Fyzika elementárních částic -...

Fyzika Fyzika elementelementáárnrníích ch ččáásticstic

(Standardn(Standardníí model)model)

Zdeňka Broklová[email protected]

1. 12. 2004Zdeňka Broklová

2

DDéélkovlkováá šškkáálala


3

Jak pozorovat malJak pozorovat maléé objekty?objekty?

Vlnová délka částice je nepřímo úměrnájejí hybnosti.

Částice mají i vlnové vlastnosti (dualismus, QM)

Čím menší strukturu chceme zkoumat, tím potřebujeme větší energii.

http://www-hep2.fzu.cz/adventure/


4


5

Objevy elementObjevy elementáárnrníích ch ččáásticstic

A mnoho dalších! (~300)

Všechny nemohou být elementární

Nelze je nějak roztřídit na nějakéskupiny?

Ruthefordůvexperiment

Zrod QM



6

InterakceInterakce



7


8

TTřříídděěnnííččáásticstic

Dle typu interakce

- leptony (6) (fermiony)

- hadrony (stovky)mezony (bosony)baryony (fermiony)

nukleony (p, n)hyperony

Dle spinu- fermiony – polocelý spin

(Pauliho princip)- bosony – celočíselný spin


Leptony


9

SupermultipletySupermultiplety

Q = T3 + 1/2 * (baryon. č. + podivnost)

s = -1

s = 0

s = +1

s = -1

s = 0

s = -2

s = -1

s = 0

s = -2

s = -3

Izospin T

-1 0 1

½ - ½

B = 0 B = 1


10

KvarkovKvarkovéé slosložženeníí

S00

-1

Pauliho vylučovací princip zakazuje => novékvantové číslo „BARVA“= skrytý parametr


11

Zachovávající se kvant. čísla = „VŮNĚ“



12

„„TTřři rodinyi rodiny““

•ke každé částici hmoty existuje antičástice

• všechnu „běžnou“ hmotu okolo nás tvoří částice z první generace

• kvarky se nevyskytujíjako volné částice, skládajíse z nich hadrony


13

• leptony a kvarky (fermiony se spinem 1/2) jsou základní částice hmoty

• síly zprostředkovávají nosiči - bosony se spinem 1, tyto síly popisují

• elektroslabá teorie (fotony, částice W a Z) -elektromagnetické a slabé interakce

• kvantová chromodynamika (gluony) - silné interakce mezi kvarky

dostal jméno STANDARDNÍ MODEL

ShrnutShrnutíí


14

STANDARDNÍ MODEL

•pomocí malého počtu základních principů, základních stavebních prvků a základních parametrů popisuje svět nejmenších částic

•přes 30 let odolává stále tvrdším experimentálním prověrkám

•nalézá uplatnění i ve fyzice na největších vzdálenostech (astrofyzice)

•„odrazový můstek“ pro novou fyziku


15

Je tedy STANDARDNÍ MODEL dokonalý?

• základní problém: „malý počet“ základních principů a základních parametrů není dost malý• odkud se berou hmotnosti částic? / Higgsova částice • SM nemá co říci ke gravitaci• nestačí na některé další otevřené problémy:

proč jsou právě 3 generacehmotnosti neutrin

proč není ve vesmíru stejně hmoty jako antihmotytemná hmota a energie ve vesmíru

DetekDetekččnníí systsystéémy my elementelementáárnrníím m ččáásticstic


17

ZZáákladnkladníí schschééma detektoruma detektoru


18

Rozpady Z Rozpady Z bosonubosonu

Pomocí magnetického polelze určit náboj a hybnost částice.

p ~ q B r


19

Detektor pro experiment na pevnDetektor pro experiment na pevnéém m terterčči a na vsti a na vstřříícných svazccných svazcííchch

Detektor HERA-B a detektor H1 (DESY, urychlovač HERA, ep, 30MeV/920MeV


20

CERNCERN(Centre (Centre EuropeenEuropeen pourpour RechercheRecherche NucleareNucleare))

- založeno 1954- 20 evropských států- Česká republika od 1993- pět Nobelových cen za fyziku- objev bosonů W a Z- první antiatomy- místo vzniku WWW

http://www.cern.ch


21

LHCLHC((LargeLarge HadronHadron ColliderCollider))

