LHC - FYSIKK 10/22/2010 F. Ould-Saada: LHC - Fysikk 1
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
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
10/22/2010 F. Ould-Saada: LHC - Fysikk 4
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
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
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
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!
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
masseløse Kraftpartiklene W og Z er også ustabile og henfaller De henfaller til lettere materiepartikler masse ~ 100*proton
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
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
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
Large Hadron Collider 27km i omkrets, 100m under bakken proton-klumper med 1000 milliarder protoner hver går rundt og rundt i en hastighet på 0.99999991 av lysets hastighet hvert 0.000000025s 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
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
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
Kollisjon ved LHC Simulerte svarte hull event 10/22/2010 F. Ould-Saada: LHC - Fysikk 17
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
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 2009 19
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
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
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
Multipurpose detektorer Skal lete etter alt Basert på forskjellige måter å identifisere partikler En er tung, den andre er stor!
CMS The Silicon tracker (200m 2 ) has 10 M channels Operating temperature -15 C Engineering Challenge: CMS Solenoid 24
45 m ATLAS Detector ATLAS superimposed to the 5 floors of building 40 24 m 7000 Tons 25
http://www.atlas.ch/multimedia/html-nc/atlas-built-in-one-minute.html 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
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
2007? 2008? 10/22/2010 F. Ould-Saada: LHC - Fysikk 29
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
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
Duration of Projects 1983 driving technology long term stability and strategy
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
LHC Entering Operation 34
Protons, E beam = 0.45 TeV LHC hadde en imponerende rask oppstart og avsluttet 2009 på en formtopp. De første kollisjonene ble registrert 23.11.09 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
30.11.09 ble det også registrert kollisjoner med en energi på 2.36 TeV, som gjorde LHC til verdens kraftigste partikkelakselerator noen sinne. 30.03.10 skjedde første kollisjoner ved 3.5 TeV per stråle 7 TeV 10/22/2010 F. Ould-Saada: LHC - Fysikk 36
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 ~2x10 28. 22.05: 10XL 13 klumper: L~ 3x10 29 Nådd planlagt klumpintensitet 10/22/2010 F. Ould-Saada: LHC - Fysikk 37
1 st W 1 st Z 1 st top-quark candidate > 3 TeV mass di-jet event 28.03-10.10 ATLAS: 14.4 pb -1 3.5 pb -1 til 08.10 ~ 11 pb -1 fra 22.09 til 10.10 Status: 19.10.2010 Høyeste luminositet 1.5 10 32 cm -2 s -1 Antall kollisjoner 1.54 10 12 =1540000000000 Registrert luminositet 21.6 pb -1 10/22/2010 F. Ould-Saada: LHC - Fysikk 38
Z-partikkel produksjon og henfall ved ATLAS 10/22/2010 F. Ould-Saada: LHC - Fysikk 39
Som funksjon av polarvinkelen avhengighet 10/22/2010 F. Ould-Saada: LHC - Fysikk 40
National Geographic was sort of correct.. p K 0 s PDG: 1115.7 MeV PDG: 497.6 MeV p PDG: 1115.7 MeV PDG: 1019.5 MeV 8-Apr-2010, P Jenni (CERN) 41
50 år partikkelfysikk i løpet av noen månader 1960s 1970s 1980s 10/22/2010 F. Ould-Saada: LHC - Fysikk 42
p T (μ)= 51 GeV p T (e)=66 GeV p T (b-tagged jets) = 174 45 GeV E miss T = 113 GeV, 2 secondary vertices from b-decays 43
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
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
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 10-39 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.
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
PV=nRT? 10/22/2010 F. Ould-Saada: LHC - Fysikk 48
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, 10 17 K grader
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
10/22/2010 F. Ould-Saada: LHC - Fysikk 51
10/22/2010 F. Ould-Saada: LHC - Fysikk 52
LHC Utfordringer 8000 superledende magneter som gir et magnetfelt på 8.36 Tesla (jordens magnetfelt ~ 0.00000040 Tesla ) 700.000 liter flytende helium med temperatur 1.9K (-271 C) 30.000 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
Rediscover Z 0 particle! 10/22/2010 F. Ould-Saada: LHC - Fysikk 54
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
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
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.
Første ALICE-publikasjon produksjon av ladde partikler i p+p-kollisjoner
150 MCHF Historie 90-96 design 92-02 R&D 00-10 bygging 08- commissioning 10/22/2010 F. Ould-Saada: LHC - Fysikk 59
10/22/2010 F. Ould-Saada: LHC - Fysikk 60
10/22/2010 F. Ould-Saada: LHC - Fysikk 61