23. 5. 2006 EurOpen Chudenice

Fyzika částica současné

experimenty na urychlovačích

Miloš Lokajíček

Plán

• Základní síly fyziky částic– Rozměry a jednotky– Gravitační, elektromagnetická, slabá, silná– Zkoumání vlastností částic

• Urychlovače a detektory– Urychlovače– Detektory– Status LHC

• Jak jsme stavěli hadronový kalorimetr ATLAS

» Mnoho obrázků je z prezentací kolegů a připravované účebnice kolegy J. Dolejšího

Rozměry a jednotkyHmotnostní škála

Délková škála

1 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15 10-18 m

naše tělo atom elektron

atomové jádro

vlnová délka světla

103 1 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15 10-18 10-21 10-24 10-27 10-30

elektron

kg

atomnaše tělo

Rozměry a jednotky“atomová hmotnostní jednotka” u, 1/12 hmotnosti atomu uhlíku (12C).

1 u = 1.660 538 7 × 10-27 kg

Einsteinův vztah E = mc2 -> m = E/c2 Fyzika částic 1 eV, kinetická energie, kterou získá nabitá částice s nábojem 1e, která projde potenciálním rozdílem 1 V

1 eV = 1.602 176 46 × 10-19 J, 1 eV/c2 = 1.782 661 73 × 10-36 kg

1 u = 931.494 01 MeV/c2

Důležité hodnotymproton ≈ u ≈ 1 GeV/c2, melektron ≈ 0,5 MeV/c2

1 eV ≈ 1,6 × 10-19 J, c ≈ 3 × 108 m/s

•Obvykle využití jednotek, kde c=1•Např. gravitační zákon F=konst. m1*m2/r2, jednotky známé•Změřit konstantu, je-li konst.=1, pak F v jednotkách kg2/m2. •V dříve používaných jednotkách cgs byla např. jednotka kapacity cm-1

kg

Dalsí běžné jednotky1 Å = 10-10 m fermi 1 F = 1 fm = 10-15 m

T G M k m n p f tera giga mega kilo mili micro nano pico femto

1012 109 106 103 1 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15

103 1 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15 10-18 10-21 10-24 10-27 10-30

elektronnaše tělo atom

TeV GeV MeV /c2

Rozměry a jednotky

Rozměry a jednotky

Klidová energieatomu

Klidová energie elektronu

Tepelnáenergieatomu

Energieelektronuv televizní obrazovce

1joule

Největší energie protonu ze současného urychlovače (Tevatron ve FNAL)

Energie proto-nu z “příkladu o volném pádu”

1030 1027 1024 1021 1018 1015 1012 109 106 103 1 10-3 eV (TeV) (GeV) (MeV) (keV) (eV) (meV)

Energie obsaženáv jedné sklenici piva(0.5 litr)

Lidská denní spotřeba energie

Největší energiejednotlivé částicepozorované v kosmickém záření

Klidová energiekomára

Vazbová energie nukleonů v jádru

Vazbové energieelektronů v atomech

Energiefotonů ve viditelném světle

Moje kinetická energie při chůzi

Kinetickáenergie letícíhokomára

LHC

Konstituenty hmotyFermiony + Bosony

Fermiony – nositelé hmotnosti (poloviční spin)

• Bosony, zprostředkují síly (celočíselný spin)

Konstituenty hmotyFermiony + Bosony

(Ne)elementární částice

• Síly mezi částicemi popisovány jako tzv. výměnné síly zprostředkované výměnnou určité částice

• Slabá + elektromagnetická = elektroslabá (Maxwell v 19. století sjednotil elektřinu a magnetismus)

Základní sílysíla působí na mezi částicemi zprostředkující

částicerelativní síla

gravitační hmotu-enrgii všechny částiceGraviton (nepozorován)

10-40

slabá flavor quarky, leptony W+ W- Z0 app. 10-4

elektromagnetickáElektrický náboj

všechny nabité foton 1

silnáBarevný náboj

quarky, gluony gluony 20-60

Volné kvarky nejsou

Volné kvarky nebyly pozorovány – pouze vazané barevně neutrální objekty

Při násilném vzdalování dvou kvarků, barevné pole zesiluje až vytvoří páry quarků a antiquarků, které opět vytvoří barevně neutrální objekty

Tento jev se nazývá „quark confinement“

Poznámky k základním silám• Velké sjednocení (Grand

unification) se pokouší o společný popis elektroslabá + silná

– Rozpad protonu (poločas > 1032 let)

• Supersymetrie – Teorie v souvislosti s velkým

sjednocením– Každá existující částice má

hmotného superpartnera partnera• Tak by i neutrino mělo hmotného

superpartnera stabilní neutralino – možné vysvětlení temné hmoty ve vesmíru

• Pokud by se podařilo společně popsat gravitační+elektroslabá+silná tzv. teorie všeho