- urychlovač vstřícných svazků- obvod: 27 km- mezi srážkami 25 ns- částice: p+p, Pb+Pb- Emax (p) = 7 TeV- luminosita: 1034 cm-2s-1

- spuštění: 2006

http://lhc-new-homepage.web.cern.ch/lhc-new-homepage/


22



- spuštění: 2006



23



- spuštění: 2007

(40 MHz)

1 eV … energie získaná v el. poli 1V

náboj elektronu …. 1,6 · 10-19 C

energie = náboj · napětí

E = Q U [J] = [C] · [V]

E = 1,6 · 10-19 C · 1 V = 1,6 · 10-19 J

1 eV = 1,6 · 10-19 J

7 TeV = 7 · 1012 TeV = 1,1 · 10-6 J

mprotonu = 1,6 · 10-27 kg

Eklidová = mc2 = 938 MeV

… relativistický pohyb

… rychlost téměř c (>99,99%)

průměr 8,6 km



24

ProPročč se to stavse to stavíí??• hledání Higgse vysvětlení hmotnosti částic

• studium t kvarku

• narušení CP symetrie při procesech s b kvarkem

• struktura „zatím“ elementárních částic

• fyzika za standardním modelem (supersymetrické částice, strunové teorie, …)


25

Experimenty LHCExperimenty LHC

• CMS•ATLAS• LHCb• ALICE

4 detektorov4 detektorovéékomplexykomplexy


26

ATLAS = ATLAS = A A ToroidalToroidal LHC LHC ApparatuSApparatuS- vnitřní detektor

- SCT- TRT

- kalorimetry- elektro-magnetický- hadronový

- mionové komory- magnety

- solenoid- toroid

45 m

22 m

protony

protony

http://atlas.web.cern.ch/Atlas/


27


28

Simulovaný Simulovaný eventevent ATLASuATLASu

Atlantis http://atlantis.web.cern.ch/atlantis/

- JAVA aplikace- zobrazení a analýza naměřených dat


29

ATLAS ATLAS -- celekcelekHadronový Tile kalorimeter

Elektromagnetický kalorimeter

Mionový spektrometrVnitřní detektor (stripy, pixely)

Vinutí toroidu

protony7 TeV

protony7 TeV

Solenoid

44 m

22 m

Celková váha ~ 7000 t


30

VnitVnitřřnníí detektordetektor SCT - pixel, stripy (6 přesných bodů pro určení dráhy částice, primární a sekundární vertex)TRT (36 méně přesných bodů)

• měří hybnost a náboj částice• polohy vertexů• identifikace některých částic• magnetické pole 2 T• nízká teplota (-7°C)

• pokrytá oblast pseudorapidity|η|<2.5 (9o a více)

• nutná radiační odolnost detektorů i vyčítací elektroniky • součást triggeru 2. úrovně

690 cm230 cm


31

VnitVnitřřnníí detektordetektor


32

ID ID eventevent


33

PixelovýPixelový detektordetektor- 3 přesné body- nejblíže k interakci - 140 milionů detektorů- 50 x 300 μm- válcová (barrel) část a dopředné disky


34

Přední a zadní strana křemíkových desek s pixelovými detektory, vyrobenými v podniku Tesla Rožnov. Tesla vyrábí předsérii detektorů.


35

SCTSCT-- stripovstripovéé polovodipolovodiččovovéé detektorydetektory

• 4 přesné body• 2 části

• barrel – 4 válce • end-cap – 9 disků

• 4 000 modulů• 6,2 mil. kanálů• binární informace• celková plocha: 63 m2

• rozteč stripů asi 80 μm (strip 23 μm)• rozlišení 16 x 580 μm


36

Moduly Moduly

• 2 nebo 4 detektory (cca 6 cm x 6 cm x 285 μm)

• hybrid s vyčítací elektronikou• mechanická podpora (spine)• 2 x 768 kanálů (stripů)• rozteč stripů: 80μm (barrel) ,

