Проблемы современной физики элементарных частиц при высоких энергиях и исследования на Большом адронном коллайдере

1. Проблемы современной физики элементарных частиц при высоких энергиях и исследования на Большом адронном коллайдере (Конференция «Молодые ученые России», Москва, 10 апреля 2009 г.) И.П.Лохтин 1. Введение в физику высоких энергий (основные определения). 2. Стандартная модель физики элементарных частиц. 3. Направления выхода за рамки стандартной модели. 4. Большой адронный коллайдер (БАК). 5. Физическая программа исследований и эксперименты на БАК.

2. Два названия для предмета исследования “Физика высоких энергий”:метод • Ускорители • Детекторы “Физика элементарных частиц”: изучаемые объекты Квантово-механический принцип неопределенности (Heisenberg): иллюстрирует связь высоких энергий и малых пространственных масштабов (энергия взаимодействия обратно пропорционально расстоянию между частицами) Фундаментальные частицы: Лептоны и кварки Составные частицы: Адроны(состоят из кварков)

3. Единица энергии: электрон-Вольт (эВ) e V 1 В Электрон e получает энергию 1 эВ при прохождении между пластинами под напряжением 1 Вольт

4. Эквивалентность энергии и массы (Einstein): Объясняет использование единицы массы: МэВ/c2 (единица импульса: МэВ/c) Массарелятивистской частицы (с=1): Инвариантная масса системы N частиц (с=1): При распаде частицы массы Mна Nчастиц:MN(inv)=M (следствие законов сохранения энергии и импульса)

5. Основные приставки к единицам измерений В физике высоких энергий обычно приставки с фактором 10+ относятся к энергиям, импульсам и массам частиц, а с фактором 10- - к пространственно-временным характеристикам элементарных реакций, а также к сечениям реакций (характеристика вероятности процесса размерности площади, 1 барн = 10-24 см2 отношение числа взаимодействий в единицу времени к плотности потока частиц, падающих на мишень, dσ=dN/j).

6. Известно четыре типа фундаментальных взаимодействий: сильное (ядерное), электромагнитное, слабое и гравитационное

7. Exchange forces Exchange forces Electromagnetism The strength of the force  «виртуальный фотон» В импульсном пространстве : :

8. Exchange forces Exchange forces Strong interactions g (Q2) В импульсном пространстве: «виртуальный глюон»

9. Exchange forces Exchange forces Weak force Z (Q2) В импульсном пространстве: «виртуальный Z бозон» Mz= 91 GeV/c2

10. Exchange forces Gravitational force  G (Q2)  «виртуальный гравитон» В импульсном пространстве:

11. Стандартная Модель(СМ) физики элементарных частиц СМ господствует вфизике элементарных частиц с1973 года. Описывает всю совокупность экспериментальных данных. СМ содержит более 20определяемых из опыта параметровине включаетв себя гравитацию.. Модель предполагает существование нескольких фундаментальных фермионов, то есть частиц со спином 1/2. Они разделены на 2 группы – лептоны и кварки. Каждая из групп состоит из 3-х поколений или семейств, далее по знаку электрического заряда частицы можно разделить на верхние и нижние члены семейств. В итоге мы имеем 12 фундаментальных фермионов: 6 лептонов и 6 кварков. Взаимодействие между частицами осуществляется путем обмена так называемыми промежуточными бозонами – частицами с целым спином (0, 1, 2) . Каждый бозон представляет какое-либо фундаментальное взаимодействие. Стандартная Модель включает описание сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий. Сильное взаимодействие описывается квантовой хромодинамикой (КХД), промежуточные бозоны, являющиеся переносчиками сильного взаимодействия, называются глюонами. Для описания структуры адронов используется кварковая модель. Слабое и электромагнитное взаимодействия описываются теорией электрослабого взаимодействия, основой которой является квантовая электродинамика (КЭД). Слабое взаимодействие осуществляется посредством обмена W- и Z0-бозонами. Электромагнитное взаимодействие осуществляется посредством обмена фотонами.

