LHC - FYSIKK. 10/22/2010 F. Ould-Saada: LHC - Fysikk 1

Transkript

1 LHC - FYSIKK 10/22/2010 F. Ould-Saada: LHC - Fysikk 1

2 Hvor Hva Hordan Hvorfor Hva mer? En ny energiskala: Terra elektron Volt (TeV) 1 TeV = 1000 GeV ~ massen til 1000 protoner 10/22/2010 F. Ould-Saada: LHC - Fysikk 2

3 CERN Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire Ligger - med ~10000 på grensen forskere fra mellom mer enn Sveits 90 nasjoner og Frankrike Er et verdenslaboratorium Driver med ren grunnforskning i partikkelfysikk - søker svar på grunnleggende spørsmål om universet: Hva består det av? Hvordan har det utviklet seg? Sprenger grenser innen teknologi og ingeniørvitenskapen - Medisin, - Informasjonsteknologi (WWW, Grid) Utdanner fremtidens forskere og ingeniører - Morgendagens eksperter Verdens ledende forskningssenter for partikkelfysikk Norge er et av CERNs 20 medlemsland

4 10/22/2010 F. Ould-Saada: LHC - Fysikk 4

5 Vi trenger et instrument til å: studere de minste bestanddelene i naturen (partiklene) gjenskape forholdene rett etter at universet ble skapt lære om det tidlige univers og dets utvikling 10/22/2010 F. Ould-Saada: LHC - Fysikk 5

6 Matematisk beskrivelse av de forskjellige elementærpartiklene og kreftene som virker mellom dem Krefter bæres av kraftpartikler Elektromagnetiske: Fotonet Svake kjernekrefter: Z og W Sterke Kjernekrefter: gluonet Materiepartikler Leptoner kjenner elektromagnetiske og svake kjernekrefter Kvarker kjenner elektromagnetiske, svake og sterke kjernekrefter Kvarker Leptoner Materiepartikler I tillegg har hver partikkel et speilbilde en antipartikkel Kraftformidlende partikler 10/22/2010 F. Ould-Saada: LHC - Fysikk 6

7 All vanlig materie består av Opp (up) og ned (down) kvarker i tillegg til elektroner Atomer og dermed dere! er bygget opp av nettopp dette

8 All vanlig materie består av Opp (up) og ned (down) kvarker i tillegg til elektroner Atomer og dermed dere! er bygget opp av nettopp dette Nøytrinoet sørger for at en type materie kan forvandles til en annen Nøytrinoet er ansvarlig for at sola brenner!

9 All vanlig materie består av Opp (up) og ned (down) kvarker i tillegg til elektroner Atomer og dermed dere! er bygget opp av nettopp dette Nøytrinoet sørger for at en type materie kan forvandles til en annen I tillegg eksisterer tyngre varianter av kvarkene og leptonene + + Disse er ustabile - de går raskt over til en annen lettere partikkeltype de henfaller Fantes like etter Big Bang i dag sees de bare i kosmisk stråling og i partikkelakseleratorer

10 masseløse Kraftpartiklene W og Z er også ustabile og henfaller De henfaller til lettere materiepartikler masse ~ 100*proton

11 Av alle partiklene er det bare 3 som kan observeres direkte: e,, Resten er enten Så tunge at de henfaller med en gang Eller kan ikke eksistere i naturen alene kvarkene eksisterer i naturen i form av hadroner protoner, nøytroner disse kan observeres! Kjent eller Ny partikkel Disse rekonstrueres fra henfallsprodukter fra den opprinnelige partikkelen ved hjelp av bevaringslover: energi, bevegelsesmengde, E 2 =p 2 +m 2

12 Hvordan studere så små partikler? slik lys er bølger, har vi også stoffbølger kinetisk energi: E k = p 2 /2m bølgelengde: λ = h/p jo høyere energi, jo mindre ting kan sees optisk mikroskop: λ ~ 2*10-7 m elektronmikroskop: λ ~10-12 m høyenergi partikkelakselratorer: λ ~10-20 m Tidslinje i partikkelfysikk 10/22/2010 F. Ould-Saada: LHC - Fysikk 12

