МФТИ 7 июля 2011 Физика элементарных частиц на

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

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

МАТЕРИЯ Десятки «элементарных» частиц открыто в 50 е – 60 е 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 s=1/2, дробный электрический заряд qd=-1/3 qe+ и три цвета, Кварки имеют спин qu=+2/3 qe+ Цвет это аналог электрического заряда для сильного взаимодействия

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

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

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

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

Установка сделанного в ИТЭФ калориметра в детектор Н 1 для изучения структуры протона

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

В эксперименте ARGUS обнаружена связь кварков третьего и первого поколений

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

МНОГО ВОПРОСОВ: Почему массы кварков так различаются? mu~2 Мэ. В md~5 Мэ. В mc~1250 Мэ. В ms~100 Мэ. В mt~175000 Мэ. В mb~4200 Мэ. В Откуда возникает иерархия констант связей ? Vud ≈ Vcs ≈ Vtb ≈ 1 Vus ≈ Vcd ≈ 0. 2 Vbc ≈ Vts ≈ 0, 04 Vub ≈0. 5 Vtd ≈ 0. 004 Зачем нужны три поколения? ! Кобаяши-Маскава (1973) – для нарушения симметрии между материей и антиматерией Зачем нужно это нарушение? – А. Сахаров – для барионной асимметрии Вселенной

Константы связи кварков образуют треугольник на комлексной плоскости Vub Vtd α γ β V ·V us bc Углы этого треугольника определяют различие в распадах частиц и античастиц 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) ~ sin 2β · sin ΔΜ. t Кобаяши и Маскава предложили свою теорию, когда трерье поколение еще не было открыто!

так распадается прелестные мезоны а вот так антипрелестные мезоны 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 Ba. Bar Сегодня сотрудничество Belle измерило параметр нарушения с точностью 5%, а также исследовало десятки других распадов. . .

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

ТЕМНАЯ МАТЕРИЯ 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 VR~√ M(r‹R)/R VR=const M(r

Суперсимметричная Холодная Тёмная Материя? Теория Суперсимметрии (SUSY) (Гольфанд и Лихтман (1971)) фермионы бозоны электрон бозе-двойники ферми-двойники сэлектрон кварк скварк фотон фотино нейтрино снейтрино гравитон гравитино … … 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

Регистрация WIMPа Мишень (вещество детектора) c c Атомное ядро Екин в кэ. Вной области Ядро может регистрироваться детектором: Величина сигнала ~ выделившейся энергии

Прототип детектора ZEPLIN III (ИТЭФ)

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

Моделирование События в Антаресе Чувствительность к ТМ

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

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

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

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

Сборка Компактного детектора (CMS) на LHC

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

Моделирование распада бозона Хиггса m m

Рождение и смерть черной дыры на Большом Адронном Коллайдере

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

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

LHC может открыть SUSY с массой до ~1 Тэ. В Однако определить все свойства этих частиц будет сложно Частица Тёмной Материи Для этого планируется создать е+е- коллайдер. ILC c энергией 0. 5 -1 Тэ. В

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

Калориметр ILC на основе российских технологий Свет собирает спектросмещающее волокно и Si. PM 3 х3 cm 2 счетчик с Si. PM Электронный чип

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 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 Астрофизики показали, что ТМ в 6 раз больше чем барионной Но природа её не известна Есть надежда выяснить это в ближайшие 10 лет

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

Состав Вселенной

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? . . . ?

m = 0. 3 = 0. 7 =1 h wit ds ion an t exp elera h acc wit ds ion an t exp elera dec

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

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

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

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

АНТИМАТЕРИЯ (1956 -67) 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!

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