12. Стандартная модель как периодическая таблица Менделеева в мире элементарных частиц

13. Основные ускорители

14. Стандартная модель взаимодействий элементарных частиц (СМ) прекрасно согласуется с экспериментом («апофеоз»: открытие Z0и W± в 1983 г. в ЦЕРН на SPS)

15. Подтверждение зависимости “бегущей константы” сильных взаимодействий от переданного импульса и ее измерение на масштабе массы Z-бозона

16. Самая тяжелая из существующих частиц (Top quark) был открыт в Fermilab в 1995 году коллаборациями CDF иD0

17. Топ-кварк чуть легче ядра золота, но точечная элементарная частица до 10-17 см

18. Бозон Хиггса Единственная не открытая частица СМ (основная задача экспериментов на LHC) Природа механизма спонтанного нарушения электрослабой калибровочной инвариантности: Объяснение существования масс у W- и Z0-бозонов требует введения в теорию скалярных полей с неинвариантным относительно калибровочных преобразований основным состоянием – вакуумом Следствие этого - возникновение новой скалярной частицы – бозона Хиггса M(H) > 114 GeV из прямых поисков на LEP II M(H) < 160 GeV из фита прецизионных измерений на LEP и Tevatron (в рамках СМ)

19. Открытые вопросы стандартной модели • Массы переносчиков взаимодействий (почему Z и W массивны, а фотон — нет?) • Масса Хиггс-бозона (как ее измерить?) • Числа поколений фермионов (почему поколений именно 3?) • Происхождение масс кварков и лептонов (соотношение лептонов и кварков?). • Элементарность кварков и лептонов (структура кварков и лептонов?) • Проблема иерархии энергетических маштабов взаимодействий: Λ(КХД)~0.2 ГэВ << M(Z,W)~102 ГэВ << M(GUT)~1016 ГэВ << M(Планка) ~ 1019 ГэВ • Природа квантовых чисел (электрические, барионные и лептонные заряды?) • СМ не включает гравитацию (дополнительные измерения пространства-времени?) • CPT-симметрия (возможно ли нарушение CPT-инвариантности?) • Существование новых симметрий в природе (суперсимметрия?) • Природа конфайнмента в КХД (кварк-глюонная плазма?) • Масса нейтрино (почему она так мала? нейтринные осцилляции?) • Стабильность материи (распад протона?) • Нарушение барионной симметрии (почему Вселенная состоит из материи, а не антиматерии?) • Темная энергия и темная материя (новые стабильные частицы?) • ……………

20. Направления выхода за рамки Стандартной модели • Суперсимметрия • Дополнительные измерения пространства-времени • “Великое” объединение взаимодействий • Новая внутренняя структурачастиц СМ (technicolor, little Higgs,…) • Суперструны, мембраны ………

21. Суперсимметрия фермионным степеням свободы ставит в соответствие бозонные степени свободы и наоборот

22. SUSY отвечает на большинство открытых вопросов СМ • Содержит объединение сильного и электрослабого взаимодействия (локальная теория SUSY может включать также гравитацию – связь со струнной теорией). • Решает проблему иерархии энергетических маштабов. • Предсказывает значение ряда параметров СМ. • Предсказывает время жизни протона (квазистабилен). • Объясняет квантование электрического заряда. • Объясняет малость массы нейтрино. • Объясняет несимметрию материя-антиматерия (CP нарушение). • Соотносит массу кварков и лептонов. • «Темная материя» может состоять из легких SUSY частиц.

23. Сигналы рождения SUSY частиц Пара глюино → струи + лептоны + missing ET Пара скварков → 3 лептона + missing ET

24. Альтернатива суперсимметрии: модели с дополнительными измерениям(Large Extra Dimensions – LXD)d =1, 2,…, 6, 7 ? Основная мотивация: проблема иерархии (слабость гравитации). Решение: гравитация сильна в дополнительных пространственных измерениях, а слаба только в нашем (3+1)-размерном мире (бране), т.к. является остаточной (наведенной) от более фундаментального гравитационного многомерного взаимодействия. Поля СМ могут быть локализованы на «тонкой» доменной стенке (бране) в многомерном пространстве (В.А.Рубаков, М.Е.Шапошников, 1983) • Эффективные современные теории с LXDs: • Arkani-Hamed, Dimopoulos & Dvali (ADD, 1998) • Randall & Sundrum (RS, 1999) • Universal Extra Dimensions (UXD) • Warped …

25. Популярные сценарии моделей с дополнительными измерениями в плоской и экспоненциально спадающей метрике ADD сценарийс плоским n-мерным пространcтвом (одна брана без натяжения и 2-6 компактных Extra Dim n=5-9) RS сценарий c двумя бранами (1 Extra Dim), масштаб действия полей СМ при их помещении с 5-мерной браны на «видимую» брану падает от MP до ТэВ экспоненциально MP2 = MD(2+n) Vn MP2 = MD3 (e2kR-1)/k Процессы с кажущимся нарушением закона сохранения энергии-импульса Процессы с рождением спектрамассивных резонансов спина 2 Вся обычная материя (кварки, лептоны, калибровочные бозоны, Хиггс-бозон) локализована на бране, только гравитоны (и, возможно, какие-то другие, пока неизвестные экзотические частицы) могут «путешествовать» по дополнительным измерениям.

