Eirik Gramstad (UiO) 2

Transkript

1 Program

2 2

3 PARTIKKELFYSIKK Læren om universets minste byggesteiner 3

4 Vi skal lære om partikkelfysikk og hvordan vi kan forstå universet basert på helt fundamentale byggesteiner med ny kunnskap om hvordan universet er bygget opp skal dere gjøre det vi gjør, nemlig analysere data fra kollisjoner ved LHC og måle en grunnleggende egenskap blant annet ved en partikkel vi kaller Z bosonet lære metoder for å lete etter nye og ukjente partikler 4

5 Elementærpartikler elementærpartikler er det enkleste av det enkle, fundamentale kan ikke deles opp i mindre deler hvorfor forske på elementærpartikler? vil forstå hvordan universet er bygget opp partikkelfysikk er nøkkelen til å finne ut av... hva universet består av... hvordan alt startet... hvordan alt vil utvikle seg 5

6 Å lage et univers ut ifra universets ulike byggesteiner prøver vi å forstå hvordan alt henger sammen vi må sette sammen universets biter på den riktige måten det vi har til rådighet er 1. materie leptoner og kvarker 2. krefter elektromagnetisme, svake og sterke kjernekrefter gravitasjon Kvantefysikken beskriver partiklenes verden ble først kjent på begynnelsen av 1900-tallet revolusjonerende teori partikkelverden er ikke som vår vanlige makroverden! partiklene fulgte statistiske lover, hvor utfallet i en eller annen gitt prosess ikke kunne forutsies eksakt, men kun gjennom sannsynligheter! 6

7 Standardmodellen tar form partikkelfysikkens periodetabell på 1970-tallet begynner en modell å ta form standardmodellen for partikkelfysikk man kunne matematisk beskrive de forskjellige elementærpartiklene og kreftene som virker mellom dem Kvarker Leptoner Materiepartikler Kraftformidlende partikler 7

8 Standardmodellen tar form partikkelfysikkens periodetabell på 1970-tallet begynner en modell å ta form standardmodellen for partikkelfysikk man kunne matematisk beskrive de forskjellige elementærpartiklene og kreftene som virker mellom dem materiepartikler leptoner kan kjenne elektromagnetiske og/eller svake kjernekrefter`(lepto gresk for tynn, liten) kvarker kjenner elektromagnetiske, svake og sterke kjernekrefter Kvarker Leptoner Materiepartikler Kraftformidlende partikler 8

9 Standardmodellen tar form partikkelfysikkens periodetabell på 1970-tallet begynner en modell å ta form standardmodellen for partikkelfysikk man kunne matematisk beskrive de forskjellige elementærpartiklene og kreftene som virker mellom dem materiepartikler leptoner kan kjenne elektromagnetiske og/eller svake kjernekrefter`(lepto gresk for tynn, liten) kvarker kjenner elektromagnetiske, svake og sterke kjernekrefter Kvarker Leptoner Materiepartikler krefter og kraftpartikler (bosoner) elektromagnetiske: fotonet svake kjernekrefter: Z, W + og W - sterke kjernekrefter: gluonet 9 Kraftformidlende partikler

10 Standardmodellen tar form partikkelfysikkens periodetabell på 1970-tallet begynner en modell å ta form standardmodellen for partikkelfysikk man kunne matematisk beskrive de forskjellige elementærpartiklene og kreftene som virker mellom dem materiepartikler leptoner kan kjenne elektromagnetiske og/eller svake kjernekrefter`(lepto gresk for tynn, liten) kvarker kjenner elektromagnetiske, svake og sterke kjernekrefter Kvarker Leptoner Materiepartikler krefter og kraftpartikler (bosoner) elektromagnetiske: fotonet svake kjernekrefter: Z, W + og W - sterke kjernekrefter: gluonet 10 Kraftformidlende partikler

11 Materiepartiklene 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 11

12 Materiepartiklene 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 (bortsett fra nøytrinoene) - 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 partikkelkollisjoner 12

13 kraftpartiklene kan også henfalle Z og W ± (massive) er ustabile, fotonet og gluonet (masseløse) er stabile de ustabile kraftpartiklene henfaller til lettere partikler - materiepartikler masseløse masseløse masse ~ 100*proton masse 100*proton 13

14 Standardmodellen standardmodellen gir oss en veldig god forståelse for hvordan naturen er bygget opp vi kan stort sett forklare hvordan universet henger sammen ved hjelp av en håndfull partikler og krefter men standardmodellen kan ikke være den endelige teorien det er fortsatt en del uløste mysterier 14

