CERN: Vodeća laboratorija za

nuklearna istraživanja u svetu- 12 godina kasnije …

Goran Djordjević(Departman za fiziku Prirodno-matematički fakultet u Nišu)

Tribina – Putovanje u CERN2. april 2015.

Zasto CERN? Zasto fizika? Čemu “odeljenje”? Otkud(e je taj) Niš?

• Da li i zašto u Nišu?

• Zašto baš ... ?

• Šta je to CERN?• Da li je važan i zašto putujete tamo?• Šta je “Higsov bozon/čestica”• Šta je Standardni model?• Šta i kuda dalje?

Od čega je sačinjen svet?• Zašto tako mnogo stvari deli

iste karakteristike?

• Ljudi su shvatili da je sva materija od koje je sačinjen svet izgrađena od nekoliko fundamentalnih ’’blokova’’

• “Atomi” i prostor - Demokrit pre 2400 godina.

• Oko 1900. godine ljudi su zamišljali atom kao propustljivu lopticu čiji naelektrisani parčići skakuću u njenoj unutrašnjosti.

Od čega je sačinjen svet?• Ljudi su brzo shvatili da bi

mogli da kategorišu atome u grupe koji dele slične hemijske osobine (kao u periodnom sistemu elemenata).

• To sugeriše da se atomi sastoje od jednostavnijih gradivnih “blokova”, koji u različitim kombinacijama determinišu hemijske osobine atoma.

• Eksperimenti - probnimčesticama smo zvirnuli u nutrinu atoma i uvideli da atom ima strukturu – majušno, gusto, pozitivno nabijeno jezgro okruženo oblakom negativnih elektrona e-.

Da li je jezgro fundamentalno?• Kako je jezgro izgledalo malo, čvrsto,

smatralo se da je jezgro bez unutrašnje strukture - fundamentalno.

• Kasnije je otkriveno da je ono sačinjeno od (pozitivno naelektrisanih) protona p+ i električno neutralnih (n) neutrona.

• Otkriveno je da su protoni i neutroni sačinjeni od još manjih čestica koje se nazivaju – kvarkovi

• Elektroni se kreću oko jezgra, protoni ineutroni poskakuju unutar njega, a kvarkovi unutar protona i neutrona.

• Slika je krajnje “deformisana”, 99.99999% zapremine atoma je prosto prazan prostor!

Credits: http://www.ipp.phys.ethz.ch/

Struktura materije

Standardni model• Fizičari su razvili teoriju nazvanu The Standard

Model koja objašnjava naš svet (sadržinu) i šta ga to drži na okupu (osnovne sile - interakcije).

• Jednostavna, mada obimna, teorija koja objašnjava stotine čestice i složene interakcije među njima pomoću samo

Credits: http://www.ipp.phys.ethz.ch/

Čestice i sile

Credits: http://www.particleadventure.org/

Da sumiramo - SM 6 kvarkova 6 leptona Čestica prenosioca interakcije,

Sve poznate čestice komponovane su od kvarkova i leptona a interaguju razmenom čestica tipa fotona.

Standardni model je dobra teorija. Eksperimentipotvrđuju njena predviđanja sa neverovatnom preciznošću, sve predskazane čestice su pronađene (osim Higsove?).

Ah, da ovo je stara prezentacija ! Ipak ne objašnjava sve, npr. gravitacija je izvan teorije.

Od čega je svet načinjen-Zaključak

• Podsetili smo se od čega je načinjen naš svet. Najfundamentalnije čestice su 6 kvarkova i 6 leptona

• Dobro, malo je komplikovanije, podsetimo se da nikada nismo našli izolovane kvarkove. Do sada smo opažali samo kompozitne čestice –hadrone.

• I, i, i ... Postoji još po jedna antičestica za svaku česticu materije.

Nevidljivi efekti• Dva čoveka stoje na ledenoj podlozi. Iako

ne vidite košarkašku loptu, vi možete da pretpostavite da jedna osoba baca drugoj loptu jer vidite efekat.

• Ispada da su sve interakcije koje deluju na čestice materije posledice razmene ’’čestica prenosioca sile’’. Ove čestice su kao košarkaške lopte koje se bacaju između čestica materije a one bi odgovarale košarkašima. Ono što mi nazivamo ’’silama’’ su u stvari efekti ’’čestica prenosioca’’ na ’’čestice materije’’!!!

• Prikazana analogija je gruba, recimo, može da dočara samo odbojne sile.

