Budapesti Műszaki Fősikola Fizika II. Horváth Árpád

Az előadások a következő témára: "Budapesti Műszaki Fősikola Fizika II. Horváth Árpád"— Előadás másolata:

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

2 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

3 Az anyag felépítése

4 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

5 Antianyag - Anyag Anyag Az elektromos vonzást fotonok közvetítik

6 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

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

8 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.

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

10 Részecskék és antirészecskék

11 Barionok és mezonok

12 Kölcsönhatások Ide jó lenne pár kis ábra.

13 Kísérleti részecskefizika

14 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.

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

16 Egy e+e- ütközés eredménye

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

18 A CERN felülnézetből

19 A gyorsítólánc

20 Detektor - ütközőnyaláb

21 Részecskék kölcsönhatása

22 Eperből körte?

23 Részecskegyorsítók

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

25 Lineáris gyorsító

26 Ciklotron felépítése magfizika: proton, deutérium gyorsítására

27 Duánsok

28 Ciklotronmágnes

29 Nyalábstabilitás

30 Fázisstabilitás

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

32 Szinkrotron proton 7 TeV elektron 100 GeV

33 Csatolás, SUSY

34 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

35 A „futó” csatolás Erős Gyenge Elektromágneses Standard Model SUSY

36 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.

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

38 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

39 Erős kölcsönhatás

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

41 A 2-jetes és 3-jetes esemény

42 2004-es Nobel-díj aszimptotikus szabadság
David J. Gross H. David Politzer Frank Wilczek aszimptotikus szabadság

43 Higgs, LHC

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

45 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.

46 Az LHC gyorsítógyűrű

47 Az LHC és kísérletei méterrel a föld alatt

48 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.

49 ALICE (LHC-detektor)

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

51 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) …

52 A neutrínók

53 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!

54 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

55 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

56 A Super-K egy csónakkal

57 Cserenkov-detektor

58 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

59 Atmoszférikus neutrínó- oszcilláció

60 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

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

62 Az ősrobbanás

63

64 Az Univerzum története
Részecskegyorsítók NAGY BUMM

65 Pillanatfelvétel

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

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

68 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.

69 …azaz a Világegyetem sík

70 A Világegyetem összetétele

71 CERN-sajátkezűleg

72 Detektor szerkezete

73 e+e- keletkezik A jobboldali gombokat elemezhetjük.

74 müonpár keletkezik

75 másik müonpár oldalról

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

77 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?

78 3-dzset Horváth Árpád Milyen detektorok vannak bekapcsolva? (TrDet, EMCal) Miért van átfedés a kék és sárga között? Hogy lehet szétválasztani? (Forgatási és nagyítási lehetőség)

79 3-dzset nagyítva Hogy jobban lássuk, hogy átfedi egymást a kék és zöld. A következőn elforgatjuk, hogy lássuk, tényleg különbözők.

80 3-dzset forgatva

81 A részecskecsaládok száma

82 A részecskecsaládok száma 1.

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

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

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

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