Budapesti Műszaki Fősikola Fizika II. Horváth Árpád Részecskefizika Budapesti Műszaki Fősikola Fizika II. Horváth Árpád

Segédletek Részecskefizika jegyzet www.szgti.bmf.hu/fizika Lássuk a részecskéket! (PowerPoint bemutató ) CERN sajátkezűleg honlap további külső honlapcímek hu.wikipedia.org/wiki/Részecskefizika neutrínó, gyorsító, Nobel-díjak, Ősrobbanás… Lederman: Az isteni a-tom (fizika, részecskefizika) Brian Green: Az elegáns univerzum

Az anyag felépítése

Az anyag részecskékből áll („részecskefizika”) Ha egy almát elkezdünk félbe és újból félbe vágni, akkor előbb-utóbb eljutunk az atomokhoz. Kérdés: Hány vágás szükséges? Válasz: Csak 84! Egyetlen atom nanométer A mag „keringő” elektronokkal

Antianyag - Anyag Anyag Az elektromos vonzást fotonok közvetítik

Az atommag pozitív töltésű Protonokból (p) és neutronokból (n) áll. A protonok és neutronok kvarkokból állnak A kvarkok „színtöltést” hordoznak A kvarkokat gluonok „ragasztják” össze

A protonokból és neutronokból „kilógó” erőhatás tartja össze az atomot. Akkor végre értjük az atom működését

Megmarad-e az energia a béta-bomlásban? Az elektron energiája nem meghatározott 1931 – Pauli, neutrínó jóslat 1954 – Szalay, Csikai közvetett megf. 1959 – Reines, Cowan közvetlen megf.

Részecskecsaládok + antirészecskéik Miért pont ennyi család? (Ki rendelte? – Rabi) + antirészecskéik

Részecskék és antirészecskék

Barionok és mezonok

Kölcsönhatások Ide jó lenne pár kis ábra.

Kísérleti részecskefizika

Hogyan láthatunk részecskét? Előtte TV-t megemlíteni. Az ELTE'-n készített ködkamra (Horváth Ákos, Barnaföldi Gergely). Itt mozgó képnek kellene lennie, de ez csak a szerkesztés helyén megy nekem.

Diffúziós ködkamra -  (He2+) forrással 300 V-os feszültség alkoholos vatta LED  (He2+) forrás hőszigetelő termosz szilárd CO2 – „szárazjég” Particle tracks + High Voltage 100-200 V= Isopropyl alc. source - T increase LED Copper plate a-source Copper rods Thermos CO ice 2 Fig. 2: Systematic diagram of cloud chamber

Egy e+e- ütközés eredménye

CERN 1954-ben 12 ország alapította Ma: 20 tagállam 7000-nél több felhasználó a világ minden tájáról

A CERN felülnézetből

A gyorsítólánc

Detektor - ütközőnyaláb

Részecskék kölcsönhatása

Eperből körte?

Részecskegyorsítók

Gyorsítók miért? nagy részecskesűrűség nagy energia atommagreakciók: Coulomb-taszítás legyőzése nagy tömegű részecskék létrehozása E=mc2 nagyobb felbontás (de Broglie)

Lineáris gyorsító

Ciklotron felépítése magfizika: proton, deutérium gyorsítására

Duánsok

Ciklotronmágnes

Nyalábstabilitás

Fázisstabilitás

Betatron oszcilláció Kifelé enyhén csökkenő tér: gyenge fókuszálás: tengely irányú és sugárirányú oszcillációk

Szinkrotron proton 7 TeV elektron 100 GeV

Csatolás, SUSY

A csatolási „állandó” A részecskék között az erőket részecskék (bozonok) közvetítik. Két részecske közötti erő függ attól, hogy milyen valószínűséggel bocsátanak ki közvetítőrészecskét. És milyen valószínűséggel nyelnek el. A két valószínűség (g) megegyezik. Az erő g2-tel arányos. Az α = g2 /4π neve csatolás. Más-más értékű különböző kölcsönhatások esetén

