Лекция 26 Большой адронный коллайдер LHC что

Лекция № 26 Большой адронный коллайдер (LHC): что это такое? Н. В. Никитин О. В. Фотина, П. Р. Шарапова Лекция для студентов ФНМ, 2013 год

1. Физическая прелюдия

Стандартная Модель (СМ) СМ господствует в физике элементар-ных частиц с 1973 года. Описывает всю совокупность экспериментальных данных. Эта модель содержит более 20 определяемых из опыта параметров и не включает в себя гравитацию. СМ = Квантовая хромодинамика + + Минимальная электрослабая модель.

LH C Какая физика лежит за пределами Стандартной Модели? Ответить на этот вопрос пытается проект LHC.

Таблица элементарных частиц СМ КВАРКИ ЛЕПТОНЫ БОЗОНЫ

Существует ли Хиггс? Один – несомненно! Это Петер Хиггс, который придумал механизм Хиггса. Бозоны Хиггса нужны, чтобы частицы СМ имели ненулевую массу покоя. Массы частиц возникают динамически. Существуют ли бозоны Хиггса и сколько их? Проект LHC уже частично ответил на этот вопрос!

Почему в окружающем нас мире есть материя и нет антиматерии? Академик АН СССР А. Д. Сахаров в 1967 г. предположил, что в случае нарушения барионного числа, зарядовой четности и комбинированной СР-четности может возникнуть барионная асимметрия Вселенной: Из эффекта С. Окубо при большой температуре для Вселенной сшита шуба по ее кривой фигуре. Проект LHC пытается ответить на этот вопрос.

2. Проект LHC

Параметры LHC – Large Hadron Collider (Большой адронный коллайдер) построен в CERN (Европей-ском центре ядерных исследований). pp – столкновения (Есцм = 7 -14 Тэ. В = 7 -14· 1012 э. В); время между столкновениями 25 нс; светимость начальная: 1033 протонов / см 2 с; проектная: >1034 протонов / см 2 с. Первый запуск: состоялся 10 сентября 2008 года. Первый сеанс набора данных: декабрь 2009 года.

Параметры протонного пучка Скорость протона в кольце: v = 0, 99999998 c; Энергия протона в пучке = 7 Тэ. В 10 -6 Дж, что соответствует кинетической энергии летящего комара. Полная энергия, содержащаяся в кольце LHC: 2808 bunches 1011 протонов/bunch 7 Тэ. В/протон = 360 MДж Она соответствует кинетической энергии авианосца «Адмирал Кузнецов» , двигающегося со скоростью 8 узлов!

Проект LHC VI. 1: LHC Длина окружности тоннеля 27 км; LHC: Больше 1700 сверхпроводящих магнитов; Средняя глубина тоннеля 100 м. 4 детектора: CMS, LHCb, ATLAS и ALICE

Тоннель LHC Сверхпроводящие дипольные магниты LHC

Пример протон-протонного столкновения на LHC при энергии 8 Тэ. В в СЦМ P P Нашедшему на этой картинке бозон Хиггса будет вручена Нобелевская премия по физике за какой-то следующий год.

Задачи детекторов 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: поиск и изучение свойств кваркглюонной плазмы или кварк-глюонной жидкости.

Краткая история LHC Первый пуск 10 сентября 2008 года. В середине сентября 2008 года крупная авария при выходе на энергию пучков 5 Тэ. В. В середине декабря 2009 года состоялся первый сеанс набора данных при энергиях каждого из пучков 3, 5 Тэ. В. Сеансы продолжились в 2010 и 2011 годах. В 2012 году энергия каждого из пучков была поднята до 4 Тэ. В. С февраля 2013 по апрель 2015 года коллайдер остановлен на плановое техническое обслуживание.

Типичный день на LHC

3. Детектор ATLAS

Детектор ATLAS размещен в специальной подземной шахте. Размеры шахты: Длина = 55 м. Ширина = 32 м. Высота = 35 м.

Вид на площадку ATLAS-а с высоты птичьего полета CERN Площадка ATLAS-а (Point N 1)

Этапы сборки детектора ATLAS в 2003 – 2007 годах Сент. 2007 Июнь 2007 2006 Авг. 2003 Дек. 2004 Дек. 2005

4. Детектор CMS

5. Поиск бозона Хиггса на LHC

Рождение и расспады бозона Хиггса на LHC 1) LEP дал ограничение на массу бозона Хиггса снизу: mh > 114, 4 Гэ. В. 2) Cогласно результатам компьютерного моделирования, с момента старта LHC (2009) необходимо три года, чтобы сказать что-то о существовании бозона Хиггса. В 2012 -м это время настало.

