Czego już dowiedzieliśmy się dziękikrolikow/FN_2010/Czego juz... · 2010-09-23 · Wielki...

Czego już dowiedzieliśmy się dzięki Wielkiemu Zderzaczowi Hadronów

LHC

Jan Królikowski, Festiwal Nauki, wydz. Fizyki UW 24-25.09.2010

Jan Królikowski

Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego

i

Współpraca Compact Muon Solenoid (CMS) przy LHC

1

Jan Królikowski, Festiwal Nauki, wydz. Fizyki UW 24-

25.09.2010

2

20 krajów członkowskich CERN

Obserwatorzy: UNESCO, UE, Israel, Turcja, USA, Japonia, Rosja

http://www.cern.ch/

Wielki Zderzacz Hadronowy LHC


ATLASALICECMSLHCb

W tunelu LEPW CERNiek/ Genewy-27 km obwodu

Uruchomiony we wrześniu 2008. Uległawarii po 9 dniach. Rozpocznąłponownie pracęw listopadzie2009.

33


Wykorzystano istniejący tunel zderzacza

e+e- LEP o obwodzie ok. 27 km.

Zbudowano pierścień magnesów

nadprzewodzących dipolowych

(~1300) zapewniający zamknięte orbity dla

dwóch przeciwbieżnych wiązek protonów lub

jonów (aż do jonów Pb).

Maksymalna indukcja B w dipolach to 8.4 T

maksymalna energia wiązki p 7 TeV.

System kriogeniczny LHC jest największy na świecie.Magnesy dipolowe pracują w temperaturze nadciekłego helu 1.9 K

4

Zderzacz LHC

4

Wkład zespołów polskich

Polskie zespoły naukowe uczestniczą we wszystkich 4 eksperymentach przy LHC.

Wniosły znaczny wkład (~1% w każdym eksperymencie) aparaturowy w detektory i oprogramowanie.

Aktywnie uczestniczą w zdefiniowaniu i realizacji programów fizycznych, przygotowując analizy danych, uczestnicząc w integracji i kalibracji detektorów i systemów akwizycji oraz zbieraniu danych z LHC i danych kosmicznych.

Jan Królikowski, Festiwal Nauki, wydz. Fizyki UW 24-25.09.2010 5

Plan

1. Fizyka cząstek elementarnych: kwarki, leptony i Model Standardowy

2. LHC- status, świetlność etc.

3. Układy detekcyjne

4. Wyniki: kiedy odkrycia?



Cząstki w Modelu Standardowym

Tego szukamy!

7

Model Standardowy


Model Standardowy

Teoria

Elektrosłaba

Z0/W

LEP/SLC/ TeVatron

Fizyka Zapachu

Fabryki B/ TeVatron

Chromodynamikakwantowa QCD

DIS, TeVatron,

QCD a Ciężkie Jony

Mechanizm Spontanicznego

Łamania Symetrii

Poszukiwania cząstek Higgsa

Bardzo dobrze sprawdzona ~MZ

pQCD dobrze sprawdzona

Niewiele wiadomo

8


Fizyka Oddziaływań

Elementarnych ma

bliski związek z

Kosmologią.

Wielkie energie

odpowiadają bardzo

wczesnym etapom

ewolucji

Wszechświata.

LHC

9

Gdzie jesteśmy na drodze poznania świata subjądrowego?

9

2. Zderzacz LHC

Podstawowe parametry:

• Energia E;

• LHC zaprojektowano na energie 7+7=14 TeV.

• Po awarii magnesów w 2009 dokonano częściowych napraw; reszta zostanie skończona w 2 połowie 2011. Dokonane naprawy umożliwiają bezpieczną pracę z połową energii 7 TeV.

• Świetlność L;

• To wielkość zdefiniowana jako liczba oddziaływań w zderzaczu na jednostkę przekroju czynnego i na sekundę pracy.

• L zależy od liczby i intensywności zderzajacych się paczek oraz ich wymiarów poprzecznych

• Nominalna świetlność LHC ma być 10/nb.s, obecnie wynosi ona 10000 razy mniej- 1/nb.s


Jan Królikowski, Festiwal Nauki, wydz. Fizyki UW 24-

25.09.2010

11

Atom= boisko

piłkarskie

(powiększony 1012

razy)

W tej skali jadro ma ~1 cm.

