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

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

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

Эквивалентность энергии и массы (Einstein): Объясняет использование единицы массы: МэВ/c 2 (единица импульса: МэВ/c) 4 Масса релятивистской частицы (с=1): Инвариантная масса системы N частиц (с=1): При распаде частицы массы M на N частиц: M N (inv)=M (следствие законов сохранения энергии и импульса)

ИмяСимволФактор фемтофм (f) пикоп (p)п (p) нанон (n)н (n) микромк (μ) миллим (m)м (m) килок (k)к (k) 10 3 МегаМ (M)М (M) 10 6 Гига Г (G) 10 9 Терра Т (T) Основные приставки к единицам измерений 5 В физике высоких энергий обычно приставки с фактором 10 + относятся к энергиям, импульсам и массам частиц, а с фактором к пространственно- временным характеристикам элементарных реакций, а также к сечениям реакций (характеристика вероятности процесса размерности площади, 1 барн = см 2 отношение числа взаимодействий в единицу времени к плотности потока частиц, падающих на мишень, dσ=dN/j).

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

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

(Q 2 ) В импульсном пространстве : g Exchange forces Strong interactions «виртуальный глюон» Exchange forces 8

(Q 2 ) В импульсном пространстве : Z Exchange forces Weak force «виртуальный Z бозон» M z = 91 GeV/c 2 Exchange forces 9

(Q 2 ) G Exchange forces Gravitational force В импульсном пространстве : «виртуальный гравитон» 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 Z 0 -бозонами. Электромагнитное взаимодействие осуществляется посредством обмена фотонами. 11

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 Z 0 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 см 17

Бозон 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) Единственная не открытая частица СМ (основная задача экспериментов на LHC) Природа механизма спонтанного нарушения электрослабой калибровочной инвариантности: Объяснение существования масс у W - и Z 0 -бозонов требует введения в теорию скалярных полей с неинвариантным относительно калибровочных преобразований основным состоянием – вакуумом Следствие этого - возникновение новой скалярной частицы – бозона Хиггса 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

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

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. SUSY отвечает на большинство открытых вопросов СМ 22

Пара глюино струи + лептоны + missing E T Сигналы рождения SUSY частиц Пара скварков 3 лептона + missing E T 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

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 M P до ТэВ экспоненциально Популярные сценарии моделей с дополнительными измерениями в плоской и экспоненциально спадающей метрике Процессы с кажущимся нарушением закона сохранения энергии-импульса Процессы с рождением спектра массивных 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. M P 2 = M D (2+n) V n M P 2 = M D 3 (e 2kR -1)/k 25

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 кварк- глюонной плазмой (КГП), кварки и глюоны больше не удерживаются внутри индивидуальных адронов, они начинают свободно передвигаться внутри большого объема. 26

Иллюстрация достижения деконфайнмента Ядерная материя (конфайнмент) Адронная материя (конфайнмент) Кварк-глюонная плазма (деконфайнмент) ! КХД-материя нагревание сжатие деконфайнмент и формирование КГП! 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). «Мягкие» тесты (p T ~Λ QCD =200 МэВ) спектры частиц с малыми поперечными импульсами p T и их импульсные корреляции; потоковые эффекты; тепловые фотоны и дилептоны; выход странных частиц. «Жесткие» тесты (p T,M>>Λ QCD =200 МэВ) спектры частиц с большими поперечными импульсами p T и их угловые корреляции; адронные струи; кварконии; тяжелые кварки. начальное состояние предравновесная стадия КГП (гидродинамика) адронизация адронная стадия и вымораживание 28

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

Основное кольцо (более 1700 сверхпроводящих магнитов) и детекторы LHC на глубине от 50 до 175 м. Энергия столкновений и светимость коллайдера: ТэВ для соударений pp (максимальная светимость L=10 34 см -2 с -1 ) ТэВ для соударений PbPb (максимальной светимости L=10 27 см -2 с -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

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 кварк- глюонной плазмы). 39

Ожидаемая статистика для некоторых каналов рождения на LHC при светимости L=2x10 33 см -2 с -1 (1 год = 20 фб -1 ) и s=14 ТэВ ПроцессСобытий/секСобытий/год Weν404x10 8 Zee44x10 7 t-tbar1.61.6x10 7 b-bbar gluiono pairs (m=1 TeV)0.0022x10 4 Higgs (m=120 GeV)0.0088x10 5 Higgs (m=800 GeV) QCD jets (p T >200 GeV)

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/c 2 G e + e -, M=1.5 TeV/c 2 43

44 Magnetic field: 4 Tesla Silicon Tracker | | < 2.4 Electromagnetic Calorimeter | | < 3.0 Hadron Calorimeter barrel and endcap | | < 3.0 with HF-calorimeter up to | | < 5.2 Muon Chambers | | < CASTOR detector 5.3 < | | < Zero-degree calorimeter + TOTEM CMS Detector 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) Magnetic field: 2 Tesla 45

ATLASCMS Вес (тонн) Диаметр (м)2215 Длина (м)4620 Магнитное поле (Т)24 Аксептанс (Δη x Δφ)2π x 5.0 Стоимость (M CHF)550 ATLAS & CMS H ZZ 4 требует высокоточного измерения импульсов (

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

48 Inner Tracking System (ITS) Time Projection Chamber (TPC) Time Of Flight (TOF) Muon Arm Transition Radiation Detector (TRD) ALICE channels: electronic (| |

49 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 (какпобочный 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

51 Дополнительные слайды

Массы наиболее часто используемых частиц (округленные значения): ЧастицаМасса (МэВ/c 2 ) электрон, e0.5 мюон, μ106 пион, π140 протон, p938.3 нейтрон, n

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) SPS (CERN) Tevatron (Fermilab) LHC (CERN) Соударяющиеся частицы ep p-pbar pp Максимальная энергия пучка, ТэВ e: p: Светимость (10 33 см -2 с -1 1 ) Длина окружности, км Светимость ускорителя L – количество соударений за единицу времени на единицу площади. Тогда количество событий N i определенного типа i (с сечением σ i и эффективностью регистрации ε i ) за время T равно: N i =L x σ i x ε i 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