“Tento velký detektivní příběh dosud není vyřešen. Nemůžeme si být jisti, zda vůbec má konečné řešení. Četba nám již poskytla mnoho: naučila nás základům řeči přírody; umožnila nám porozumět mnohým z klíčů a byla často zdrojem radosti a povzbuzení v namáhavém a strastiplném pokroku vědy” A. Einstein, L. Infeld: “Fyzika jako dobrodružství poznání”

1. Úvod

2. Co je mikrosvět a jak do něj nahlédnout?

2.1 O platnosti teorie rozhoduje experiment 2.2 Hierarchická struktura hmoty 2.3 Srážky – hlavní metody studia mikrosvěta

3. Urychlovače a experimenty na nich

3.1 Když to začalo 3.2 Jak urychlovače vypadají a fungují 3.3 Co nám řeknou? 3.4 Jak chytat a měřit částice

4. Urychlovač LHC

4.1 Standardní model 4.2 Urychlovač LHC a jeho první výsledky

5. Závěr

Vladimír Wagner

Ústav jaderné fyziky AVČR, 250 68 Řež, E_mail: WAGNER@UJF.CAS.CZ, WWW: hp.ujf.cas.cz/~wagner/

Cesta do mikrosvěta aneb

jak člověk poznával a poznává strukturu hmoty

Fyzika mikrosvěta – jaké má metody?

Mikrosvět – neobvyklé vlastnosti popisované kvantovou fyzikou

Přiblížení pomocí analogie – tato zjednodušení je třeba je brát velmi opatrně

Věda hledá popis reálného světa

Pravdivost různých interpretací lze řešit jen experimentálním pozorováním

Každá vědecká teorie i hypotéza musí být falzifikovatelná - testovatelná

„Jediné, co mě zajímá, je najít soubor pravidel, která by souhlasila s chováním přírody, a nezkoušet jít příliš daleko za to. Zjistil jsem, že většina filozofických diskusí je psychologicky užitečná, ale nakonec, když se podíváte zpátky do historie, zjistíte, že to, co bylo kdysi řečeno s takovou pádností, je téměř vždy -- do jisté míry -- nesmyslné! “

R. Feynman v rozhovoru v knize P. Daviese a J. Browna „Superstrings: A Theory of Everything?“

Nalezené zákonitosti umožňují dělat testovatelné předpovědi

Úplné pochopení teorie ↔ úplné osvojení fyzikálního i matema-tického aparátu → spočtení předpovídaných fyzikálních veličin Richard Feynman

Karl Popper v Prazev r. 1994

Použití pojmů z makrosvěta na vlastnosti mikrosvěta ↔ pozor opatrně při interpretaci

Složení hmoty

Hmota je složena z částic - mezi nimi působí interakce

Důležité nástroje pro popis mikrosvěta:

1) Speciální teorie relativity - rychlosti blízké rychlosti světla, kinetická energie srovnatelná s klidovou2) Kvantová fyzika - velmi malé hodnoty veličin kvantový a pravděpodobnostní charakter, Heisenbergův princip neurčitosti

Atomová fyzika, fyzikální chemie

Jaderná fyzika

Fyzika elementárních částic

Superstrunové teorie? (rozměr 10-35 m)?

Hustota vody 103 kg/m3 Hustota jádra ~1018 kg/m3RATOM/RJÁDRO ~ 105 → VATOM/VJÁDRO ~ 1015

Počátek studia stavby atomu

Diskuze okolo modelu atomu J.J. Thomsona – atom je kladně nabitá koule (3∙10-10m) uvnitř níž jsou elektrony.

Studium chování záření α při průchodu kovovými foliemi – H. Geiger a E. Marsden pod vedením E. Rutherforda (1910). Pozorují:

1) Většina částic α letí přímočaře nebo se rozptýlí jen trochu2) U několika málo pozorují velký odklon a výjimečně i odraz (velmi překvapivé).

Vysvětlení: atom se skládá ze dvou rozdílných částí: atomového jádra (10-14 m) a elektronového obalu → jaderný či planetární model atomu.

Přítomnost protonů (jader vodíku) v atomovém jádře prokázal E. Rutherford (1919).

