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): xE 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 HZZ4 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-11) 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