Rzędy wielkości

W LHC będziemy mogli badaćobiekty 104 razy mniejsze.

Przykład: produkcja parykwark- antykwark przez „fuzję”-zlepienie się dwóch gluonów.Podobnie można myśleć o mechanizmach produkcji np. wzbudzonych kwarków, gdyby takie istniały.

Zderzenia proton- protonto zderzenia układów kwarków


Tylko część energii protonów przekazywana jestprodukowanym cząstkom.

12

Kwarki są uwięzione

Co wprowadza dodatkowe komplikacje.

Przy dużych energiach kwarki i gluony produkują skolimowane strumienie, DŻETY hadronów:


„Nowa Fizyka”

jest rzadka nawet w

LHC


1 barn= 10 -24 cm2= 100 fm2

Przekrój czynny= rozmiary tarczy strzelniczej

1 rok Zderzacza==107 s.

14


Granice świetlności dla zderzaczy

yx

NNfL

21

Granice intensywności

Granice rozmiarów wiązek

+granice energiiGranice mocy RF

N~1011 p,= 20 m, f=40 MHz

LHC: L= 10 / nb.s

15

Całkowita zebrana świetlność CMS

2010

Od kwietnia do wczoraj


3. Układy detekcyjne. Eksperymenty: supermikroskopy


Eksperymenty „ogólnego przeznaczenia”


Eksperymenty dedykowane: ALICE i LHCb

ALICE- zderzenia jonów (jader atomowych) wysokich energii


LHCb- detektor cząstek z kwarkiem b


Detekcja Cząstek w CMS


miony

Tracker: cząstkinaładowane

Kalorymetr EM: Fotony

i elektrony, dżety

Kalorymetr Had:

hadrony , dżety

21


CMS : Compact Muon Solenoid Wkład Warszawy: elektronika systemu wyzwalania na miony

Instalacja detektora

śladowego

200 m2 krzemu

XII. 2007

“masa niezmiennicza”

X

Z

YEY, PY

EZ, PZ

MX

Informacje o parach cząstek są wykorzystywane do badania, czy pochodzą one z rozpadu innej, cięższej cząstki

23Jan Królikowski, Festiwal Nauki, wydz. Fizyki UW 24-25.09.2010

Masa niezmiennicza (cont.)

M5

M3

M2

M6

M1

M4

Wiele różnych kombinacji par cząstek

Można zredukować tą tę liczbę poprzez „cięcia” na innych własnościach torów.

Etc.Nadal pozostaje pewne tło od sztucznych kombinacji.


LHCb


Energie LHC

• 2009: 900 GeV, niewiele danych

• 2010: 2.38 TeV; niewiele danych !

• 2010: 7 TeV, L=ok. 3.5 /nb !

! – najwyższe dostępne energie zderzaczy


Małe świetlności: fizyka MS przy nowych energiach

Do chwili obecnej wykonano wiele pomiarów sygnałów znanej fizyki ale przy najwyższych dostępnych energiach zderzaczy.

Podstawowy cel to testowanie i kalibracja:

• Aparatury detekcyjnej , systemu wyzwalania i systemu zbierania danych.

• Współpracy detektorów ze zderzaczem ( np. kontrola synchronizacji)

• Rozproszonych systemów obliczeniowych rekonstrukcji przypadków i analizy danych (GRID)

Niektóre przykłady podamy poniżej. Okazuje się, że aparatury działają bardzo dobrze, zgodnie z założonymi parametrami.