A „futó” csatolás Erős Gyenge Elektromágneses Standard Model SUSY

Mi a szuperszimmetria? Kétféle részecske van a természetben: fermion és bozon. A fermionok feles spinűek, és nem lehet azonos állapotban két fermion. Mindig egyágyas szobát foglalnak a fermion holtelben. A bozonoknak (nulla vagy pozitív) egész spinjük van, és akárhányan képesek egy szobában aludni. A szuperszimmetria szerint minden fermionnak létezik egy bozon párja és fordítva. Szuperszimmetrikus partnereket még nem találtak, bizonyára nehezek. A SUSY-t valamilyen hatás megbontja.

SUSY SPIN ½ FERMIONOK SPIN 0 BOZONOK Skvarkok Kvarkok Sleptonok Az anyag családjai SPIN ½ FERMIONOK Sleptonok Skvarkok A „SUSY” részecskék családjai SPIN 0 BOZONOK SUSY

Húrelmélet a részecskéket pici húroknak tekinti kísérlet a kvantummechanika és a relativitáselmélet egyesítésére bonyolult matematika a SUSY-eredetileg ebből jön, de a standard modellbe is beilleszthető … egyelőre nincs ellenőrzési lehetőség

Erős kölcsönhatás

Kvarkbezárás – asszimptotikus szabadság KVANTUMSZÍNDINAMIKA Erős kölcsönhatás, kvarkok QCD QED ELEKTRODINAMIKA Elektromosság, töltések … ma már nincsenek szabad kvarkok…

A 2-jetes és 3-jetes esemény

2004-es Nobel-díj aszimptotikus szabadság David J. Gross H. David Politzer Frank Wilczek aszimptotikus szabadság

Higgs, LHC

Mi a részecskék tömegének eredete? b c s u d e Mass

A Higgs-bozon A „standard modell” szerint a tömeget egy - Peter Higgs, angol fizikus után Higgs-mechanizmusnak nevezett - hatás hozza létre. Ez az elmélet feltételez egy újabb részecskét, a Higgs-bozont.

Az LHC gyorsítógyűrű

Az LHC és kísérletei 60-100 méterrel a föld alatt

Az LHC A CERN-ben épülő új gyorsítógyűrű a nagy hadronütköztető (Large Hadron Collider, LHC) protont fog protonnal ütköztetni 14 billió elektronvolton (14 TeV). Várhatóan 2007-ben indul. Reményeink szerint megtaláljuk vele a Higgs-bozont és a SUSY részecskéket.

ALICE (LHC-detektor)

A CMS detektor egy szelete (a gyorsítócső merőleges erre a síkra) Kattintás a részecsketípuson: animáció Esc: kilépés

Mit is adott a világnak a CERN a részecskefizikán kívül? A WWW grafikus világa Valós idejű digitális adatfeldolgozás Szuperszámítógép clusterek (GRID) Szupravezető mágnesek Alagútfúrás tökéletesítése (Csalagút) A jövő pedig az LHC (2007) …

A neutrínók

A gyenge kölcsönhatás A (szabad) neutron radioaktív, 15 perc alatt protonra, elektronra és neutrínóra bomlik A bomlás nagyon lassú (15 perc rendkívül hosszú idő bomlásoknál) Ezeknélkül a gyenge folyamatok nélkül a Nap leállna!

Neutrínók a Napból Kérdés: Hány napból jövő neutrínó halad át a körmünkön egy másodperc alatt? Válasz: 40 milliárd! – éjjel és nappal, mivel a neutrínók képesek áthatolni a Földön kölcsönhatás nélkül A Napról föld alatt készített kép neutrínókkal

Napneutrínó-probléma Harmadannyi neutrínót észleltek, mint a Nap modellezéséből jön (1956, Davis) (Marx György: Hova tűnt a Nap az égről?) Mi lehet az ok? rossz a csillagmodell neutrínóoszcilláció (1964, többféle neutrínó) a Nap anyaga alakítja át

