρίζουν 11,000 φορές το δευτερόλεπτο γύρω από τον επιταχυντή που έχει περίμετρο 27km 37
Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων στο CERN Από τις γρηγορότρες πίστες του πλανήτη, και απ'τα πιο άδεια καιmethodology κρύα μέρη του σύμπαντος κενό και θερμοκρασίες μέσα στους σωλήνες του επιταχυντή σαν του μεσοαστρικού χώρου! 38
Χρειαζόμαστε Ανιχνευτές 7x1012 ev 1034 cm 2 s 1 2835 1011 Beam Energy Luminosity Bunches/Beam Protons/Bunch Bunch Crossing Proton Collisions 7 TeV Proton Proton colliding beams 4 107 Hz 109 Hz e Parton Collisions New Particle Production (Higgs, SUSY,...) + 10 5 Hz p ﾵ+ H Z Z ﾵ ﾵ p p χ ν χ p µ+ µ χ * 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. 39
ALICE 40
Χρειαζόμαστε μεγάλους ανιχνευτές 45 m 24 m 7000 T T. Virdee, ICHEP08 (όσο ζυγίζει ο πύργος του Eiffel) 41 41
ATLAS 24 μέτρα, 7000 τόνοι 42
CMS 15 μέτρα, 12000 τόνοι 43
CMS Όχι μόνο σίδερικά, αλλά και ηλεκτρονικά, και καλώδια 44
Χρειαζόμαστε Υπολογιστές Περίπου 3000 υπολογιστές για την επιλογή των καλύτερων 200 γεγονότεων ανά δεπτερόλεπτο 45
Υπολογιστές παντού παγκόσμιο δίκτυο * Μετά το web, 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 1 με 2 δεπτερόλεπτα 46
Και κυρίως χρειαζόμαστε ανθρώπους Να τα φτιάξουμε ολ' αυτά, να συλλέξουμε τα δεδομένα, και να καταλάβουμε τι μας λέει η φύση. 47
Κι όλ'αυτά γιατί; 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; 48
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 Τα μεγάλα πειράματα στο LHC Τα βασικά συστατικά τους 49
Ευχαριστώ 50
51
Το κατάλληλο εργαλείο ανά περίπτωση Η κατάλληλη πειραματική διάταξη ανά περίπτωση 52
Τελικά υπάρχουν άτομα Αναλύοντας τα δομένα παρατηρήσεων, φτάσαμε να ξέρουμε οτι υπάρχουν άτομα και κενός χώρος Ατομική θεωρία του Dalton, Avogandro κλπ. Μόνο που τα άτομα... τεμαχίζονται Δεν είναι θεμελιώδη = έχουν δομή J.J Thomson - το ηλεκτρόνιο ως συστατικό του ατόμου Αλλά, τα άτομα είναι ηλεκτρικά ουδέτερα. Είναι το άτομο σαν το σταφιδόψωμο; Σταφίδες τα ηλεκτρόνια Ζύμη το θετικό φορτίο 53
Σημάδια της μεγάλης έκρηξης Οι επιστήμονες μετρούν από το 1965 την εναπομείνουσα κοσμική ακτινοβολία από το Big Bang Η θερμοκρασία του μεσοαστρικού χώρου είναι περίπου -270 βαθμοί Κελσίου 54
Υπάρχουν και δυνάμεις Τα σωματίδια αισθάνονται το ένα το άλλο αλληλεπιδρούν με διάφορες δυνάμεις ανταλλάσοντας ειδικά σωματίδια που είναι οι φορείς της δύναμης 55
Υπάρχουν και δυνάμεις Τα σωματίδια αισθάνονται το ένα το άλλο αλληλεπιδρούν με διάφορες δυνάμεις ανταλλάσοντας ειδικά σωματίδια που είναι οι φορείς της δύναμης 56
Υπάρχουν και δυνάμεις Τα σωματίδια αισθάνονται το ένα το άλλο αλληλεπιδρούν με διάφορες δυνάμεις ανταλλάσοντας ειδικά σωματίδια που είναι οι φορείς της δύναμης e- p φωτόνιο - e ηλεκτρόνιο p πρωτόνιο Το φωτόνιο είναι ο φορέας της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης 57
Το σύμπαν σαν πηγή ακτινοβολίας 58