29

ICHEP 2010 J. Schukraft29

ALICE: High Multiplicity Event

No match for heavy ions, but not too bad for pp (>120 charged tracks in TPC)


Badanie „starych” cząstek przy nowych energiach1940

1950

1960

1970

1980

1990

2000

2010

p0 h0 J/y W±,Z0 TOPquark

Within 3 mins!

p0h0

J/y

Ponownie zaobserwowane w CMS 2009/201030Jan Królikowski, Festiwal Nauki, wydz. Fizyki UW 24-25.09.2010

CMS

31

Early K0s π+π- observed

in Dec 2009, few days after first collisions

Λπ-

π-p

PDG: 1321.32Ξ Λπ

Inner Detector: from early observation of peaks to cascade decays and J/ψ ee

To extract signal from background: 2 EM clusters matched to tracks pT (e± tracks) > 4, 2 GeV track quality, calo shower shapes key handle: large transition radiation in TRT invariant mass from track parameters after

Brem recovery (GSF)Signal : 222 ± 11 eventsBackground : 28 ± 2 events Mass peak : 3.09± 0.01 GeVMass resolution : 0.07 ± 0.01 GeV

78 nb-1

J/ψ e+e-

Momentum scale known to permil in this rangeResolution as expected (dominated by multiple scattering)

ATLAS


32

ALICE/CMS:Multiplicity Distribution

Results:- most of the „stronger increase‟

is in the tail of Nch

- ALICE & CMS still agree perfectly !

Multiplicity Distribution 900 GeV Multiplicity Distribution 7 TeV


ALICECMS

W and Z particles

W+ e-n

Z0 e+e-


34

Two b-jets candidate

CMS: rozpoznawanie (znaczenie) dżetów b


CMS: Kandydat na produkcję pary t- anty t


pp t t

b

b

n

n

35

Galeria procesów BSM


Kiedy odkrycia?

Będą wymagały zebrania statystyki; zależnie od procesu potrzebujemy od 100 do 1000 /pb.

SUSY wymaga najmniej; higgsy znacznie więcej.

Tak więc najwcześniej w połowie 2011


Poszukiwanie higgsówMechanizmy produkcji i rozpadów higgsów:

Cząstki Higgsa sprzęgają się najmocniej do najcięższych cząstek, na które mogą się rozpaść.Np. rozpad

dominuje dla 140 < mH < 2 mW czyli w obszarze mas higgsów 140-180 GeV/c2.

Stąd poszukiwanie higgsów polega na badaniu różnych kanałów rozpadów zależnie od obszaru masy poszukiwanej cząstki.

Ponieważ możliwości detekcji, tło i zdolności rozdzielcze różnych kanałów rozpadu są różne, czułość eksperymentów na odkrycie higgsów zależy od masy higgsów.


WWH

38

Produkcja i rozpad higgsa


Czułość w poszczególnych kanałach zależy od masy higgsów

39

Poszukiwanie higgsa

Jeżeli higgs istnieje i jeżeli ma masę ok. 130 GeV/c2…

Taki sygnał zobaczymy w CMS po 1 roku zbierania danych z maksymalną świetlnością 10/nb.s

Szerokość sygnału jest przede wszystkim efektem aparaturowym. Szerokość higgsa jest zaniedbywalnie mała.

“tło” pochodzące od fałszywych kombinacji dwóch kwantów gamma


m

dN/dm

Użyteczne adresy

www.cern.ch – Główna strona CERN

Cms.cern.ch – Strona publiczna CMS

http://cmsdoc.cern.ch/cmscc/cmstv/cmstv.jsp?channel=1&frames=yes – Telewizja CMS(aktualności CERN, LHC, CMS etc.)

European Masterclasses -http://www.physicsmasterclasses.org/

CERN odpowiedzialny za edukacje: [email protected]

JKr : [email protected]

Warszawska grupa CMS: http://hep.fuw.edu.pl/cms/cms.html


http://www.cern.ch

http://cmsdoc.cern.ch/cmscc/cmstv/cmstv.jsp?channel=1&frames=yes

http://cmsdoc.cern.ch/cmscc/cmstv/cmstv.jsp?channel=1&frames=yes

http://www.physicsmasterclasses.org/

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]

Jak budowano Wielki Zderzacz Hadron�w LHC i co.pptx

Czego już dowiedzieliśmy się dziękikrolikow/FN_2010/Czego juz... · 2010-09-23 · Wielki...

Documents

Transcript of Czego już dowiedzieliśmy się dziękikrolikow/FN_2010/Czego juz... · 2010-09-23 · Wielki...