13 Kombinasjonen av akseleratoren som LHC, detektorene og datamaskinene blir som et tidsreisemikroskop der forskerne håper å avsløre universets hemmeligheter Akseleratoren - akselerere ladde partikler til nær lysets hastighet - partiklene styres av sterke magnetfelt, og akselereres av elektriske felt Idet partiklene kolliderer, utløses energi, som forvandler seg til et regn av nye partikler. Utfallet av partikkelkollisjoner blir fotografert i en Detektor Datamaskiner koblet sammen i et Gridnettverk gir fysikere I hele verden til informasjoenen fra hver kollisjon

14 Large Hadron Collider 27km i omkrets, 100m under bakken proton-klumper med 1000 milliarder protoner hver går rundt og rundt i en hastighet på av lysets hastighet hvert s kolliderer to protonklumper all denne energien i et lite punkt gjør det mulig å danne nye partikler Høyenergi kollisioner ved LHC gjenskaper forholdene rett etter (10-10 s) at universet ble skapt ved Big Bang 10/22/2010 F. Ould-Saada: LHC - Fysikk 14

15 Vår nåværende forståelse tegner et koherent bilde av universet: Astronomi: v=hd Statistikk: E=kT Universets historie Fra tidenes morgen til i dag Relativitetsteori: Kvantefysikk E=h =hc/ og en rekke faseoverganger

16 Antall kollisioner N = L x pp X) Luminositet L n. of protons per bunch L n. of bunches N 2 k b f 4 x y n. of turns per second beam size at IP ( x,y = 16 m) veldig lite for nye prosesser 10/22/2010 F. Ould-Saada: LHC - Fysikk 16

17 Kollisjon ved LHC Simulerte svarte hull event 10/22/2010 F. Ould-Saada: LHC - Fysikk 17

18 Partikkel påvisning Animasjon de forskjellige partiklene blir registrert forskjellige steder i detektoren ved å kombinere flere registreringer kan man rekonstruere hvordan partikkelen beveget seg gjennom detektoren på den måten kan man identifisere de forskjellige partiklene 18

19 4 store eksperimente ved LHC skal utforske en ny energi-era CMS: 2900 physicists 184 Institutions 38 countries 550 MCHF LHCB 700 physicists 52 Institutions 15 countries 75 MCHF ALICE; 1000 physicists 105 Institutions 30 countries 150 MCHF ATLAS : 3030 Physicists 174 Institutions 38 countries 550 MCHF og 3 mindre eksperimenter TOTEM LHCf MoEDAL Korea and CERN / July

20 ALICE: Utforskning av quark-gluon plasma - L3 solenoid - Large TPC - Si microstrip, drift and pixels detectors - Particle identification: RICH, TRD, TOF - PbWO 4 crystals + Pb/scintillator ecal - Single arm forward muon system Size: 16 x 26 meters Weight: 10,000 tons 8-Apr-2010, P Jenni (CERN) LHC Entering Operation 20

21 Installation of a ALICE TOF module May 2008 Formal end of ALICE installation July 2008 ALICE PHOS Underjordisk hall med HLT Linuxklynge 8-Apr-2010, P Jenni (CERN) LHC Entering Operation 21

22 LHCb: Studie av B-meson-henfall og materie-antimaterie symmetri-brudd (indirekte bevis for Ny Fysikk) - Dipole magnet (4 T.m) - Particle Identification (2 RICH) - 21 layer of Si microstrip vertex locator (VELO) - Tracking: Silicon + long straw tubes - Shashlik (Pb/scint) em calorimeter - HCAL (Fe/scint), - MWPC muon system Beam 1 Beam 2 VELO 22

23 Multipurpose detektorer Skal lete etter alt Basert på forskjellige måter å identifisere partikler En er tung, den andre er stor!

