Upload
juana
View
36
Download
3
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Cesta do mikrosvěta aneb jak člověk poznával a poznává strukturu hmoty. - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
“Tento velký detektivní příběh dosud není vyřešen. Nemůžeme si být jisti, zda vůbec má konečné řešení. Četba nám již poskytla mnoho: naučila nás základům řeči přírody; umožnila nám porozumět mnohým z klíčů a byla často zdrojem radosti a povzbuzení v namáhavém a strastiplném pokroku vědy” A. Einstein, L. Infeld: “Fyzika jako dobrodružství poznání”
1. Úvod
2. Co je mikrosvět a jak do něj nahlédnout?
2.1 O platnosti teorie rozhoduje experiment 2.2 Hierarchická struktura hmoty 2.3 Srážky – hlavní metody studia mikrosvěta
3. Urychlovače a experimenty na nich
3.1 Když to začalo 3.2 Jak urychlovače vypadají a fungují 3.3 Co nám řeknou? 3.4 Jak chytat a měřit částice
4. Urychlovač LHC
4.1 Standardní model 4.2 Urychlovač LHC a jeho první výsledky
5. Závěr
Vladimír Wagner
Ústav jaderné fyziky AVČR, 250 68 Řež, E_mail: [email protected], WWW: hp.ujf.cas.cz/~wagner/
Cesta do mikrosvěta aneb
jak člověk poznával a poznává strukturu hmoty
Fyzika mikrosvěta – jaké má metody?
Mikrosvět – neobvyklé vlastnosti popisované kvantovou fyzikou
Přiblížení pomocí analogie – tato zjednodušení je třeba je brát velmi opatrně
Věda hledá popis reálného světa
Pravdivost různých interpretací lze řešit jen experimentálním pozorováním
Každá vědecká teorie i hypotéza musí být falzifikovatelná - testovatelná
„Jediné, co mě zajímá, je najít soubor pravidel, která by souhlasila s chováním přírody, a nezkoušet jít příliš daleko za to. Zjistil jsem, že většina filozofických diskusí je psychologicky užitečná, ale nakonec, když se podíváte zpátky do historie, zjistíte, že to, co bylo kdysi řečeno s takovou pádností, je téměř vždy -- do jisté míry -- nesmyslné! “
R. Feynman v rozhovoru v knize P. Daviese a J. Browna „Superstrings: A Theory of Everything?“
Nalezené zákonitosti umožňují dělat testovatelné předpovědi
Úplné pochopení teorie ↔ úplné osvojení fyzikálního i matema-tického aparátu → spočtení předpovídaných fyzikálních veličin Richard Feynman
Karl Popper v Prazev r. 1994
Použití pojmů z makrosvěta na vlastnosti mikrosvěta ↔ pozor opatrně při interpretaci
Složení hmoty
Hmota je složena z částic - mezi nimi působí interakce
Důležité nástroje pro popis mikrosvěta:
1) Speciální teorie relativity - rychlosti blízké rychlosti světla, kinetická energie srovnatelná s klidovou2) Kvantová fyzika - velmi malé hodnoty veličin kvantový a pravděpodobnostní charakter, Heisenbergův princip neurčitosti
Atomová fyzika, fyzikální chemie
Jaderná fyzika
Fyzika elementárních částic
Superstrunové teorie? (rozměr 10-35 m)?
Hustota vody 103 kg/m3 Hustota jádra ~1018 kg/m3RATOM/RJÁDRO ~ 105 → VATOM/VJÁDRO ~ 1015
Počátek studia stavby atomu
Diskuze okolo modelu atomu J.J. Thomsona – atom je kladně nabitá koule (3∙10-10m) uvnitř níž jsou elektrony.
Studium chování záření α při průchodu kovovými foliemi – H. Geiger a E. Marsden pod vedením E. Rutherforda (1910). Pozorují:
1) Většina částic α letí přímočaře nebo se rozptýlí jen trochu2) U několika málo pozorují velký odklon a výjimečně i odraz (velmi překvapivé).
Vysvětlení: atom se skládá ze dvou rozdílných částí: atomového jádra (10-14 m) a elektronového obalu → jaderný či planetární model atomu.
Přítomnost protonů (jader vodíku) v atomovém jádře prokázal E. Rutherford (1919).
