МФТИ 7 июля 2011 Физика элементарных частиц на пороге новых открытий M.B.Данилов Институт теоретической и экспериментальной физики Зав. Кафедрой физики. - презентация

1 МФТИ 7 июля 2011 Физика элементарных частиц на пороге новых открытий M.B.Данилов Институт теоретической и экспериментальной физики Зав. Кафедрой физики элементарных частиц МФТИав

2 Взаимодействия γ -переносчик э/м взаимодействия g - глюон переносчик сильного взаимодействия W, Z - бозоны переносчики слабого взаимодействия e e udd uud ядро P n udd e МАТЕРИЯ γ e¯ g q q p } νеνе u d u d d u { n Атом e Бозон Хигса Н дает частицам массы. Он еще не найден W-W-

3 МАТЕРИЯ Десятки «элементарных» частиц открыто в 50е – 60е годы Большинство из них адроны – так Л.Окунь назвал сильно взаимодействующие частицы барионы (спин полуцелый (фермионы)) – p, n,… мезоны (спин целый (бозоны)) π +, π -, ρ +,… Гелл-Манн, Цвейг (1964) Все адроны состоят из трех кварков (барионы) n = udd p = uud или кварка – антикварка (мезоны) π + =ud π - = ud Кварки имеют спин s= 1 / 2, дробный электрический заряд q u =+ 2 / 3 q e + q d =- 1 / 3 q e + и три цвета, Цвет это аналог электрического заряда для сильного взаимодействия

4 Вместо свободных кварков при натяжении глюонной струны возникает пучок частиц С ростом расстояния между кварками энергия струны глюонов растет g u d d d u d Энергетически выгоднее родить пару и разорвать струну g g Конфайнмент - невылетание кварков q

5 Константа сильного взаимодействия уменьшается с ростом энергии из-за поляризации вакуума

6 Объединение Взаимодействий Константы слабого и электромагнитного взаимодействий сравниваются при больших энергиях (данные ер коллайдера ГЕРА) Электро-слабая теория!

7 Side view (R-z) Transverse view (R-Phi) Энергии в калориметре Рассеяние электрона на кварке Кварк наблюдается как пучок частиц e e X X

8 Установка сделанного в ИТЭФ калориметра в детектор Н1 для изучения структуры протона

9 ПОКОЛЕНИЯ КВАРКОВ И ЛЕПТОНОВ Природа создала еще два набора (поколения) кварков и лептонов Ле птоны Кварки Массы и константы связи кварков сильно различаются νeeudνeeud ν c s ν τ t b Третье поколение связано слабее со вторым чем второе с первым Третье с первым еще слабее Все, что нас окружает состоит из 2 кварков u, d, e и ν e

10 В эксперименте ARGUS обнаружена связь кварков третьего и первого поколений

11 Обнаружение адронов, содержащих 4 (анти)кварка (Р.Мизюк (ИТЭФ), А.Бондарь, А.Гармаш (БИЯФ)) Июнь 2011 Масса h b π ± Новые мезоны содержат b, анти-b, d и анти-u кварки

12 МНОГО ВОПРОСОВ: Почему массы кварков так различаются? m u ~2 МэВ m d ~5 МэВ m c ~1250 МэВ m s ~100 МэВ m t ~ МэВ m b ~4200 МэВ Откуда возникает иерархия констант связей ? V ud V cs V tb 1 V us V cd 0.2 V bc V ts 0,04 V ub 0.5 V td Зачем нужны три поколения?! Кобаяши-Маскава (1973) – для нарушения симметрии между материей и антиматерией Зачем нужно это нарушение? – А.Сахаров – для барионной асимметрии Вселенной

13 Константы связи кварков образуют треугольник на комлексной плоскости β γ α V td V ub V us ·V bc Γ(t)(B°Ј/Ψ Κ°s) - Γ(t)( B° Ј/Ψ Κ°s) Γ(t)(B°Ј/Ψ Κ°s) + Γ(t)( B° Ј/Ψ Κ°s) ~ sin2 β · sin ΔΜ. t Углы этого треугольника определяют различие в распадах частиц и античастиц Кобаяши и Маскава предложили свою теорию, когда трерье поколение еще не было открыто!