W. Bothe a H. Becker (1930) nový pronikavý typ záření (ostřelování Be, B nebo Li částicemi α). J. Chadwick (1932) - jsou to neutrální částice s hmotností blízkou hmotnosti protonu – neutrony Planetární model atomu:

Rutheford a Marsden u zařízení

Experimentální pozorování je rozhodujícím kritériem pro uznání platnosti hypotézy a její přeměnu v teorii

Větší detaily, energie a teploty, produkce těžších částic

Stěžejní nástroj – srážka urychlených částic

1) Nárůst energie → větší detaily

Zatím největší urychlovače E ~ 100 GeV → 10-18m

2) Produkce částic s vyšší klidovou energií (hmotností)

Celkové energie už přímo makroskopické – pád 0,02 g z výšky 1 m srážka dvou menších much nebo větších komárů

Klidová hmotnost protonu: ~ 1 GeV

LHC – srážka protonů s energiemi 7000 GeV

Jádra olova (208 nukleonů) na každý 2700 GeV 1 123 200 GeV = 1,8∙10-4 J

Hmotnost 1 g se stejnou rychlostí 51017 J (10 000 hirošimských bomb)

Stejná energieRozdíl rozměrů 1014

V současné době už se sráželi

1 eV = 1,602∙10-19J

E = mc2

3) Dosažení co nejvyšších hustot a teplot

http://www.aip.org/history/lawrence/larger-image-page/epa-20.htm

Historické stránky Americké fyzikální společnosti (AIP)

Potřeba urychlovat částice na vyšší energie – produkce a hledání nových částic

Existence kosmického záření – jeho doplnění umělým zdrojem

Princip urychlovače typu cyklotron

První urychlovač – E.O. Lawrence v roce 1930

typ – cyklotron

zdroj částicmagnetické pole – kruhová dráha částiceelektrické VF pole pro urychlení

Nobelova cena za fyziku 1939

nyní více než 10 000 urychlovačů různých typů

!!! Potřebujeme urychlovač !!!

Původní patentový nákres a model prvního urychlovače(průměr okolo 11 cm, V = 1800 V) Současné urychlovače – obrovské množství různých

typů. Od malých produkčních pro medicínu (japonský R = 1 m) až po giganty v CERNu (R = 4 km)

Z čeho se urychlovač skládá:

Iontový zdroj – produkce nabitých částic

Elektrostatické nebo proměnné elektrické pole – urychlení částice – urychlovací systém

Magnetické pole – určuje dráhu částice, provádí fokusaci svazku – magnetické čočky vedou svazek a snaží se co nejvíce jej zúžit

Radiační ochrana – zajištění bezpečnosti pomoci stínění

Vakuový systém – částice se při urychlování musí pohybovat ve vysokém vakuu – nutný systém vývěv

Zdroj plazmy – elektrický výboj

Dipólové magnety LHC

Chlazení – supravodivé magnety potřebují heliové teploty

Řídící centrum urychlovače LHCKryogenní systém pro LHC

Řídící systém – ovládání, řízení a kontrola práce urychlovače Urychlovací prvky LHC

V současnosti už tři roky funguje největší urychlovač na světě

1700 supravodivých magnetůz nich 1232 největších dipolových 200 teplých magnetů

Tedy 1700 kryogenních propojení.Tedy 50000 kryogenních svarů200 000 m2 vícevrstevné izolace

Obvod 27 km – slušná linka metra- čtyři experimenty čtyři zastávky čtyři křížení dvojice rour

Spouštění magnetu do podzemního tunelu

Spojovací část mezi jednotlivými sekcemi

120 tun supravodivého a supratekutého helia

LHCb

CMSALICE

ATLAS

Nejen připravit hmotu z počátku vesmíru, ale i si ji prohlédnout

Máme na to detektory – a tu jsou jejich úkoly:

1) Zachytit co nejvíce částic a určit jejich vlastnosti2) Zachytit a určit energii i těch nejenergetičtějších částic3) Zachytit dráhu krátce žijících částic nebo dráhy jejich produktů rozpadu4) Určit hybnosti částic5) Určit náboje částic

Vnitřní dráhové detektory

Hadronové kalorimetry

Elektromagnetické kalorimetry

Velké dráhové komory(umístěné v magnetickém poli)

Jeden z posledních snímků ALICE před uzavřením jeskyně před čtyřmi lety

(nejmladší „fyzik“ na obrázku pochází z české ALICE komunity)

!!! Velký experiment – potřeba hodně lidí !!!