Открытие нового бозона (возможно, бозона Хиггса) на LHC 4 -е июля 2012 года CMS MH = 125. 8 ± 0. 5 (stat. ) ± 0. 2 (syst. ) Гэ. В 5. 0 стандартных отклонений от флуктуации фона! ATLAS MH = 126. 0 ± 0. 4 (stat) ± 0. 4 (syst. ) Гэ. В 5. 9 стандартных отклонений от флуктуации фона!

4μ candidate with m 4μ= 124. 6 Ge. V p. T (μ-, μ+, μ-)= 61. 2, 33. 1, 17. 8, 11. 6 Ge. V m 12= 89. 7 Ge. V, m 34= 24. 6 Ge. V

Семинар ЦЕРН об открытии Хиггс-бозона 4. 07. 12 Прямая трансляция семинара в конференционной комнате ROC-MSU c участием журналистов российских СМИ

6. Детектор LHCb

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

Различие между 4 - и forward-детекторами CMS LHCb

7. Матрица кварковых токов и механизм СР-нарушения в Стандартной Модели

Почему интересно изучать СР-нарушение? Концепция симметрии является фундаментом понимания структуры окружающего мира. C P нашего T Нарушение симметрии при низких энергиях является отражением тех фундаментальных процессов, которые протекают при высоких энергиях. P CP Например, «новая физика» может являться источником новых возможностей СР-нарушения. Почему мы не наблюдаем СР-нарушения в сильных взаимодействиях, a в слабом секторе оно столь мало? Возможно, в этом «виновата» все та же «новая физика» ?

Прошлое, настоящее, будущее… CP-нарушение впервые было найдено в 1964 году в распадах K -мезонов (Ноб. премия по физике 1980 г. ). До 2001 года, когда эффекты СР-нарушения были найдены в распадах В-мезонов на В-фабриках PEP-II Ba. Bar и KEKb Belle, система К-мезонов оставалась единственным источником СР-нарушения. Именно для В-мезонов можно с высокой точностью проверить предсказания теории на эксперименте. С 1998 -ого по 2010 -й годы установки Ba. Bar и Belle определяли лицо В-физики. С 2009 года в В-физике наступила новая эпоха: «LHC Era» , точнее настало время установки LHCb!

Распады b-кварка в СМ u, c Древесные диаграммы b W W¯ “Квадратики” W¯ W+ W+ “Пингвины” W- W- КХД W Электрослабая Модель

M. Kobayashi, T. Maskawa, 1973: предложили механизм СР-нарушения в СМ. Нобелевская премия по физике 2008 года! Идея: невозможно одновременно диагонализировать массовую матрицу кварков и матрицу заряженных кварковых токов, поэтому все “верхние” кварки (u, c, t) могут с некоторой вероятностью переходить во все “нижние” кварки (d, s, b) и наоборот. Эти вероятности описываются унитарной матрицей. Однако при размерности матрицы 3 х3 и выше некоторые ее элементы могут оказаться комплексными, а не действительными числами.

Матрица кварковых токов 3 x 3 матрица кварковых токов носит название матрицы Кабиббо-Кобаяши-Маскава или СКМ-матрицы:

Параметризация Вольфенштайна Унитарная 3 х3 СКМ-матрица может быть параметризована при помощи четырех действительных чисел: Или более точно (важно для исследований на LHC!) где:

СР-асимметрия ACP(t) Один из механизмов СР-нарушения: когда состояния распадаются в одно и тоже конечное состояние f: f и f За счет комплексности элементов СКМ-матрицы зависящие от времени (осцилляции!) вероятности этих распадов не равны другу. Возникает зависящая от времени СРасимметрия:

Пример наблюдение СР-нарушения на В-фабриках ( ) - «Золотая мода» ( ) -5 0 5

8. Редкие распады Вмезонов и физика за пределами Стандартной модели

Редкий лептонный распад Bd, s 4μ CERN-LHCb-ANA-2011099, Albrecht J. , Ciezarek G. , Golutvin A. , Martínez Santos D. , Nikitin N. , Patel M. , Sepp I. Поставлены верхние пределы на 95% CL на 4 -мюонные распады для интегральной светимости 1 фб-1, соответствующей набору данных 2011 года Br(Bd μ+μ-) < 5. 36 * 10 -9 на 95% уровне достоверности; Br(Bs μ+μ-) < 1. 28 * 10 -8 на 95% уровне достоверности. 45

8. Перемен, мы (все еще) ждем перемен!

Заключение Хиггс CP - наруш ение Суперси мметрия В мире, где (пока) господствует Стандартная модель, мы ВСЁ ЕЩЁ ждем перемен, которые должна принести нам дальнейшая работа LHC…

Ктулху фхтагн! … и надеемся, что эти перемены окажутся весьма неожиданными. The End