Большой Адронный Коллайдер - Виртуальная академия физики

Все, что Вы хотели
спросить про
бозон Хиггса...
А.В. Бедняков
ЛТФ ОИЯИ
Питер Хиггс
Предсказал
существование
бозона Хиггса в
1964 году
Прошел не один десяток лет
безуспешных поисков
Механизм Энглерта-Браута-Хиггса-Гуральника-Хагена-Киббла.
Питер Хиггс
Предсказал
существование
бозона Хиггса в
1964 году
4 июля 2012 года
Было объявлено, что бозон Хиггса
наконец-то “пойман”
Обнаружен!
обнаружне
Бозон Хиггса
 Что за «зверь»?
 Зачем нужен?
 Где водиться?
 Какие оставляет
следы?
 Как ловить?
 Чем ловить?
 Поймали...Ну и?
Из чего все состоит?
Кислород
Нейтрон
H 2O
Электрон
Протон
Капля воды
содержит около
1021 молекул H2O
Размер ядра
примерно 10-14 -10-15 м
Водород
10-10 м
Ядрo
Если диаметр протона
был бы 10 см, то размер атома
составил бы 10 км!
Электромагнитное взаимодействие удерживает
ядро и электроны в атоме.
Что там внутри протона?
Кварки и глюоны элементарные
частицы, размеры
которых < 10-19 м.
Бывают трех цветов
Адроны — частицы,
составленные из кварков
и подверженные сильному
взаимодействию.
Сильное взаимодействие удерживает
кварки в протоне
(глюоны «склеивают» кварки вместе).
Стандартная Модель
Описывает
взаимодействия частиц:
• сильное
• слабое (распады)
• электромагнитное
электрослабое
Переносчики взаимодействия
(бозоны)
Частицы материи
(фермионы)
Стандартная Модель
Описывает
взаимодействия частиц:
• сильное
• слабое (распады)
• электромагнитное
электрослабое
Законы сохранения
Симметрии
Характер взаимодействий
Стандартная Модель
Описывает
взаимодействия частиц:
• сильное
• слабое (распады)
• электромагнитное
1961
1964
1973
Были сначала
предсказаны
теоретически!
Стандартная Модель
Описывает
взаимодействия частиц:
• сильное
• слабое (распады)
• электромагнитное
1979
1983
2012
1995
1977
2008
A затем
обнаружены
экспериментально!
Нобелевская премия
за открытие бозона Хиггса?
Квантовая теория поля
Частица = волна
(квант поля)
(Квантовое)Поле
АНАЛОГИЯ
Движение воздуха
в комнате
Звуковые
волны
Исследуя
свойства частиц
мы получаем
информацию
о соответствующем
поле
Квантовая теория поля
Частица = волна
(квант поля)
(Квантовое)Поле
Поле Хиггса
А зачем это поле?
Что в нем особенного?
Исследуя
свойства бозона
Хиггса мы получаем
информацию
о соответствующем
поле
Что за «зверь»?
Зачем нужно поле Хиггса?
Поле Хиггса играет в Стандартной модели
важнейшую роль.
Благодаря ему возникает масса у элементарных частиц.
(так называемый механизм Хиггса)
Симметрия, лежащая в основе Стандартной модели,
предсказывает нулевые массы у частиц
Явно нарушение
симметрии
Неустойчивое
симметричное
состояние
равновесия
Спонтанное
нарушение
симметрии
Устойчивое
несимметричное
состояние
равновесия
Зачем нужно поле Хиггса?
Неустойчивому симметричному состоянию равновесия
соответствует ситуация, когда поле Хиггса (в среднем)
равно нулю.
Ветра нет..
АНАЛОГИЯ
Ветер есть!
Устойчивому НЕсимметричному состоянию равновесия соответствует
ситуация, когда поле Хиггса не равно нулю во всем пространстве.
Механизм возникновения масс
Поле Хиггса
Зачем нужен?
Элементарная частицы
Теперь ей трудно двигаться (ускоряться)
Механизм возникновения масс
Самый тяжелый известный
(элементарный) фермион
топ-кварк
+
=?
Единицы измерения в физикe высоких энергий
1 эВ (электронвольт) — энергия, приобретаемая
электроном при прохождении разности потенциалов
в 1 вольт.
В физике элементарных частиц
обычно используют МэВ'ы (106 эВ),
ГэВ'ы (109 эВ) и даже ТэВ'ы (1012 эВ)
1 эВ = 1,6 ·10-19 Дж
E=mc2
В электронно-лучевой трубке
телевизора электроны
разгоняются до энергий
(всего:) 25 кэВ (1 кЭв = 103 эВ).
Следы хиггса
протон
Хиггс-бозон
фотон
глюон
Топ-кварк
Диаграммы Фейнмана – способ представления возможных
событий в физике высоких энергий. Каждой диаграмме
по определенным правилам (Фейнмана) ставится в соответствие
некоторое выражение, связанное с вероятностью
рассматриваемого события...
Следы хиггса
протон
Хиггс-бозон
глюон
Диаграмма описывает
событие:
Рождение бозона Хиггса при
столкновении двух протонов на
Большом адронном коллайдере.
Топ-кварк
Привет!
фотон
Следы хиггса
протон
Хиггс-бозон
глюон
Диаграмма описывает
событие:
Топ-кварк
Его (очень-очень-очень) короткую
жизнь ~10-22 сек.
Я лечу!
фотон
Следы хиггса
протон
Хиггс-бозон
фотон
глюон
Диаграмма описывает
событие:
Топ-кварк
Это одна из возможных историй
с участием бозона Хиггса!
Распад на два фотона
Ой, 10-22 сек
уже прошло?
Следы хиггса
Зная массу хиггса можно
предсказать:
Как он рождается,
на что,
и как часто
Он будет распадаться!.
При массе 125-126 ГэВ
предпочитает распадаться
(в 55 случаях из 100)
на пару b-кварков
Да, я такой...
23 случая из 10000
3 случая из 100
НО с экспериментальной точки зрения легче обнаружить другие следы..
Следы хиггса
Зная массу хиггса можно
предсказать:
Как,
на что,
и как часто
Он будет распадаться!.
Распад бозона Хигсса
на два электрона (желтые
короткие треки) и два мюона
(оранжевые длинные)
ЧЕРЕЗ два промежуточных Zбозона!
Какие оставляет следы?
Игра «Поймай хиггс»
http://www.sciencemuseum.org.uk/antenna/bigbang/huntforhiggs/index.asp
Распад новых частиц
Адронизация
Рождение новых частиц
<
Исходный протон
Что же “на самом деле” происходит на БАК и
почему так трудно проследить за кварками...
Исходный протон
Следы хиггса
Массы бозона
Хиггса вычисляется
(реконструируется)
из знания энергии
фотонов E1,2 и угла 
E1
E2