• ’’Kako dva objekta mogu uticati jadan na drugi bez dodirivanja?’’ ’’Čestice prenosioci’’ mogu biti kreirane i apsorbovane jedino od čestica materije koje učestvuju u pojedinačnoj interakciji (poseduju odgovarajući naboj).

Jaka silaDa bi smo razumeli sta se događa u jezgru, potrebno je da bolje razumemo kvarkove, koji ulaze u sastav protona i neutrona, a time i jezgra.

Kvarkovi poseduju elektromagnetni naboj, ali poseduju i tzv. naboj boje. Sile između obojenih čestica su izuzetno snažne pa se i nazivaju

Jake sile drže kvarkove na okupu i formiraju hadrone, a čestice prenosioci se nazivaju gluoni zato što tako neraskidivo “lepe" kvarkove zajedno.

Naboj boje se ponaša drugačije od EM naboja. Sami gluoni poseduju naboj boje, dok fotoni NISU naelektrisani. Sa druge strane, dok su kvarkovi ‘’obojeni’’, složene čestice nisu, neutralne su u odnosu na naboj boje! Stoga jake sile deluju samo na vrlo malim rastojanjima i ne primećujemo ih u svakodnevnom životu.

Rezidualne jake sile• Tako, jake sile drže kvarkove na okupu jer oni poseduju naboj boje.• To međutim ne objašnjava šta drži jezgro na okupu! Pozitivni protoni se odbijaju a

protoni i neutroni su kolorno-neutralni.• U najkraćem, ne nazivaju se ove sile uzalud ’’jakim’’.• Jake sile izmedju kvarkova u jednom protonu i kvarkova u drugom protonu dovoljno

su jake da prevaziđu odbojnu elektromagnetnu silu.

• To se naziva rezidualnom jakom (nuklearnom) silom. Ona ’’lepi’’ - drži nukleone zajedno u jezgru.

• A ‚‚slaba‚‚ nuklerna sila?

Credits: http://www.ipp.phys.ethz.ch/

Čestice i sile

Spontano narušenje simetrije

Spontaneous broken symmetry. The world of this pencil is completely symmetrical. All directions are exactly

equal. But this symmetry is lost when the pencil falls over. Now only one direction holds. The symmetry that

existed before is hidden behind the fallen pencil.

Standardni model opisuje elementarne čestice i sile koje deluju između njih

U modelu postoje tri generacije

leptona i kvarkovauređene po rastućim

masama.

U Modelu je nedostajalo

objašnjenje kako nastaju masivne

čestice koje prenose (slabu) nuklaeranu silu veoma kratkog dometa

Jedinstven opis elektromagnetne i slabe sile je moguć akopretpostavimo postojanje nove čestice, Higs bozona, kojaomogućava da čestice koje prenose slabu silu postanumasivne na način kako to opisuje proces “spontanognarušenja simetrije”.

Pretpostavlja se da se ovaj proces dešavao u ranom Univerzumu (kada je vladala savršena simetrija i kada su

sve sile bile iste jačine. Sa postepenim hlađenjem Univerzuma počele su da se kondezuju čestice i sile među

njima razlikuju.

Po modelu takođe, interagujući sa Higs bozonom i sve druge čestice stiču masu.

Spontano narušenje simetrije

• Spontano narušenje simetrije u fizici se dešava kada sistem koji je simetričan u odnosu na neku grupu simetrije prelazi u stanje vakuuma (stanje sa najnižom mogućom energijom) koji nije simetričan. To je fenomen koji se u prirodi dešava vrlo često.

• Primer za spontano narušenje simetrije je lopta na vrhu brda: ta lopta je u potpuno simetričnom stanju ali nije stabilna jer vrlo lako može da se skotrlja. U nekom trenutku lopta će se spontano skotrljati niz brdo u jednom ili drugom pravcu. Simetrija je narušena jer je pravac u kome se lopta skotrljala izdvojen od drugih.

• U Standardnom modelu mehanizam kojim se spontano narušava simetrija je Higsov mehanizam koji podrazumeva postojanje Higs polja i odgovarajuće Higs čestice, i odgovorno je za mase W i Z bozona i ostalih elementarnih čestica.

Higsov mehanizam kroz jednačine

0μ2 < Zahtevamo da Lagranžijan kompleksnog skalarnog polja φbude U(1) invarijantan u odnosu

LOKALNE transformacije.

Da bismo generisali masu spontanim narušenjem simetrije, potrebno je naći minimum energiije u slučaju kada je µ2 <0.