14 СР нарушение в распадах прелестных мезонов открыто Belle (с участием БИЯФ и ИТЭФ) в 2001 году в распаде B 0 J/ψ K 0. Практически одновременно такой же результат получен BaBar Сегодня сотрудничество Belle измерило параметр нарушения с точностью 5%, а также исследовало десятки других распадов... СР нарушение в распадах прелестных мезонов открыто Belle (с участием БИЯФ и ИТЭФ) в 2001 году в распаде B 0 J/ψ K 0. Практически одновременно такой же результат получен BaBar Сегодня сотрудничество Belle измерило параметр нарушения с точностью 5%, а также исследовало десятки других распадов... так распадается прелестные мезоны а вот так антипрелестные мезоны

15 1974 – Теоретическое предсказание механизма различия свойств Материи и Антиматерии – нарушения СР-симметрии Нобелевская премия 2008

16 Астрофизики показали что более 80% материи во Вселенной имеет неизвестную природу! Первые указания получены в 1933 г. (Zwicky) Свидетельства существования темной материи Скорости звезд, облаков газа не зависят от R до R во много раз больших видимых размеров галактик Согласно Законам Ньютона V R ~ V R =const M(r

17 Суперсимметричная Холодная Тёмная Материя?фермионыбозе-двойники ферми-двойники бозоны Теория Суперсимметрии (SUSY) (Гольфанд и Лихтман (1971)) электронкваркфотоннейтриногравитон…сэлектронскваркфотиноснейтриногравитино… Частица ТМ не должна участвовать в сильном и электромагнитном взаимодействиях, только в слабом и гравитационном: WIMP - (Weakly Interacting Massive Particle) Нейтралино является наиболее обоснованным кандидатом в WIMP

18 Атомное ядро Е кин Мишень (вещество детектора) в кэВной области Регистрация WIMPа Ядро может регистрироваться детектором: Величина сигнала ~ выделившейся энергии

19 Прототип детектора ZEPLIN III (ИТЭФ)

20 Поиски ТМ по продуктам аннигиляции нейтралино W+W+ W-W- χ χ χ - W+W+ μ + ν Подводный нейтринный телескоп АНТАРЕС ν регистрируется АНТАРЕСом

21 Моделирование События в АнтаресеЧувствительность к ТМ

22 ИТЭФ, КИ, МГУ участвуют в создании эксперимента АМS на МКС для нового поиска антиматерии и Темной материи во Вселенной Будущий вид детектора

23 ~100 m Самый крупный ускоритель LHC создан в Женеве Одна из основных задач на нем – поиски суперсимметрии т.е. и ТМ ИТЭФ участвовал в создании всех четырех детекторов на LHC

24 La France et le CERN / octobre 2009 France et CERN / Mai 2009 l'Université de Genève 450 ans / 1 avril БАК :27 км CMS ALICE LHCb ATLAS Большой Адронный Коллайдер достиг энергии 7 ТэВ

25 Изготовленный ИТЭФ электромагнитный калориметр LHCb Руководитель коллаборации из 700 ученых со всех стран мира - А.Голутвин (ИТЭФ) e h

26 Сборка Компактного детектора (CMS) на LHC

27 Разработанный в ИТЭФ и США радиационно стойкий калориметер нового типа – кварцевый калориметр CMS

28 Моделирование распада бозона Хиггса

29 Рождение и смерть черной дыры на Большом Адронном Коллайдере

30 Дополнительные измерения пространства Быть может, мы зажаты на трехмерной пространственной мембране Гравитация распространяется в дополнительных измерениях Дополнительные измерения могут быть и большими и маленькими

31 Поиск измерений дополнительных измерений Прямые поиски – Z-бозон и потерянная энергия Гравитон Дополнительные измерения Косвенные поиски – изменения в сечении рассеяния Наш мир Доп. измерения Гравитон

32 LHC может открыть SUSY с массой до ~1ТэВ Однако определить все свойства этих частиц будет сложно Для этого планируется создать е+е- коллайдер- ILC c энергией 0.5-1ТэВ Частица Тёмной Материи

33 ИТЭФ, МИФИ и МГУ участвуют в создании калоримера для ILC на основе Российских технологий Международный е+е- линейный коллайдер (ILC) Обсуждается возможность его строительства в Дубне