Фотоны с
меньшей энергий
не
рассматриваются
Гистограмма показывает сколько событий (Events) с определенным
значеним MH было зарегистрирвано.
http://www.lppp.lancs.ac.uk/higgs/
Бозон Хиггса найден!?
Так событие выглядит на
самом деле
А так выглядят
гистрограммы...
4 июля 2012 года были объявлены результаты поисков бозона Хиггса,
согласно которым был найдена новая частица с массой MH=125 ГэВ.
Бозон Хиггса найден!?
Триумф Стандартной Модели
Но….
Есть еще ряд открытых
вопросов!
Эти вопросы ждут своих ответов...
•
Является ли новая
частица
Март
действительно
2013!
бозоном Хиггса?
•
Почему он такой
легкий?
•
А может быть там
два(три,..) хиггсовских
бозона?
•
Есть ли что-то за
пределами СМ?
Заключение
 Благодаря
работе Большого адронного
коллайдера в 2012 году почти 40-летние
поиски бозона Хиггса увенчались
успехом.
 В настоящий момент НИКАКИХ
существенных отклонений от
предсказаний Стандартной модели не
найдено.
Однако...
 Большинство
теоретиков и
экспериментаторов не верят в то, что
Природа настолько скучна, что ничего,
кроме СМ не существует...
 В связи с этим огромные силы
направлены как на точную проверку СМ,
так и на поиски проявлений так
называемой Новой Физики...
Заключение
Добро пожаловать в физику высоких
энергий!
Спасибо за внимание!
Дополнительная информация
(отличная
подборка информации, составленная И.
Ивановым)
/
 www.cern.ch/LHC
(официальный сайт LHC)
 http://teachers.jinr.ru/
 www.elementy.ru/LHC
(виртуальная академия физики высоких энергий)
 LHSee
@ GooglePlay
Приложения
Границы применимости
Стандартной модели?
Чем больше отличается от 1,
тем сильнее отличие от СМ.
Границы применимости
Стандартной модели?
Ограничения,
связанные с
массой бозона Хиггса*
Самодействие
становится
слишком большим
при энергиях
порядка Λ
Нестабильность вакуума
Благодаря взаимодействию с
виртуальными топ кварками
самодействие становится
слишком маленьким
*Благодаря механизму Хиггса, масса связана с силой самодействия поля Хиггса
Большой адронный коллайдер
 Комплекс
ускорителей, способный
разогнать протоны до энергий 7 ТэВ
Энергия насекомого весом 60 мг,
летящего со скоростью 20 см/c!
В БАК протоны летят в виде сгустков,
содержащих около 1.1· 1011 частиц
Энергия сгустка сравнима с
кинетической энергией мотоцикла
весом 150 кг, летящего по дороге
со скоростью 150 км/ч!
Большой адронный коллайдер
 Циклический
ускоритель на встречных
пучках
d = 7.5 м
Магнитное поле держит
пучок на орбите
Электрическое поле
разгоняет частицы
http://microcosm.web.cern.ch/microcosm/LHCGame/LHCGame.html
Большой адронный коллайдер
Энергия, выделяемая при лобовом столкновения двух пучков
с энергией Eпучок, равна сумме энергий пучков E = 2 Eпучок .
При столкновении пучка с неподвижной мишенью нам
доступны меньшие энергии.
Энергия, выделяемая при столкновении
идет на рождение новых частиц!
Почему коллайдер?
Большой адронный коллайдер
Хотя в пучке около 3000 сгустков, а в сгустке около 100 миллиардов
протонов, столкновения между ними также маловероятны,
как и попадание одной иголки в другую с расстояния 10 км.
Лишь 20 частиц из 200 миллиардов столкнутся!
Столкновение событие.
Что именно произойдет при столкновении - никто не знает!
Однако, проследив за большим количеством событий,
мы обнаружим, что некоторые события возникают чаще других.
Задача физика-теоретика — предсказать вероятность (частоту)
возникновения того или иного события.
Детекторы