54–95μm (forward)• rozlišení 16 μm x 580 μm• pootočení 40 mrad

InnerMiddle

shortMiddle

Outer

Barrel

End-cap


37

Stavba moduluStavba modulu


38


39

UmUmííststěěnníí modulumodulu

optickávlákna

chlazení

napájení

chlazení

moduly


40


41

KKřřememííkovkovéé detektorydetektory

•• velmi rychlvelmi rychléé

•• výbornvýbornéé prostorovprostorovéé rozlirozliššeneníí

•• stastaččíí malmaléé energetickenergetickéé ztrztráátyty

•• mmáálo radialo radiaččnněě odolnodolnéé


42

Vznik signVznik signáálulu

- signál z MIPu 25000 e- ≈ 4 fC- 99% akceptance

Vyčítací (readout) elektronikanízký šum - blízko stripůnepřístupnostkomprese datšum < 1500 elektronů, počet šumových hitů 5•10-4

příkon ca 5 W

+ kabely na přenos dat

+ zdroje napětí(LV, HV)

SimulaceSimulace Geant4• geometrie:

• 4 Si detektory• scintilátor• přídavný materiál (folie)

• výsledek:• dráha částice (rozptyl, ...)• energetické ztráty na úsecích ~80μm

Digitalizace v Atheně• simulace sběru náboje:

• není uvažována indukce• zanedbán vliv elektronů

• simulace elektroniky • výsledek:

• mapa hitů• účinnost• šum• průměrná velikost clusterů

• pro vysvětlení rozdílůmezi výsledky z testů na svazku a pomocí zářiče• software původně laděn na výsledky testů na svazku v roce 1999 –nutno ověřit na nových měřeních (2001)


44

TRT TRT • trubičky se speciálním plynem (registrující přechodové záření)

• vnitřní průměr 4 mm, délka 1500 mm• dovolují vysoké četnosti (do 20 MHz)• rozlišení 170 μm• schopnost rozlišení elektronů od ostatních částic

•2 prahy: průlet částice a přechodové záření (největší rychlost)• spojitá registrace částice - min. 36 bodů s přesností 170 μm• pro běžné energie – určí hybnost• pro nejvyšší energie (~TeV) – určí znaménko náboje


45

KalorimetryKalorimetry


46

ElmagElmag. kalorimetr . kalorimetr –– LArLAr• vzorkovací kalorimetr – accordeon• tekutý argon (2,1 mm) / olovo (1,5 mm), struktura medové plástve• 170 000 kanálů• 30 MeV – 3 TeV• kryostat, 89 K


47

BarrelBarrel LArLArcalorimetrcalorimetr


48


49

HadronovýHadronový kalorimetr kalorimetr -- TileTilecalcal• 8.5 m vnější průměr• 12.2 m celková délka• 2900 tun• 10000 vyčítacích kanálů

BarrelEB C EB A

• Hermeticita : η = ±1.7, mrtvá místa v přechodové oblasti• Segmentace: Každý modul pokrývá 0.1 v azimutálním úhlu a je dělen na 73 buněk tvořících projektivní věže s Δη ≈ 0.1.• “Sampling”: 18.1mm perioda podél směru svazku (z) = 14 mm oceli + 3.1 mm scintilátoru + obal scint. ...• Celkové množství materiálu je nutné k pohlcení jetů a stínění mionových detektorů

• Hermeticita : η = ±1.7, mrtvá místa v přechodové oblasti• Segmentace: Každý modul pokrývá 0.1 v azimutálním úhlu a je dělen na 73 buněk tvořících projektivní věže s Δη ≈ 0.1.• “Sampling”: 18.1mm perioda podél směru svazku (z) = 14 mm oceli + 3.1 mm scintilátoru + obal scint. ...• Celkové množství materiálu je nutné k pohlcení jetů a stínění mionových detektorů

z


50

Měření světlaprodukovanéhonabitými částicemive scintilátoru.

fotonásobič (PMT)

Plastický scintilátoruvnitř ocelovéhoabsorbátoru

vlákno (WLS)

Princip Princip TilecaluTilecalu

• all submodules produced• 1/4 OF THE BARREL SUBMODULES HAVE BEEN ASSEMBLED IN PRAGUE

SestavovSestavováánníí tilecaltilecal modulmodulůů I.I.