• Extra dimenze– gravitace je ve skutečnosti silnější

než se nám jeví v našem 3D prostoru, šíří se ve více dimenzích, které nejsou ploché -> v našich dimenzích je síla neúměrně menší

– Předpověděné efekty dosud nepozorovány

Standardní model

• Standardní model = současná teorie fundamentálních částic a jejích interakcí– Silné interakce kvarků a gluonů pomocí barevných

nábojů– Kombinovaná elektroslabá teorie s W a Z bozony jako

výměnnými nositeli slabých sil a fotony jako prostředníky elektromagnetických sil

– Nezahrnuje gravitační síly (velmi slabé)– Triumf fyziky částic 70. let, zahrnuje vše, co bylo

známé a úspěšně předpověděl výsledek mnoha experimentů

Standardní model

• ALE• Neodpovídá na to otázku, co je důvodem, že

fundamentální částice mají hmotu (kvarky ve Standardním modelu mají nulovou hmotu)

• Higgsův mechanismus – nejjednodušší doplnění teorie, které „zhmotní“ konstituenty. Mechanismus obsahuje další částici – Higgsův bozon a další sílu jím zprostředkovanou– Higgsův bozon nebyl dosud nalezen, hmotnost

110 – 190 GeV LHC

Fyzikální program experimentů LHC

• Přesná měření top kvarku– Objeven v 1995 ve FNAL

• Měření CP narušení– Porušení symetrie mezi hmotou a

antihmotou v některých srážkách – hledáním vysvětlení, proč je v přírodě nadbytek hmoty nad antihmotou

• Objevy– Higgsův bozon– Supersymetrie– Extra – dimenze– aj.

Zkoumání struktury částic

• Pomocí srážek částic– Pružné srážky

• Částice před a po srážce stejné

– Nepružné srážky• Většinou produkce nových

částic

• Hluboké nepružné srážky– Pohled do nitra částic

• Zákony zachování– Energie– Hybnosti

Urychlovače

FermilabTEVATRON

CERNLHC

DESYHERA

KEKKEKBJ-PARC

BNLRHIC

SLACLinac+PEP-II Dubna

Urychlovače

• Lineární – Stovky metrů až kilometry

• Všude jako počáteční urychlovací stupně

– Nová generace, ILC bude 30+30 km• Cíl 70 MV/m

• Kruhové– TEVATRON obvod 6 km– LHC (od 2007) obvod 27 km

SLAC

LINAC

PEP-II

Pevný terč

Pevný terč

Vstřícné svazky

Vstřícné svazky

CERN - Meyrin

Urychlovací komplex v CERN

Urychlovač LHC

• Urychluje pp, 7+7 TeV– 7* více než TEVATRON– Umožňuje hledat nové hmotné částice do hmoty až 5 TeV

• Luminosita Ldesign =2*1034 cm-2s-1

– 100 krát více než Tevatron• Hledání vzácných procesů – malý účinný průřez σ (N = L σ )

• Srážky balíků protonů (1011 protonů/balík) každých 25 ns• Dojde současně asi ke 20 srážkám, každá srážka má v

průměru 75 nabitých částic, tj. celkem přes 100 částic (včetně neutrálních)

• Hledání vzácných případů srážek si vynucuje tuto nepříjemnost

CERN – experiment ATLAS

LHC

Přehled konstrukce současných detektorů slibující zachycení téměř všech částic:

elektron

mion

hadrony

Vnitřní dráhový detektor: Minimum materiálu, jemná seg-mentace aby bylo možné měřit přesně body na drahách částic.

Electromagnetický kalorimetr: nabízí materiál pro rozvojelektromagnetických spršeka měří absorbovanou energii.

Hadronový kalorimetr: nabízí svůj materiál pro rozvojhadronových spršek a měří energii,kterou v něm částice zanechají.

Mionový detektor: nepokouší se miony zachytit, ale zazname-nává jejich dráhy.

Neutrina utíkají nezpozorována.

Magnetické pole zahýbá dráhy částic apomáhá měřit jejich hybnosti.

Weight:

7000 t44 m

22 m

Leve

l-1 la

tenc

y• Interactions every 25 ns …

– In 25 ns particles travel 7.5 m• Cable length ~100 meters …

– In 25 ns signals travel 5 m

Total Level-1 latency = (TOF+cables+processing+distribution) = 2.5 sec

For 2.5 sec, all signals must be stored in electronics pipelines

Higgs -> 4

The challengeHow to extract this… … from this …

+30 MinBias

H

L

T

DATAFLOW

ROS

LVL1

DE

T RO

LVL2

Trigger DAQ

2.5

s

~ 10 ms

Calo MuTrChOther detectors

FE Pipelines

Read-Out Drivers

Read-Out Sub-systems

ROIB

L2P

L2SV

L2N

RoI Builder

L2 SupervisorL2 N/work

L2 Proc Unit

RoI

RoI data = 1-2%

RoI requests

Lvl2 acc = ~2 kHz

Sub-Farm OutputSFO

Lvl1 acc = 75 kHz

40 MHz

40 MHz

75 kHz

~2 kHz

~ 200 Hz

120 GB/s

~ 300 MB/s

~2+4 GB/s

Event FilterEFP

EFPEFP

EFP

~ sec

Event FilterProcessors

120 GB/s

~4

GB

/s

EFacc = ~0.2 kHz

Read-Out Buffers

Read-Out Links

TDR Ch.2-5-app.A

ROD ROD ROD

ROB ROB ROB

ARCHITECTURE(Functional elements and their connections)