Účast našich studentů na instalaci křemíkových driftových detektorů a jejich elektroniky

Čekání na ALICI – čekali a čekají i čeští fyzikové

První případy srážek dvou jader olova z experimentu ALICE(místo 10 až 100 částic se ve srážce produkuje až 10 000 částic)

Standardní modelHmota je tvořena částicemi (fermiony s=1/2), mezi kterými působí interakce, které jsou zprostředkovány výměnou částic (bosony s=celé číslo)

Tři druhy interakcí: 1) Silná - kvantová chromodynamika (působí pouze na kvarky a z nich složené hadrony – baryony a mezony)

2) Elektromagnetická - kvantová elektrodynamika 3) Slabá - elektroslabá teorie

+ antičástice

Gravitace stojí mimo standardní model – je velmi slabá a v mikrosvětě se neprojevuje

tvoří běžnou hmota za normálních podmínek

výměnný charakterinterakcí

baryony – tři kvarky

mezony – kvark a antikvark

elektrický náboj

barevný náboj

Tady je Higgs

Je spojený s generací části hmotnosti

Budovaný urychlovač LHC

Proč: Studium hmoty existující ve vesmíru Pochopení vlastností sil, které v přírodě působí

Dosažená teplota: ~ 2,1×1012 K

Dosažená hustota: ~ 4 ρ0 = 1018 kg/m3

Jak: Urychlovač – produkce husté a horké hmoty (možnost prokázal urychlovač BEVALAC) Experimentální zařízení – studium této hmoty

Soustava s neutronovou hvěz-dou v představách malíře

RHIC a LHC jsou kuchyně pro vaření velmi horké polévky

80. léta – začátek studia horké a husté jaderné hmotyZačátek 21. století – studium extrémně horké hmoty

Jak získat nejhustší a nejteplejší hmotu v laboratoři

Jak identifikovat částici detekcí produktů rozpadu?

222

2n

1ii

2n

1ii cpE mc

Určit hybnosti a energie produktů rozpadu a z nich spočítat klidovou hmotnost původní částice

Existence nové částice ?higgse? potvrzena !

1) Potvrzen přebytek pro γγ a ZZ rozpady v oblasti hmotnosti 125 GeV

2) Pravděpodobnosti produkce a rozpadu odpovídají standardnímu higgsi

3) Jedná se o boson se spinem 0

4) Větší statistika a studium dalších reakcí potvrdí, zda jde opravdu o standardního higgse

LHCb – studium rozdílu mezi hmotou a antihmotou

Rozpad Bd0 částic a antičástic

Není černá díra jako černá díra

!!! Mikroskopická černá díra (pokud existuje) je neškodná !!!

Klasická černá díra Mikroskopická černá díra

Je ve vesmíru pozorována

Rozměr i hmotnost hvězdnáZatím jen hypotetický objekt v exotických teoriích

Hmotnost atomového jádraRozměr 1000 x menší než proton

Hned se vypaří

Do atmosféry Země dopadá kosmické záření ještě s většími energiemi než mají protony a jádra na LHC

Závěr

• Fyzikové vypracovávají teorie, které nám umožňují předpovídat budoucí děje. Správnost těchto teorií se dá ověřovat jedině experimentem a srovnáním předpovědí s pozorováním.

• Nejběžnějším typem experimentu v jaderné a částicové fyzice jsou srážky

• Pro srážky s vysokou energií potřebujeme urychlovače – stále větší a větší urychlovače

• Měří se stejné nebo podobné fyzikální veličiny, které znáte. Jen je k tomu třeba mít složitější přístroje.

• Vidíme stále větší detaily a produkujeme stále těžší částice.

• Také horkou a hustou hmotu, jaká byla na počátku vesmíru můžeme dostat i v laboratoři pomocí srážek těžkých jader urychlených na rychlosti blízké rychlosti světla.

• Nový urychlovač znamená i objev nových částic a potvrzení teorií.

• Koncem roku 2009 začal pracovat největší urychlovač na světě LHC, už třetí rok poskytuje první informace

• Účast českých fyziků - příležitost i pro studenty VŠ a tedy i pro Vás