2 с -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.
1
Два названия для предмета исследования
“Физика высоких энергий”: метод
•Ускорители
•Детекторы
“Физика элементарных частиц”:
изучаемые объекты
Квантово-механический принцип неопределенности (Heisenberg):
xE 
c
2
иллюстрирует связь высоких энергий и малых пространственных масштабов
(энергия взаимодействия обратно пропорционально расстоянию между частицами)
Фундаментальные частицы: Лептоны и кварки
2
Составные частицы:
Адроны (состоят из кварков)
Единица энергии: электрон-Вольт (эВ)
e
V
1В
Электрон e получает энергию 1 эВ при прохождении
между пластинами под напряжением 1 Вольт
3
Эквивалентность энергии и массы (Einstein):
E  mc
2
Объясняет использование единицы массы: МэВ/c2
(единица импульса: МэВ/c)
Масса релятивистской
частицы (с=1):
Инвариантная масса
системы N частиц (с=1):
m E p
2
2
 2
MN (inv )   Ei  ( pi )
N
N
2
i 1
i 1
При распаде частицы массы M на N частиц: MN(inv)=M
(следствие законов сохранения энергии и импульса)
4
Основные приставки к единицам измерений
Имя
фемто
Символ
Фактор
фм (f)
10-15
пико
п (p)
10-12
нано
н (n)
10-9
микро
мк (μ)
10-6
милли
м (m)
10-3
кило
к (k)
103
Мега
М (M)
106
Гига
Г (G)
109
Терра
Т (T)
1012
В физике высоких энергий обычно приставки с фактором 10+ относятся к
энергиям, импульсам и массам частиц, а с фактором 10- - к пространственновременным 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
5
плотности потока частиц, падающих на мишень, dσ=dN/j).
Известно четыре типа фундаментальных
взаимодействий: сильное (ядерное),
электромагнитное, слабое и гравитационное
6
Exchange
Exchange forces
forces
e
Electromagnetism
Vem (r ) 

The strength
of the force

e1 e2 1
4 r

Nucleus
В импульсном пространстве
:
:
Vem (q)   Vem (r )e

 iqr
 
d r~ 2,
q
3
«виртуальный фотон»
Q 2  q 2
  1 / 137
7
Exchange
Exchange forces
forces
q
Strong interactions
 st
Vstrong ( r ) 
g s2 1
4 r
g(Q2)
 st
q
В импульсном пространстве :
Vst (q)   Vst (r )e

 iqr
  st
d r~ 2
q
3
Q 2  q 2
«виртуальный глюон»
8
Exchange
Exchange forces
forces
e
Weak force
Vweak (r ) 
g1 g2 1
4 r

e M Z r
Z (Q2)
q
В импульсном пространстве :
V w ( q )   V w (r )e

 iq r
«виртуальный Z бозон»

d r~
3
w
q 2  M Z2
GF 
1
M Z2
Mz= 91 GeV/c9 2
Exchange forces
m1

Gravitational force
G (Q2)
Vgravity (r )  G
m1 m2
N
r

m2
В импульсном пространстве :
Vgr (q)   Vgr (r )e

 iqr
«виртуальный гравитон»