26. Деконфаймент и кварк-глюонная плазма • Что, если мы сожмем или нагреем среду так, что адроны начнут перекрываться? Расчеты КХД на решетках предсказывают, что еслисистема адронов достигнет высокой плотности и/или температуры, то произойдет фазовый переход в состояние деконфаймента. В новой фазе, называемой кварк-глюонной плазмой (КГП), кварки и глюоны больше не удерживаются внутри индивидуальных адронов, они начинают свободно передвигаться внутри большого объема.

27. Иллюстрация достижения деконфайнмента • КХД-материя • нагревание • сжатие деконфайнменти формирование КГП! Ядернаяматерия (конфайнмент) Адроннаяматерия (конфайнмент) Кварк-глюонная плазма (деконфайнмент) !

28. В релятивистских соударениях тяжелых ионов возможно формирование сверхплотного состояния КХД-материи в квазимакроскопических объемах (по сравнению с характерными адронными маштабами). Поиск и изучение свойств КГП в релятивистских соударениях ионов КГП (гидродинамика) адронная стадия и “вымораживание” начальное состояние предравновесная стадия адронизация «Жесткие» тесты(pT,M>>ΛQCD=200 МэВ) • спектры частиц с большими поперечными импульсами pT и их угловые корреляции; • адронные струи; • кварконии; • тяжелые кварки. «Мягкие» тесты (pT~ΛQCD=200 МэВ) • спектры частиц с малыми поперечными импульсами pTи их импульсные корреляции; • потоковые эффекты; • тепловые фотоны и дилептоны; • выход странных частиц.

30. Large Hadron Collider A «Why» Machine

31. На LHC будет возможность детально изучить процессы на ранних стадиях Вселенной

32. Женева (Швейцария)‏

33. Окончательная реализация История проекта LHC Первоначальная идея Из статьи в журнале “CERN Courier”

34. Наладка магнитов в 27 километровом тоннеле LHC

35. Параметры протонного пучка Скорость протона в кольце: v = 0,99999998 c; Энергия протона в пучке = 7 ТэВ10-6Дж,что соответствует кинетической энергии летящего комара. Полная энергия, содержащаяся в кольце LHC: 2808 bunches  1011протонов/bunch  7 ТэВ/протон = 360 MДж Она соответствует кинетичес- кой энергии авианосца «Адмирал Кузнецов», двигающегося со ско- ростью 8 узлов!

36. Основное кольцо (более 1700 сверхпроводящих магнитов) и детекторы LHC на глубине от 50 до 175 м. Энергия столкновений и светимость коллайдера: 10-14 ТэВ для соударений pp (максимальная светимость L=1034см-2с-1) 4-5.5 ТэВ для соударений PbPb (максимальной светимости L=1027см-2с-1)‏ 10 сентября 2008 года первые пучки протонов энергии 900 ГэВ были пропущены по кольцу. Первые pp соударенияпри 10 ТэВ запланированы на сентябрь 2009 года.

37. http://lhc-first-beam.web.cern.ch/lhc-first-beam/Welcome.htmlhttp://lhc-first-beam.web.cern.ch/lhc-first-beam/Welcome.html “A historic moment in the CERN Control Centre: the beam was successfully steered around the accelerator.”

38. Большинство протонов из сгустка проходят точки пересечения пучков без взаимодействия и свободно циркулируют по двум каналам кольца много часов. Периодически проходит «очистка» каналов и их обновление путем инжектирования новых «сгустков»

39. Основные физические задачи экспериментов на LHC ATLASи CMS: поиск бозона Хиггса, физики вне рамок СМ (суперсимметрия? дополнительные размерности? абсолютно новые взаимодействия и/или законы природы?), изучение свойств тяжелых кварков (b и t). LHCb: изучение свойств b-кварка и нарушения комбинированной пространственной и зарядовой четности (CP-нарушение) в b-секторе. ALICE: исследование свойств ядерной материи в режимах экстремально высоких плотностей энергии и температур (поиск и изучение свойств кварк-глюонной плазмы).