34 Калориметр ILC на основе российских технологий SiPM3х3 cm 2 счетчик с SiPM Свет собирает спектросмещающее волокно и SiPM Электронный чип

35 Заключение Мы знаем из чего состоит Материя и её взаимодействия Скоро на LНС поймём механизм возникновения массы Но возможно мы знаем только половину фундаментальных частиц Есть надежда прояснить это в ближайшие 10 лет Астрофизики показали, что ТМ в 6 раз больше чем барионной Но природа её не известна Есть надежда выяснить это в ближайшие 10 лет Мы выяснили основной механизм различия свойств Материи и Антиматерии в случае кварков (механизм КМ) Но он не объясняет доминирование Материи во Вселенной Нужны новые механизмы нарушения СР-инвариантности Их поиски ведутся

36 ,... Природа и астрофизики не устают нас удивлять Барионная и Темная Материя составляют лишь 30% плотности Вселенной Остальное – Темная Энергия

37 Состав Вселенной

38 Вопросы вместо Заключения Что определяет иерархию масс и констант связи кварков? Зачем нужны 3 поколения кварков и лептонов? Каков механизм возникновения массы? Существует ли Суперсимметрия? Каковы новые механизмы нарушения симметрии между Материей и Антиматерией? Почему Материя доминирует во Вселенной над Антиматерией? Из чего состоит Тёмная Материя? Что такое Тёмная Энергия? Точечны ли фундаментальные частицы? Сколько измерений в нашем Пространстве?...?

39 expands with acceleration expands with deceleration m = 0.3 = 0.7 = 1

40 Ещё одно важнейшее открытие последних лет: отклонение от закона Хаббла – Вселенная расширяется с ускорением! Сверхновые в удалённых галактиках были выбраны в качестве "стандартных свечек" яркость время Оказалось, что яркость сверхновой и время затухания хорошо коррелируют между собой. Измерив время затухания, можно узнать яркость, а значит, и расстояние Сравнив расстояние и скорость (определённую по красному смещению) увидели - Вселенная расширяется с ускорением

41 Силы Электромагнитные – удерживают e в атомах Сильные – удерживают протоны и нейтроны в ядрах Слабые – n p + e - бета распад Гравитационные – много слабее электрон атом МАТЕРИЯ (1932) γ - квант нейтрон ядро протон + ν e (НЕЙТРИНО придумал В. Паули для объяснения спектра электронов)

42 АНТИМАТЕРИЯ (1932) Уравнение Дирака (1928) - замечательно описывает поведение электронов в атоме, но имеет решения с отрицательной энергией Дирак (1930) – это протон (для положительно заряженной частицы решения будут иметь положительную энергию) Опенгеймер и Тамм (1930) – не годится. Слишком велика разница масс e ¯и p Дирак (1931) – Значит есть новые частицы тождественные электронам, но имеющие противоположный заряд – антиэлектроны Революционная идея т.к. никаких признаков антиматерии вокруг нас – Паули(1932) – эта идея не серьезна

43 В этом же 1932 году Андерсон открыл антиэлектрон e+ Всеобщая вера в идентичность законов физики для материи и антиматерии – зарядовая симметрия (С).

44 АНТИМАТЕРИЯ ( ) Ли и Янг (1956) – зеркальная симметрия нарушена в слабых взаимодействиях (P) Иоффе, Окунь, Рудик (1956) – если Р то и С Ву и др. (1957) – Р Гаврин, Ледерман,Вайнрич, Фридман, Телегди (1957) – С Ландау (1956) – сохраняется СP, т.е. одновременное изменение зарядов и отражение в зеркале. Переход от материи к антиматерии это СР-преобразование. Снова не можем сказать можно ли пожать руку подлетающему инопланетянину (вдруг он из антиматерии!) Кронин и Фитч (1964) – СР (~0.1%) Сахаров (1967) – СР необходимо для доминирования материи во Вселенной, т.е. для нашего существования!

45 Численные расчеты разрыва глюонной струны на крупнейших суперкомпьютерах включая Российский (DESY-ITEP-Kanazawa Collaboration) Сила притяжения кварков – 12 тонн!