m1m21
d r ~ GN
q2
3
10
Стандартная Модель(СМ) физики элементарных частиц
СМ господствует в физике элементарных частиц с 1973 года. Описывает всю
совокупность экспериментальных данных. СМ содержит более 20 определяемых
из опыта параметров и не включает в 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
11
посредством обмена фотонами.
Стандартная модель как периодическая таблица Менделеева в мире
элементарных частиц
12
Основные ускорители
13
Стандартная модель взаимодействий элементарных
частиц (СМ) прекрасно согласуется с экспериментом
(«апофеоз»: открытие Z0 и W± в 1983 г. в ЦЕРН на SPS)
14
Подтверждение зависимости “бегущей константы”
сильных взаимодействий от переданного импульса и
ее измерение на масштабе массы Z-бозона
15
Самая тяжелая из существующих частиц (Top quark) был открыт в
Fermilab в 1995 году коллаборациями CDF иD0
16
Топ-кварк чуть легче ядра золота, но точечная
элементарная частица до 10-17 см
17
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)
18
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?)
•
……………
19
Направления выхода за рамки
Стандартной модели
• Суперсимметрия
• Дополнительные измерения пространства-времени
• “Великое” объединение взаимодействий
• Новая внутренняя структура частиц СМ (technicolor,
little Higgs,…)
• Суперструны, мембраны ………
20
Суперсимметрия фермионным степеням свободы ставит в
соответствие бозонные степени свободы и наоборот
21
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.
22
Сигналы рождения SUSY частиц
Пара глюино →
струи + лептоны + missing ET
Пара скварков →
3 лептона + missing ET
23
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 …
24
Популярные сценарии моделей с
дополнительными измерениями в плоской и
экспоненциально спадающей метрике
ADD сценарий с 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
Процессы с кажущимся нарушением
закона сохранения энергии-импульса
MP2 = MD3 (e2kR-1)/k
Процессы с рождением спектра
массивных резонансов спина 2
Вся обычная материя (кварки, лептоны, калибровочные бозоны, Хиггс-бозон) локализована
25
на бране, только гравитоны (и, возможно, какие-то другие, пока неизвестные экзотические
частицы) могут «путешествовать» по дополнительным измерениям.
Деконфаймент и кварк-глюонная плазма
• Что, если мы сожмем или нагреем среду так, что адроны начнут
перекрываться?
Расчеты
КХД
на
решетках
предсказывают, что если система
адронов достигнет высокой плотности
и/или температуры, то произойдет
фазовый
переход
в
состояние
деконфаймента.
В новой фазе, называемой кваркглюонной плазмой (КГП), кварки и
глюоны больше не удерживаются
внутри индивидуальных адронов, они
начинают свободно передвигаться
внутри большого объема.
26
Иллюстрация достижения деконфайнмента
КХД-материя
• нагревание
• сжатие
 деконфайнмент и
формирование КГП!
Ядерная материя
Адронная
материя
Кварк-глюонная
плазма
(конфайнмент)
(конфайнмент) !
(деконфайнмент)
27
Поиск и изучение свойств КГП в
релятивистских соударениях ионов
В релятивистских соударениях тяжелых ионов возможно формирование
сверхплотного состояния КХД-материи в квазимакроскопических
объемах (по сравнению с характерными адронными маштабами).
начальное состояние
КГП
(гидродинамика)
предравновесная
стадия
«Мягкие» тесты (pT~ΛQCD=200 МэВ)

спектры частиц с малыми
поперечными импульсами pT и
их импульсные корреляции;

потоковые эффекты;

тепловые фотоны и дилептоны;

выход странных частиц.
адронная стадия и
“вымораживание”
адронизация
«Жесткие» тесты (pT,M>>ΛQCD=200 МэВ)

спектры частиц с большими
поперечными импульсами pT и
их угловые корреляции;

адронные струи;