A Super-K egy csónakkal

Cserenkov-detektor

Az SK egy észlelése és ugyanez müonnal 481 MeV muon neutrino (MC) produces 394 MeV muon which (~ 500 ns) later decays at rest into 52 MeV electron. The ring fit to the muon is outlined. Fuzzy electron ring is seen in yellow-green in lower right corner. This is perspective projection with 110 degrees opening angle, looking from a corner of the Super-Kamiokande detector (not from the event vertex). Option -show_non_hit was used to show all PMTs. Color corresponds to time PMT was hit by Cerenkov photon from the ring. Color scale is time from 830 to 1816 ns with 15.9 ns step. The time window was widened from default to clearly show the muon decay electron in different color. In the charge weighted time histogram to the right two peaks are clearly seen, one from the muon, and second one from the delayed electron from the muon decay. Size of PMT corresponds to amount of light seen by the PMT. PMTs are drawn as a flat squares even though in reality they look more like huge flattened golden light bulbs. Az SK egy észlelése

Atmoszférikus neutrínó- oszcilláció

A Sudbury Neutrínó Obszervatórium (SNO) Kanada, bánya 2000 m mélyen 1000 t nehézvíz 1. 2. elektront lök meg 3. szétlöki az atommagot Cserenkov-detektor 9600 fotoelektron-sokszorozó az összes típus mérhető

Megvan az összes megjósolt Napneutrínó! (2001, SNO) Az oszcillációhoz tömegkülönbség kell: valamely neutrínónak kell lennie tömegének

Az ősrobbanás

Az Univerzum története Részecskegyorsítók NAGY BUMM

Pillanatfelvétel

Ősrobbanás bizonyítékai Doppler-eltolódás (vöröseltolódás) kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás (következő diák) elemgyakoriság (75% H, 25 % He)

A mikrohullámú kozmikus háttérsugárzás Amikor az atomok befogták az elektronokat, akkor a Világegyetem átlátszóvá vált. Az akkori (380 000 éves Világegyetem) fotonjait háttérsugárzásként érzékeljük. WMAP = Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (2003)

Hőmérsékleti térkép Föld Világ-egyetem 13 milliárd éve kezdte az útját a maradványsugárzás. Útja alatt a Világegyetem tágult, a hullámhosszak növekedtek, jelenleg a mikrohullámnál (néhány cm) van a maximum.

…azaz a Világegyetem sík

A Világegyetem összetétele

CERN-sajátkezűleg

Detektor szerkezete

e+e- keletkezik A jobboldali gombokat elemezhetjük.

müonpár keletkezik

másik müonpár oldalról

Tau-részecskék keletkeznek Bemutathatjuk a fenti adatokat. Taunál fontos, hogy 6 nyom van. (Néha nehéz megkülönböztetni két nyomot.)

két dzset keletkezik Horváth Árpád 2005.02.01. Milyen detektor van bekapcsolva? (TrDet) Melyik réteg lehet bejelölve? Hol lehet a többi nyom, melyik detektorréteghez tartozik?

3-dzset Horváth Árpád 2005.02.01. Milyen detektorok vannak bekapcsolva? (TrDet, EMCal) Miért van átfedés a kék és sárga között? Hogy lehet szétválasztani? (Forgatási és nagyítási lehetőség)

3-dzset nagyítva Hogy jobban lássuk, hogy átfedi egymást a kék és zöld. A következőn elforgatjuk, hogy lássuk, tényleg különbözők.

3-dzset forgatva

A részecskecsaládok száma

A részecskecsaládok száma 1.

A részecskecsaládok száma 2. x = e, müon, tau, hadron

A részecskecsaládok száma 3. Ax: elágazási arány Γx/Γteljes n: nem látható, azaz neutrínó. SM szerint: 1,979-szer lepton eseményé

Statisztikai hiba Statisztikai hiba: N mért esemény esetén Pl. 64 elektron eseménynél 64±8 Nagy eseményszámnál kisebb relatív hiba

Részecskeszám (kozmológia) A részecskecsalád számtól is függ, hogy kezdetben melyik elemből mennyi alakult ki. 3 család