15 Uløste mysterier hvorfor kan vi ikke inkludere gravitasjonskraften i standardmodellen? hvorfor er gravitasjonen så mye svakere enn alle de andre kreftene? hvorfor finnes det mer enn en kraft, og hvorfor har de forskjellig styrke? standardmodellen beskriver bare 4 % av universets bestanddeler resten er mørk materie og mørk energi hva er dette, og hvorfor har vi ikke observert det? hvorfor eksisterer vi i det hele tatt? vi vet at partikler og antipartikler annihilerer vi antar at det var like mye av begge deler ved Big Bang hvorfor er vi blitt til overs? hvorfor er det slik at noen partikler har masse, og andre ikke? + enda flere spørsmål 15

16 Vi må se utover standardmodellen standardmodellen er ikke feil, men den er heller ikke komplett smarte fysikere har kommet med en rekke ideer til hvordan man kan utvide standardmodellen men for å kunne bekrefte nye teorier må vi utføre eksperimenter dersom teorien forutsier en ny partikkel må vi bygge eksperimenter for å observere de nettopp dette er grunnen til at vi har bygget ATLAS ved LHC 16

17 Eksempel på nye teorier Z -partikkelen Z-merket (på engelsk Z prime) er en hypotetisk partikkel den dukker opp i en håndfull (ubekreftede) teorier som supplerer standardmodellen oppdages en Z kan det være bevis på at det finnes noe mer enn standardmodellen der ute i naturen Z har fått dette navnet fordi partikkelen ligner på standardmodellens kjente Z boson, men er mye tyngre 17

18 Hvorfor trenger vi Z? dersom en partikkel à la Z eksisterer er den et bevis på et helt ny type vekselvirkning mellom partikler, og dermed også en helt ny type kraft! men da er verden ganske annerledes enn det vi til nå har trodd vi må leve i en 10-dimensjonal verden hvor all materie er bygget opp av såkalte superstrenger alle de 4 kreftene vi kjenner : gravitasjon, elektromagnetisme og de svake og sterke kjernekreftene er forent i én eneste superkraft, men ingen Z har så langt blitt funnet ved noen partikkeleksperiment 18

19 Den siste biten i standardmodellen Higgs-partikkelen (H) standardmodellens mekanisme for å gi masse til elementærpartikler innebærer at det er ett felt til i naturen: Higgs-feltet for å kunne oppdage feltet trenger vi en partikkel: Higgs-partikkelen (Higgsbosonet) inntil nylig var ikke denne partikkelen oppdaget enda men 4. juli 2012 annonserte de to store eksperimentene på CERN (CMS og ATLAS) at de hadde funnet en partikkel som lignet veldig! masse : 126 GeV nå er det endelig bevist at det er Higgs-partikkelen som er oppdaget og dermed også at Higgs-feltet eksisterer 19

20 Dersom vi leter etter nye partikler hvordan vet vi at de er nye? ganske enkelt prinsipp: vi må kjenne egenskapene til partiklene vi allerede vet eksisterer dersom vi observere en partikkel som ikke passer inn har vi oppdaget noe nytt! hvilke egenskaper har partiklene? eksempler er: masse elektrisk ladning i dag skal dere lære hvordan dere finner både kjente og ukjente partikler J/Psi og Upsilon - partikler som henfaller på samme måte som Z Z - nesten helt identisk som Z (IKKE OPPDAGET ENDA!!) Higgs - henfaller på en annen måte, men kan finnes ved samme teknikk 20

21 Observasjon av elementærpartikler av alle elementærpartiklene er det bare 3 som kan observeres direkte elektronet muonet fotonet resten er enten 1. så tunge at de henfaller med en gang og vi rekker ikke å observere de 2. kan ikke eksistere i naturen alene kvarkene eksisterer i naturen i form av hadroner, (f.eks. protoner, nøytroner) kan observeres 3. eller er usynlige for oss nøytrinoer 21

22 Hvordan finne partikler som henfaller? proton-kollisjonene i LHC kan produsere veldig tunge partikler som f.eks. Z bosonet, et Higgs boson, eller helt nye, hittil ukjente partikler LHC kalles ofte for et tidsmikroskop fordi den bringer oss tilbake til tilstander som eksisterte rett etter Big Bang. tunge partikler er en utfordring: de henfaller gjerne umiddelbart (de er ustabile) men ved å kjenne til reglene for henfall altså hvilke partikler de henfaller til kan vi regne oss frem til hva som opprinnelige var der! regelboka: standardmodellen (eller andre nye teorier) detektoren registrerer henfallsproduktene da har vi det vi trenger! det er akkurat dette detektivarbeidet dere skal gjøre i dag mer etter pausen! 22

23 Dere skal i dag bruke ekte data fra LHC og ATLAS og finne standardmodell-partikler og kanskje noe mer? 23