W. Bothe a H. Becker (1930) nový pronikavý typ záření (ostřelování Be, B nebo Li částicemi α). J. Chadwick (1932) - jsou to neutrální částice s hmotností blízkou hmotnosti protonu – neutrony Planetární model atomu:
Rutheford a Marsden u zařízení
Experimentální pozorování je rozhodujícím kritériem pro uznání platnosti hypotézy a její přeměnu v teorii
Větší detaily, energie a teploty, produkce těžších částic
Stěžejní nástroj – srážka urychlených částic
1) Nárůst energie → větší detaily
Zatím největší urychlovače E ~ 100 GeV → 10-18m
2) Produkce částic s vyšší klidovou energií (hmotností)
Celkové energie už přímo makroskopické – pád 0,02 g z výšky 1 m srážka dvou menších much nebo větších komárů
Klidová hmotnost protonu: ~ 1 GeV
LHC – srážka protonů s energiemi 7000 GeV
Jádra olova (208 nukleonů) na každý 2700 GeV 1 123 200 GeV = 1,8∙10-4 J
Hmotnost 1 g se stejnou rychlostí 51017 J (10 000 hirošimských bomb)
Stejná energieRozdíl rozměrů 1014
V současné době už se sráželi
1 eV = 1,602∙10-19J
E = mc2
3) Dosažení co nejvyšších hustot a teplot
http://www.aip.org/history/lawrence/larger-image-page/epa-20.htm
Historické stránky Americké fyzikální společnosti (AIP)
Potřeba urychlovat částice na vyšší energie – produkce a hledání nových částic
Existence kosmického záření – jeho doplnění umělým zdrojem
Princip urychlovače typu cyklotron
První urychlovač – E.O. Lawrence v roce 1930
typ – cyklotron
zdroj částicmagnetické pole – kruhová dráha částiceelektrické VF pole pro urychlení
Nobelova cena za fyziku 1939
nyní více než 10 000 urychlovačů různých typů
!!! Potřebujeme urychlovač !!!
Původní patentový nákres a model prvního urychlovače(průměr okolo 11 cm, V = 1800 V) Současné urychlovače – obrovské množství různých
typů. Od malých produkčních pro medicínu (japonský R = 1 m) až po giganty v CERNu (R = 4 km)
Z čeho se urychlovač skládá:
Iontový zdroj – produkce nabitých částic
Elektrostatické nebo proměnné elektrické pole – urychlení částice – urychlovací systém
Magnetické pole – určuje dráhu částice, provádí fokusaci svazku – magnetické čočky vedou svazek a snaží se co nejvíce jej zúžit
Radiační ochrana – zajištění bezpečnosti pomoci stínění
Vakuový systém – částice se při urychlování musí pohybovat ve vysokém vakuu – nutný systém vývěv
Zdroj plazmy – elektrický výboj
Dipólové magnety LHC
Chlazení – supravodivé magnety potřebují heliové teploty
Řídící centrum urychlovače LHCKryogenní systém pro LHC
Řídící systém – ovládání, řízení a kontrola práce urychlovače Urychlovací prvky LHC
V současnosti už tři roky funguje největší urychlovač na světě
1700 supravodivých magnetůz nich 1232 největších dipolových 200 teplých magnetů
Tedy 1700 kryogenních propojení.Tedy 50000 kryogenních svarů200 000 m2 vícevrstevné izolace
Obvod 27 km – slušná linka metra- čtyři experimenty čtyři zastávky čtyři křížení dvojice rour
Spouštění magnetu do podzemního tunelu
Spojovací část mezi jednotlivými sekcemi
120 tun supravodivého a supratekutého helia
LHCb
CMSALICE
ATLAS
Nejen připravit hmotu z počátku vesmíru, ale i si ji prohlédnout
Máme na to detektory – a tu jsou jejich úkoly:
1) Zachytit co nejvíce částic a určit jejich vlastnosti2) Zachytit a určit energii i těch nejenergetičtějších částic3) Zachytit dráhu krátce žijících částic nebo dráhy jejich produktů rozpadu4) Určit hybnosti částic5) Určit náboje částic
Vnitřní dráhové detektory
Hadronové kalorimetry
Elektromagnetické kalorimetry
Velké dráhové komory(umístěné v magnetickém poli)
Jeden z posledních snímků ALICE před uzavřením jeskyně před čtyřmi lety
(nejmladší „fyzik“ na obrázku pochází z české ALICE komunity)
!!! Velký experiment – potřeba hodně lidí !!!