52

SestavovSestavováánníí TilecalTilecal modulmodulůů II.II.


53

SestavovSestavováánníí TilecaluTilecalu

9 m

Barrel = 1300 tunExt. barrel =700 tun


54


55

20.2.2003 3.3.2003

13.3.2003 23.3.2003


56


57

MionovýMionový spektrometr spektrometr - hliníkové trubky (3 cm), speciální směs plynů- driftové detektory (MDT)- přesnost: 0,1 mm- rychlé proporcionální komory se segmentovanou katodou (cathode strip chambers - SCS)- hlavní součást trigger. systému


58


59

MagnetyMagnety• solenoid – 2 T

• toroid – 7 T (air core)


60

Offline softwareOffline software- simulace vlastností detektorů- vliv změny parametrů na rozlišení detektoru

návrh celé detekčnísoustavy (ATLFAST)- snaha integrovat vše do jednoho prostředí

- zapojení stávajících nástrojů (Geant4, generátory částic)- nutná validace rozhraní

- příprava na zpracovánívlastních dat z experimentu

- stejný datový formát- spolupráce jednotlivých subsystémů

CERN

2Tony Cass

Data and Computation for Physics Analysis

batchphysicsanalysis

batchphysicsanalysis

detector

event summary

datarawdata

eventreconstruction

eventreconstruction

eventsimulation

eventsimulation

interactivephysicsanalysis

analysis objects(extracted by physics topic)

event filter(selection &

reconstruction)

event filter(selection &

reconstruction)

processeddata


61

- OO C++- striktní odlišení dat a algoritmu- přesně definované rozhraníkaždého objektu

- prostředí pro simulaci a analýzu dat ATLASu (offline software)- požadavky: jednoduché použití a vysoká přizpůsobivost (univerzálnost)

modularita- „uživatel“ vloží do předpřipravenéšablony vlastní algoritmus a o připojeníostatních součástí se stará prostředí

ProstProstřřededíí AthenaAthena

http://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/SOFTWARE/OO/architecture/index.html


62

ATHENA II.ATHENA II.- datové objekty po vytvořeníuloženy v StoreGate = implementace TDS (Transient Data Store) pro ATLAS- jakýkoli jiný algoritmus si může zase tento objekt vyzvednout

- není třeba vědět, kým a jak byly data vytvořeny- nezávislost na typu média (dočasná data, trvalá)- nutnost mít objekty nějak označeny – pomocí typu (CLID)

- po uložení je již nelze měnit http://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/SOFTWARE/OO/architecture/index.html


63

ATHENA III.ATHENA III.

- spouštění: - skript v Pythonu- jobOption soubor

- obsahuje seznam algoritmů a nastaveníjejich jednotlivých parametrů

ApplicationMgr vytvoří potřebné služby EventLoopManager inicializuje, provádí a ukončípožadované algoritmy („TopAlgs“) všechny algoritmy musí být potomky třídy Algorithm

http://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/SOFTWARE/OO/architecture/index.html


64

CMT = CMT = a a ConfigurationConfiguration Management Management ToolTool

- open-source systém vytvořený v LAL-Orsay- software rozdělen do „CMT balíčků“- v souboru requirements jsou shromážděnyvšechny informace nutné k překladu a spuštění

- závislosti na ostatních balíčcích- nastavení prostředí, makra

- umožňuje nastavení prostředí- pracovní prostor(y) - nastavení cest

- instalace a spouštění softwaru- TestRelease – bez zásahu do vlastního kodu- lokální instalace vybraných „balíčků“

- správa jednotlivých verzí(Concurrent Versions System – CVS)

- hlavní verze a průběžné verze (nightlies)- označování balíčků pro verze (tagging)

ASK = The Athena Startup Kit- prostředí pro koncové uživatele (fyziky) a pro začátečníky- soubor skriptů- grafické rozhraní


65

Simulace SCT pro CTB Simulace SCT pro CTB

- příklad úplné simulačnísekvence v Atheně

- k přípravě CTB i následné analýze získaných dat

- neustálý vývoj jednotlivých částí

Date post:	12-May-2019
Category:	Documents
Upload:	ngonguyet
View:	214 times
Download:	0 times

Fyzika elementárních částic -...

Documents