Fejnmanov dijagram za nastanak i raspad Higsovog bozona

• Zamislite salu punu fizičara. Svi su slučajno raspoređeni po sobi i međusobno razgovaraju. U svakom delu sobe otprilike je isti broj fizičara, tj. oni su raspoređeni slučajno i homogeno.

• Zamislite sada da se na vratima te prostorije pojavi neka ``atraktivna osoba … • … Svi, ili mnogi, će želeti da se pozdrave, razgovaraju sa njom … Odjednom

raspored fizičara u prostoriji više nije homogen. Na jednom mestu, oko recimo MrHiggsa (?) okupio se veliki broj fizičara, odnosno Higgs je od homogenog polja“fizičara” stvorio masu. Mr Higgs će se ‚‚s mukom‚‚ kretati, jere je privukao ljudeoko sebe, na svom putu, (kao da je dobio-povećao SVOJU masu)!

Higsov mehanizam za početnike

Higsov mehanizam za pešake

• Zamislimo i malo drugačiju situaciju. Neka se u istoj sobi, sa homogeno raspoređenim fizičarima na vratima pojavi neko, ko iz zabave, među fizičare “ubaci” lažnu vest da se u sobi nalazi Mr Higgs…

• … fizičari će lako naći “žrtvu” koja najviše liči na Mr Higgsa i počeće da se gomilaju oko tog mesta. Kada gomila počne da se stvara, ostali neće videti ništasamo će pratiti gomilu…

• … i tako će, bez prisustva “čestice” Mr Higgsa, u jednom delu prostorije“higgsovo” polje fizičara formirati ``gomilu`` – Higgsovu česticu.

Kolajder

Veliki hadronski kolajderobim 27 km

CMS

ATLAS

LHCb

ALICE

Ženevsko jezero

Izgrađen je uz finasijsku i naučnu podršku111 zemalja.Troškovi izgradnje iznose nekoliko milijardievra.Finansiralo ih je uglavnom 20 zemaljačlanica CERN-a.

Zemlje koje nisu članice, kao Srbija, učestvovale su u troškovima izgradnje

detektora na LHC-u.

LHC je smešten u podzemnom tunelu u obliku prstena na dubini 75-100 m i

preseca granicu Švajcarseke i Francuske u blizini Ženeve.

LHC je pravi planetarni projekt!

CMS (Compact Muon Solenoid) experiment Tracker Outer Barrel. (Maximilien Brice, © CERN)

Kako radi LHC

Detektovanje čestica

http://public.web.cern.ch/PUBLIC/en/Research/Detector-en.html

Obrada rezultataU ovome

Treba pronaći

•Pretraga: 1 u 1013

•Jedna osoba na 1000 “Zemlji”

CERN: 4. jul 2012. godine

Higgs -> ZZ

ATLAS Experiment © 2013 CERN

Ima li života HEP fizičarima posle Higsa

• Teorija dopušta postojanje više Higsovih bozona• Da li postoje supersimetrične čestice• Koje čestice čine tamnu materiju (25% mase-

energije svemira)• Šta je tamna energija (70% mase-energije

svemira)• O mojim nastavnicima profesorima fizike• Hvala na pomoći• Hvala na pažnji!

Za sada bez dobrog naslova

Ali sa lepom porukom… idemo dalje …

• ---- Forwarded Message -----From: Rolf Heuer <rolf.heuer@cern.ch>To: cern-personnel (CERN Personnel - Members and Associate Members) <cern-personnel@cern.ch>Sent: Thu, 02 Apr 2015 16:16:58 +0200 (CEST)Subject: LHC restart update / Dernières nouvelles du redémarrage du LHC

Version française ci-dessous•

• After a shutdown lasting two years, the Large Hadron Collider (LHC), the world’s • biggest and most powerful particle accelerator, is ready once again for the arrival• of particle beams. The teams are completing the final tests after having solved• on 31 March the problem that had been delaying the restart of the accelerator. • The first beams could be circulating in the machine sometime between Saturday and Monday.

•• “We are confident of being able to restart the machine over the weekend, as all of the tests• performed so far have been successful,” said Frédérick Bordry, Director for Accelerators• and Technology at CERN.•• When the LHC and the whole accelerator chain are running, operators work in shifts around• the clock in the control room. They will attempt to circulate beams in the LHC in both directions,• at their injection energy of 450 GeV, as soon as all the lights are green.•• Particle collisions at an energy of 13 TeV could start as early as June.•