Účast našich studentů na instalaci křemíkových driftových detektorů a jejich elektroniky
Čekání na ALICI – čekali a čekají i čeští fyzikové
První případy srážek dvou jader olova z experimentu ALICE(místo 10 až 100 částic se ve srážce produkuje až 10 000 částic)
Standardní modelHmota je tvořena částicemi (fermiony s=1/2), mezi kterými působí interakce, které jsou zprostředkovány výměnou částic (bosony s=celé číslo)
Tři druhy interakcí: 1) Silná - kvantová chromodynamika (působí pouze na kvarky a z nich složené hadrony – baryony a mezony)
2) Elektromagnetická - kvantová elektrodynamika 3) Slabá - elektroslabá teorie
+ antičástice
Gravitace stojí mimo standardní model – je velmi slabá a v mikrosvětě se neprojevuje
tvoří běžnou hmota za normálních podmínek
výměnný charakterinterakcí
baryony – tři kvarky
mezony – kvark a antikvark
elektrický náboj
barevný náboj
Tady je Higgs
Je spojený s generací části hmotnosti
Budovaný urychlovač LHC
Proč: Studium hmoty existující ve vesmíru Pochopení vlastností sil, které v přírodě působí
Dosažená teplota: ~ 2,1×1012 K
Dosažená hustota: ~ 4 ρ0 = 1018 kg/m3
Jak: Urychlovač – produkce husté a horké hmoty (možnost prokázal urychlovač BEVALAC) Experimentální zařízení – studium této hmoty
Soustava s neutronovou hvěz-dou v představách malíře
RHIC a LHC jsou kuchyně pro vaření velmi horké polévky
80. léta – začátek studia horké a husté jaderné hmotyZačátek 21. století – studium extrémně horké hmoty
Jak získat nejhustší a nejteplejší hmotu v laboratoři
Jak identifikovat částici detekcí produktů rozpadu?
222
2n
1ii
2n
1ii cpE mc
Určit hybnosti a energie produktů rozpadu a z nich spočítat klidovou hmotnost původní částice
Existence nové částice ?higgse? potvrzena !
1) Potvrzen přebytek pro γγ a ZZ rozpady v oblasti hmotnosti 125 GeV
2) Pravděpodobnosti produkce a rozpadu odpovídají standardnímu higgsi
3) Jedná se o boson se spinem 0
4) Větší statistika a studium dalších reakcí potvrdí, zda jde opravdu o standardního higgse
LHCb – studium rozdílu mezi hmotou a antihmotou
Rozpad Bd0 částic a antičástic
Není černá díra jako černá díra
!!! Mikroskopická černá díra (pokud existuje) je neškodná !!!
Klasická černá díra Mikroskopická černá díra
Je ve vesmíru pozorována
Rozměr i hmotnost hvězdnáZatím jen hypotetický objekt v exotických teoriích
Hmotnost atomového jádraRozměr 1000 x menší než proton
Hned se vypaří
Do atmosféry Země dopadá kosmické záření ještě s většími energiemi než mají protony a jádra na LHC
Závěr
• Fyzikové vypracovávají teorie, které nám umožňují předpovídat budoucí děje. Správnost těchto teorií se dá ověřovat jedině experimentem a srovnáním předpovědí s pozorováním.
• Nejběžnějším typem experimentu v jaderné a částicové fyzice jsou srážky
• Pro srážky s vysokou energií potřebujeme urychlovače – stále větší a větší urychlovače
• Měří se stejné nebo podobné fyzikální veličiny, které znáte. Jen je k tomu třeba mít složitější přístroje.
• Vidíme stále větší detaily a produkujeme stále těžší částice.
• Také horkou a hustou hmotu, jaká byla na počátku vesmíru můžeme dostat i v laboratoři pomocí srážek těžkých jader urychlených na rychlosti blízké rychlosti světla.
• Nový urychlovač znamená i objev nových částic a potvrzení teorií.
• Koncem roku 2009 začal pracovat největší urychlovač na světě LHC, už třetí rok poskytuje první informace
• Účast českých fyziků - příležitost i pro studenty VŠ a tedy i pro Vás