кварконии;
28

тяжелые кварки.
29
Large Hadron Collider
A «Why» Machine
30
На LHC будет возможность детально изучить процессы
на ранних стадиях Вселенной
31
Женева (Швейцария)
32
История проекта LHC
Первоначальная идея
Окончательная реализация
Из статьи в журнале “CERN Courier”
33
Наладка магнитов в 27 километровом тоннеле LHC
34
Параметры протонного пучка
Скорость протона в кольце: v = 0,99999998 c;
Энергия протона в пучке = 7 ТэВ 10-6 Дж, что
соответствует кинетической
энергии летящего комара.
Полная энергия, содержащаяся в кольце LHC:
2808 bunches  1011 протонов/bunch  7 ТэВ/протон = 360 MДж
Она соответствует кинетической энергии авианосца «Адмирал
Кузнецов», двигающегося со скоростью 8 узлов!
35
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 соударения при 10 ТэВ запланированы
на сентябрь 2009 года.
36
http://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.”
37
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»
38
Основные физические задачи
экспериментов на LHC
ATLAS и 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 кваркглюонной плазмы).
39
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
Z→ee
t-tbar
40
4
1.6
4x108
4x107
1.6x107
b-bbar
106
1013
gluiono pairs (m=1 TeV)
Higgs (m=120 GeV)
0.002
0.008
2x104
8x105
Higgs (m=800 GeV)
0.001
104
QCD jets (pT>200 GeV)
102
109
40
Реконструкция бозона Хиггса на LHC
HZZ4
41
Реконструкция SUSY частиц на LHC
42
Реконструкция ExtraDim частиц на LHC
Z’  e+e-, M=4 TeV/c2
G e+e-, M=1.5 TeV/c2
43
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
Magnetic field: 4 Tesla
+ CASTOR detector
5.3 < || < 6.4
+ Zero-degree calorimeter
+ TOTEM
44
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)
Magnetic field: 2 Tesla
45
ATLAS & CMS
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
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)
46
б) среднее магнитное поле B и большая кривизна траектории L (ATLAS)
LHCb – передний одноплечевой спектрометр Длина:
VELO: первичная
и вторичная
вершины,
прицельные
параметры
Черенковские счетчики:
идентификация частиц,
разделение K и  - мезонов
20 м.
Диаметр: 10 м.
Вес:
2000 т
Мюонные камеры
1.9< η <4.9
Область pp взаимодействия
~1 cm
B
Трековые плоскости для
измерения импульсов
заряженных частиц.
Калориметры
разделение e,, 0
47
ALICE
• ALICE channels:
 electronic (||<0.9)
 muonic (2.5<<4.0)
 hadronic (||<0.9)
Magnetic field: 0.5 Tesla
Time Of Flight (TOF)
Transition Radiation Detector (TRD)
• ALICE coverage:
 extends to low-pT region
 central and forward
rapidity regions
Muon Arm
• Precise vertexing
Time Projection Chamber (TPC)
Inner Tracking System (ITS)
48
Развитие новых компьютерных технологий
для обработки данных LEP (WWW)
В конце 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»
49
(«Выглядит не до конца ясным, но возбуждающим»).
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 50
компьютерный центр для анализа данных LHC (“Tier-2” center).
Дополнительные
слайды
51
Массы наиболее часто используемых частиц
(округленные значения):
Частица
Масса (МэВ/c2)
электрон, e
0.5
мюон, μ
106
пион, π
140
протон, p
938.3
нейтрон, n
939.6
52
Со времен древнегреческих философов люди
пытаются проникнуть в глубины устройства материи
53
Неускорительные методы изучения процессов
взаимодействия при высоких энергиях
54
Параметры действующих коллайдеров: ep, pp, ppbar
HERA
(DESY)
Соударяющиеся
частицы
Максимальная
энергия пучка, ТэВ
Светимость
(1033см-2с-11)
Длина окружности, км
ep
SPS
(CERN)
Tevatron
(Fermilab)
LHC
(CERN)
p-pbar
p-pbar
pp
e: 0.030
p: 0.920
0.315
1.0
7.0
14
6
210
104
6.336
6.911
6.28
26.659
Светимость ускорителя L – количество соударений за единицу времени на единицу
площади. Тогда количество событий Ni определенного типа i (с сечением σi и
эффективностью регистрации εi) за время T равно:
Ni=L x σi x εi x T
L x T – интегральная светимоcть за определенное время работы
(размерность в обратных см-2, либо барн-1).
55
Основные параметры плотной КХД-материи
в центральных соударениях Pb+Pb/Au+Au
SPS (CERN)  RHIC (BNL)  LHC (CERN)
56
Основные результаты по соударениям тяжелых
ионов на RHIC
Измеренная множественность частиц
указывает на
возможность достижения плотности энергии (связанной с
формированием «горячей» КХД-среды на начальной стадии
столкновения), значительно превышающей плотность энергии
«холодной» ядерной материи.
Измеренный эллиптический поток частиц (азимутальная
анизотропия) согласуется с формированием (квази)идеальной
адронной жидкости (ранняя термализация и малая вязкость).
Измеренная степень подавления выхода адронов с большими
поперечными импульсами по сравнению с линейной
суперпозицией нуклон-нуклонных соударений («гашение
струй») указывает на образование очень плотной среды,
поглощающей высокоэнергичные кварки и глюоны.
КХД-среда, образованная на LHC, может отличаться по
свойствам
от
среды,
образованной
на
RHIC
(слабовзаимодействующая кварк-глюонная плазма? идеальная
или вязкая кварк-глюонная жидкость? идеальный или
неравновесный партонный газ?...)
57
Кафетерий Центра европейских ядерных исследований (ЦЕРН) –
излюбленное место для научных дискуссий
58
Control room
59
В настоящий момент НИИЯФ МГУ участвует в трех экспериментах на LHC:
ATLAS, CMS и LHC-B
(1 - разработка детекторов, 2- создание компьютерного обеспечения для
анализа данных, 3 - теоретическое сопровождение экспериментов)
CMS
60
CMS Collaboration
USA (525
collaborators), Italy
(398), Russia (326),
CERN (204), France
(146), UK (117),
Germany (116),...
61