24 CMS The Silicon tracker (200m 2 ) has 10 M channels Operating temperature -15 C Engineering Challenge: CMS Solenoid 24

25 45 m ATLAS Detector ATLAS superimposed to the 5 floors of building m 7000 Tons 25

26

27 10 års bygging på ett minutt. Se det også på 3 eller 5 minutter ved å følge lenken her! 10/22/2010 F. Ould-Saada: LHC - Fysikk 27

28 To norske forkningsprosjekter knyttet til LHC-fysikk HENP (ALICE+): D. Röhrich, UiB HEPP (ATLAS+): F. Ould- Saada, UiO Grid aktiviteter: NorduGrid, KnowARC, NGIn, (NDGF, EMI): F. Ould-Saada T. Tveter A.L. Read D. Karpenko 10/22/2010 F. Ould-Saada: LHC - Fysikk 28

29 2007? 2008? 10/22/2010 F. Ould-Saada: LHC - Fysikk 29

30 10 September 2008: LHC innvielse Første stråle sirkulerer i maskinen 5 CERN DGs, fra ide til virklighet: Schopper, Rubbia, Llewellyn Smith, Maiani, Aymar (fra høyre) 30

31 Kaldeste plass i universet 1.9 K (CMBR ~2.7 K) flytende helium Dipolmagnetfeltetet p (TeV) = 0.3 B(T) R(km) p = 7 TeV og R = 4.3 km B = 8.4 T Strøm 12 ka 10/22/2010 F. Ould-Saada: LHC - Fysikk 31

32 Duration of Projects 1983 driving technology long term stability and strategy

33 Feil ved en kobling forårsaker en elektrisk bue Hull i isolasjonen rundt magneten Helium utblåsning og skader på magnetene 10/22/2010 F. Ould-Saada: LHC - Fysikk 33

34 LHC Entering Operation 34

35 Protons, E beam = 0.45 TeV LHC hadde en imponerende rask oppstart og avsluttet 2009 på en formtopp. De første kollisjonene ble registrert LHC eksperimente registrerte over en million kollisjoner med en energi på 900 GeV Protons, E beam = 0.45 TeV 10/22/2010 F. Ould-Saada: LHC - Fysikk 35

36 ble det også registrert kollisjoner med en energi på 2.36 TeV, som gjorde LHC til verdens kraftigste partikkelakselerator noen sinne skjedde første kollisjoner ved 3.5 TeV per stråle 7 TeV 10/22/2010 F. Ould-Saada: LHC - Fysikk 36

37 19.03:3.5 TeV stråle 30.03: første kollisjoner ved 3.5 TeV per stråle 19.04: 10-dobling av luminositeten Dobbelt antall partikler per klump 4klumper per stråle L ~2x : 10XL 13 klumper: L~ 3x10 29 Nådd planlagt klumpintensitet 10/22/2010 F. Ould-Saada: LHC - Fysikk 37

38 1 st W 1 st Z 1 st top-quark candidate > 3 TeV mass di-jet event ATLAS: 14.4 pb pb -1 til ~ 11 pb -1 fra til Status: Høyeste luminositet cm -2 s -1 Antall kollisjoner = Registrert luminositet 21.6 pb -1 10/22/2010 F. Ould-Saada: LHC - Fysikk 38

39 Z-partikkel produksjon og henfall ved ATLAS 10/22/2010 F. Ould-Saada: LHC - Fysikk 39

40 Som funksjon av polarvinkelen avhengighet 10/22/2010 F. Ould-Saada: LHC - Fysikk 40

41 National Geographic was sort of correct.. p K 0 s PDG: MeV PDG: MeV p PDG: MeV PDG: MeV 8-Apr-2010, P Jenni (CERN) 41

42 50 år partikkelfysikk i løpet av noen månader 1960s 1970s 1980s 10/22/2010 F. Ould-Saada: LHC - Fysikk 42

43 p T (μ)= 51 GeV p T (e)=66 GeV p T (b-tagged jets) = GeV E miss T = 113 GeV, 2 secondary vertices from b-decays 43