EB

SFI

EBN

Sub-Farm Input

Event Building N/work

Event Builder

Event Filter N/workEFN

Dataflow ManagerDFM

Barrel Toroid:8 separate coils

Barrel coil toroid transport and installation

CABLING!

300+ racks of read-out electronics underground

Albany, Alberta, NIKHEF Amsterdam, Ankara, LAPP Annecy, Argonne NL, Arizona, UT Arlington, Athens, NTU Athens, Baku, IFAE Barcelona, Belgrade, Bergen, Berkeley LBL and UC, Bern, Birmingham, Bonn, Boston, Brandeis, Bratislava/SAS Kosice, Brookhaven NL, Bucharest, Cambridge, Carleton, Casablanca/Rabat, CERN, Chinese Cluster, Chicago, Clermont-Ferrand, Columbia, NBI Copenhagen, Cosenza, INP Cracow, FPNT Cracow, Dortmund, JINR

Dubna, Duke, Frascati, Freiburg, Geneva, Genoa, Glasgow, LPSC Grenoble, Technion Haifa, Hampton, Harvard, Heidelberg, Hiroshima, Hiroshima IT, Indiana, Innsbruck, Iowa SU, Irvine UC, Istanbul Bogazici, KEK, Kobe, Kyoto, Kyoto UE, Lancaster, Lecce, Lisbon LIP, Liverpool, Ljubljana,

QMW London, RHBNC London, UC London, Lund, UA Madrid, Mainz, Manchester, Mannheim, CPPM Marseille, Massachusetts, MIT, Melbourne, Michigan, Michigan SU, Milano, Minsk NAS, Minsk NCPHEP, Montreal, FIAN Moscow, ITEP Moscow,

MEPhI Moscow, MSU Moscow, Munich LMU, MPI Munich, Nagasaki IAS, Naples, Naruto UE, New Mexico, Nijmegen, BINP Novosibirsk, Ohio SU, Okayama, Oklahoma, LAL Orsay, Oslo, Oxford, Paris VI and VII, Pavia, Pennsylvania, Pisa, Pittsburgh, CAS Prague, CU Prague, TU Prague,

IHEP Protvino, Ritsumeikan, UFRJ Rio de Janeiro, Rochester, Rome I, Rome II, Rome III, Rutherford Appleton Laboratory, DAPNIA Saclay, Santa Cruz UC, Sheffield, Shinshu, Siegen, Simon Fraser Burnaby,

Southern Methodist Dallas, NPI Petersburg, Stockholm, KTH Stockholm, Stony Brook, Sydney, AS Taipei, Tbilisi, Tel Aviv, Thessaloniki, Tokyo ICEPP, Tokyo MU, Tokyo UAT, Toronto, TRIUMF, Tsukuba, Tufts, Udine, Uppsala, Urbana UI, Valencia,

UBC Vancouver, Victoria, Washington, Weizmann Rehovot, Wisconsin, Wuppertal, Yale, Yerevan

ATLAS Collaboration

34 Countries151 Institutions1770 Scientific Authors

(more are joining…)

Status 25.4.2006

ATLAS CMS

ALICE LHCb

Kosmické testy miony po instalaci• Hadronový

kalorimeter, červen 2005

• Vnitřní drahový detektor (křemíkový stripový a TRT) květen 2006

• FERMILAB (CHICAGO)

• Experiment D0– Tevatron p+antip– 2 TeV– Obvod TEVATRON

• 6 km

– Main Injector• Více funkcí• Skladování antip po

beam dump

Main Injector(new)

Tevatron

DØCDF

Chicago

p source

Booster

Závěr

• Výzkum ve fyzice částic probíhá v rozsáhlé mezinárodní spolupráci

• Moderní urychlovače a detektory jsou unikátní zařízení• Výsledky fyziky částic mají úzkou návaznost na

kosmologii a zvláště Big Bang (schopny zkoumat jevy zlomky sekund po něm)

• LHC přináší novou, dychtivě očekávnou generaci experimentů

• Na explicitní přání organizátorů jsem nezmínil zpracování 1 PB produkovaných dat ročně na mezinárodním gridu fyziky částic