При столкновениях
протонов рождаются
новые частицы. Чтобы
понять, что именно
произошло, необходимо
проследить за ними и
измерить их энергию и
импульс.

Этим занимаются
различные детекторы
Чем
ловить?
Детекторы
Трекеры — следят за траекторией частицы,
стараясь ee не беспокоить
Калориметры — измеряют энергию, полностью
останавливая частицу.
Интрига в том, что не
все частицы
оставляют след
в детекторе!
Кроме того, частицы могут
распадаться!
Восстановление события
похоже на детективное
расследование!
Схема БАК
Четыре основных эксперимента
Четыре детектора
Два специализированных
ALICE
LHCb
Два детектора общего назначения
ATLAS
Столкновения тяжелых
ионов
Нарушение
симметрии
между материей
и антиматерией
CMS
ATLAS
Длина 46 м
Диаметр 25 м
Вес 7000 т
CMS
Длина 22 м
Диаметр 15 м
Вес 12000 т
Зачем еще нужен БАК?




Новая симметрия (суперсимметрия)?
Дополнительные пространственные
измерения?
Кварк-глюонная плазма?
...
Зачем нужен БАК физикам?

Найти новую симметрию природы —
суперсимметрию!
Частицы СМ
Объединение взаимодействий
при высоких энергиях!
Решение проблемы нехватки
массы во Вселенной —
легчайший суперпартнер!
Суперпартнеры
Удивительная связь между «макро» и «микромиром».
Зачем нужен БАК физикам?

Дополнительные измерения?
Что нового хотим найти?

Исследовать новое состояние вещества — кваркглюонную плазму, возникающую при столкновении
сильно разогнанных ядер свинца.

Согласно модели Большого Взрыва в таком
состоянии было вещество через 10-25 секунды
после Большого Взрыва.
Газ адронов
Газ кварков
БАК и «народное хозяйство»
 Сооружение
БАК потребовало
совершенно новых технологических
решений (изготовление магнитов,
фокусировка пучка, криогенная техника).
 Необходимость хранения и обработки
огромного объема информации (100 000
DVD в год) привело к разработке новых
информационных технологий (ГРИД)