44 Higgs-bosonet er eneste partikkelen i Standard modellen som ikke er observert Higgs-feltet påvirker partiklene og gir dem det vi kaller masse A. Raklev

45 Hvor kommer masse fra? Hva er mørk materie? Hva er mørk energi? Hvor mange romdimensjoner finnes det? Hva er Universets opprinnelige symmetri? Hva skjedde med den opprinnelige symmetrien? Hva skjedde med den opprinnelige antimaterien? Fantes fri kvarker og gluoner? R 10/22/2010 F. Ould-Saada: LHC - Fysikk 45

46 De 4 naturkreftene bæres av kraftpartikler - bosoner styrke 1 8 Gluoner Foton 10-2 En endring i styrken av noen av kreftene ville føre til en helt annerledes verden Graviton? Bosoner (W,Z) 10-6 Er forholdet mellom kreftenes styrke alltid slik? - Nei, det kommer an på hvor du befinner deg! Like etter Big-Bang tror vi at alle naturkreftene var like sterke.

47 Vår nåværende forståelse tegner et koherent bilde av universet: Astronomi: v=hd Statistikk: E=kT Universets historie Fra tidenes morgen til i dag Relativitetsteori: Kvantefysikk E=h =hc/ og en rekke faseoverganger

48 PV=nRT? 10/22/2010 F. Ould-Saada: LHC - Fysikk 48

49 De store spørsmålene er: S + Gravitasjon - Mot en forening av alle de fundamentale kreftene - Hva var den opprinnelige M + symmetrien? S U - Hva var universets PV=nRT? S Y Dagens eksperimentelle grense Tidsreise Med LHC ved ~10 TeV lander vi ~10-12 s etter Big Bang, K grader

50 Superstrings, GUT, Supersymmetry, Black holes, Extra dimensions Spør Are og Finn om en stund For min del Hvorfor ikke en partikkel namens Newtyetthoughtov 10/22/2010 F. Ould-Saada: LHC - Fysikk 50

53 LHC Utfordringer 8000 superledende magneter som gir et magnetfelt på 8.36 Tesla (jordens magnetfelt ~ Tesla ) liter flytende helium med temperatur 1.9K (-271 C) tonn materialer som holder 1.9K (-271 C) 27km med veldig høyt vakuum (10-10 torr) (sammenlignbart med universet) En ny energiskala: Terra elektron Volt (TeV) 1 TeV = 1000 GeV ~ massen til 1000 protoner Proton Proton 10/22/2010 F. Ould-Saada: LHC - Fysikk 7 TeV + 7 TeV 53

54 Rediscover Z 0 particle! 10/22/2010 F. Ould-Saada: LHC - Fysikk 54

55 Et av de norske bidragene til ATLAS Semi Conductor Tracker (SCT): Oslo, Bergen og Uppsala har laget 320 silikon-module ~ 15% av Atlas behov Monteringen i Oslo

56 Urstoffet ved universets fødsel, ca. 1 ms etter Big Bang, var et såkalt kvark-gluon-plasma, med svært høy temperatur og balanse mellom materie og antimaterie. I kollisjoner mellom tunge atomkjerner ved LHC forsøker man å gjenskape denne materieformen. Urstoffet - kvark-gluon-plasma Rester av kolliderende kjerner R Kvark-gluon-plasma

57 ALICE TPC ALICE PHOS PHOS-modul Underjordisk hall med HLT Linuxklynge De norske ALICE-gruppene (Oslo + Bergen) har særlig bidratt til: - Fotonspektrometeret PHOS - Tidsprojeksjonskammeret TPC (hardware- og software-utvikling, større finansielle bidrag til PHOS) - Høynivå-triggersystemet HLT - kraftfull Linux-klynge som kjører software for hurtig online rekonstruksjon av kollisjonsdata og fysikkanalyse.

58 Første ALICE-publikasjon produksjon av ladde partikler i p+p-kollisjoner

59 150 MCHF Historie design R&D bygging 08- commissioning 10/22/2010 F. Ould-Saada: LHC - Fysikk 59