40. Ожидаемая статистика для некоторых каналов рождения на LHC при светимости L=2x1033см-2с-1 (1 год = 20 фб-1)‏и √s=14 ТэВ Процесс Событий/сек Событий/год W→eν 40 4x108 Z→ee 4 4x107 t-tbar 1.6 1.6x107 b-bbar 106 1013 gluiono pairs (m=1 TeV)‏ 0.002 2x104 Higgs (m=120 GeV)‏ 0.008 8x105 Higgs (m=800 GeV) 0.001 104 QCD jets (pT>200 GeV)‏ 102 109

41. Реконструкция бозона Хиггса на LHC HZZ4

42. Реконструкция SUSY частиц на LHC

43. Реконструкция ExtraDimчастиц на LHC Z’  e+e-, M=4 TeV/c2 G e+e-, M=1.5 TeV/c2

44. CMS Detector • Silicon Tracker || < 2.4 • Electromagnetic Calorimeter || < 3.0 • Hadron Calorimeter barrel and endcap || < 3.0 with HF-calorimeter up to || < 5.2 • Muon Chambers || < 2.4 + CASTOR detector 5.3 < || < 6.4 + Zero-degree calorimeter + TOTEM Magnetic field: 4 Tesla 44

45. ATLAS detector MDT: Monitored drift tubes (barrel and endcaps)‏ CSC: Cathode strip chambers (endcaps)‏ RPC: Resistive Plates Chambers (barrel trigger)‏ TGP: Thin Gap Chambers (endcaps and barrel trigger)‏ 45 Magnetic field: 2 Tesla

46. ATLAS CMS Вес (тонн)‏ 7000 12500 Диаметр (м)‏ 22 15 Длина (м)‏ 46 20 Магнитное поле (Т)‏ 2 4 Аксептанс (Δη x Δφ)‏ 2π x 5.0 2π x 5.0 Стоимость (M CHF) 550 550 ATLAS & CMS H  ZZ 4требует высокоточного измерения импульсов (<10% при p~1 ТэВ/с) Δp/p~1/(BL2)  два решения:BL2(CMS)~ BL2(ATLAS)~36 Т м2 а) очень большое магнитное поле B и компактная кривизна траектории L (CMS) б) среднее магнитное поле B и большая кривизна траектории L (ATLAS)

47. Длина: 20 м.Диаметр: 10 м.Вес: 2000 т LHCb – передний одноплечевой спектрометр Черенковские счетчики: идентификация частиц, разделение K и - мезонов Мюонные камеры VELO: первичная и вторичная вершины, прицельные параметры 1.9< η <4.9 Область pp -взаимодействия Трековые плоскости для измерения импульсов заряженных частиц. Калориметры разделение e,, 0 ~1 cm B

48. ALICE Magnetic field: 0.5 Tesla • ALICE channels: • electronic (||<0.9) • muonic (2.5<<4.0)‏ • hadronic (||<0.9)‏ • ALICE coverage: • extends to low-pT region • central and forward rapidity regions • Precise vertexing Time Of Flight (TOF)‏ Muon Arm Transition Radiation Detector (TRD)‏ Time Projection Chamber (TPC)‏ Inner Tracking System (ITS)‏ 48

49. Развитие новых компьютерных технологий для обработки данных LEP (WWW) Вконце 80-х годов в ЦЕРНе был изобретена компьютерная среда World-Wide Web (WWW) и первый веб-браузер (как “побочный продукт” исследований на LEP). Компьютер – первый веб-сервер хранится в музее Microcosm в ЦЕРНе. Дирекция ЦЕРН в свое время отреагировала на перспективы изобретения WWW со сдержанным оптимизмом: «Looks vague, but exciting» («Выглядит не до конца ясным, но возбуждающим»). 49

50. Развитие новых компьютерных технологий для обработки данных LHC (GRID) GRID – среда распределенных вычислений, позволяющая объединить усилия компьютерных ресурсов мировых научных центров для проведения анализа огромного объема данных и интенсивных вычислений. НИИЯФ МГУ – региональный компьютерный центр для анализа данных LHC (“Tier-2” center). 50