ΑΝΑΖΗΤΗΣΗ ΤΩΝ ΑΝΑΖΗΤΗΣΗ ΤΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ HIGGSHIGGS

ΣΤΟ ΣΤΟ LEPLEP

ΑΝΑΖΗΤΗΣΗ ΤΩΝ ΑΝΑΖΗΤΗΣΗ ΤΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ HIGGSHIGGS

ΣΤΟ ΣΤΟ LEPLEP

ΣΕΜΙΝΑΡΙΟ ΦΥΣΙΚΗΣΣΕΜΙΝΑΡΙΟ ΦΥΣΙΚΗΣΕΞΑΜΗΝΟ 8ΕΞΑΜΗΝΟ 8ΟΟ

ΜΑΡΙΑ ΜΠΕΛΛΑΜΑΡΙΑ ΜΠΕΛΛΑΥΠΕΥΘΥΝΗ ΚΑΘΗΓΗΤΡΙΑ: κ.ΠΑΠΑΔΟΠΟΥΛΟΥΥΠΕΥΘΥΝΗ ΚΑΘΗΓΗΤΡΙΑ: κ.ΠΑΠΑΔΟΠΟΥΛΟΥ

2

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ1. Το καθιερωμένο πρότυπο2. Ενοποίηση δυνάμεων3. Τι είναι μάζα? – οι δύο πτυχές του προβλήματος4. Το πεδίο Higgs5. Το μποζόνιο Higgs6. Επιταχυντές 7. LEP8. Τα κύρια τμήματα του LEP9. Ευαισθησίες του LEP10. Τα 4 πειράματα :

i. ALEPHii. DELPHIiii. L3iv. OPAL

11. Ένα σημαντικό αποτέλεσμα12. Τελικά …13. Βιβλιογραφία

3

Το καθιερωμένο Πρότυπο

Συνοψίζει τη γνώση μας για τα στοιχειώδη σωματίδια: τι σωματίδια υπάρχουν και πως αλληλεπιδρούν

Είδη σωματιδίων:σωματίδια ύλης: 6 κουάρκ και 6 λεπτόνια

τα κουάρκ έχουν μάζα και φορτίο και σε συνδυασμό συγκροτούν τα αδρόνια

Τα λεπτόνια δεν συγκροτούνται από άλλα σωματίδια και υπάρχουν 3 φορτισμένα και 3 αφόρτιστα τα οποία είναι δύσκολο να ανιχνευτούν

Φορείς δυνάμεων: σωματίδια υπεύθυνα για τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των σωματιδίων: φωτόνια, γκλουόνια, μποζόνια

Τα φωτόνια είναι άμαζα, ουδέτερα και υπεύθυνα για την ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση. Τα γκλουόνια είναι υπεύθυνα για την ισχυρή αλληλεπίδραση μεταξύ των κουάρκ και η τρίτη ομάδα, τα μποζόνια ευθύνονται για την ασθενή αλληλεπίδραση

4

5

Ενοποίηση δυνάμεων

6

Τι είναι μάζα ?

Προφανώς ο ελέφαντας έχει μεγαλύτερη μάζα επειδή αποτελείται από πιο πολλά άτομα

7

Οι δύο πτυχές του προβλήματος :

Ένα ρόλο κλειδί στις προτεινόμενες θεωρίες των φυσικών για τη μάζα, παίζει ένα νέο είδος πεδίου που διαπερνά όλη την ορατή πραγματικότητα, και λέγεται πεδίο Higgs. Οι μάζες των στοιχειωδών σωματιδίων θεωρούνται ότι προέρχονται από την αλληλεπίδραση με το πεδίο αυτό. Εάν το πεδίο Ηiggs υπάρχει τότε η θεωρία απαιτεί την ύπαρξη και του αντίστοιχου σωματιδίου, το μποζόνιο Higgs

Η δεύτερη πτυχή είναι γιατί τα διαφορετικά είδη σωματιδίων έχουν τις συγκεκριμένες αριθμητικές τιμές μαζών. Οι εγγενείς μάζες τους διαφέρουν τουλάχιστον κατά 11 τάξεις μεγέθους, αλλά δεν ξέρουμε ακόμα γιατί πρέπει να είναι έτσι.

8

• Οι μάζες των σωματιδίων του καθιερωμένου προτύπου διαφέρουν κατά 11 τάξεις μεγέθους και πιστεύεται ότι οφείλονται στις αλληλεπιδράσεις με το πεδίο Higgs. Φαίνεται ότι υπάρχουν τουλάχιστον 5 σωματίδια Higgs. Οι μάζες τους δεν είναι γνωστές ενώ στην εικόνα φαίνονται οι πιθανές μάζες των σωματιδίων Higgs

9

Το πεδίο HiggsΙδιότητες – Διαφορές με τα άλλα πεδία :

• το σωματίδιο Higgs μέσα στο αντίστοιχο πεδίο έχει spin 0

• το πεδίο Higgs έχει την ελάχιστη ενέργειά του σε μη μηδενική τιμή έντασης

ενώ για παράδειγμα τα e έχουν spin 1/2

ενώ ένα τυπικό πεδίο όπως το ηλεκτρομαγνητικό έχει την πιο χαμηλή του ενέργεια στην μηδενική τιμή έντασης πεδίου• τα σωματίδια που αλληλεπιδρούν με το πεδίο Higgs

συμπεριφέρονται σαν να έχουν μάζα !!!

10

•Αριστερό μέρος: εξηγείται πως το πεδίο Higgs διαπερνά όλο το Σύμπαν. Ένα τυπικό πεδίο όπως το ηλεκτρομαγνητικό, έχει την πιο χαμηλή του ενέργεια στην μηδενική τιμή έντασης πεδίου. Αντίθετα, το πεδίο Higgs έχει την ελάχιστη ενέργειά του σε μη μηδενική τιμή έντασης πεδίου.

•Δεξιό μέρος: εξηγεί πως ένα ηλεκτρόνιο αποκτά μάζα μέσα στο πεδίο, ενώ κάτω φαίνεται πως η ίδια η αλληλεπίδραση οδηγεί στην γέννηση του Higgs

• Τα διαγράμματα Feynman αναπαριστούν τον τρόπο με τον οποίο το σωματίδιο Higgs αλληλεπιδρά με τα άλλα σωματίδια

11

Φανταστείτε το πεδίο Higgs σαν μια συγκέντρωση φυσικών οι οποίοι είναι ομοιόμορφα κατανεμημένοι μέσα σε μια αίθουσα, και συζητούν με τους διπλανούς τους ...

... Ένας σημαντικός φυσικός μπαίνει και διασχίζει την αίθουσα. Όλοι οι φυσικοί απ όπου περνάει, έλκονται προς αυτόν και συγκεντρώνονται γύρω του. Καθώς αυτός διασχίζει την αίθουσα, έλκει τα πρόσωπα που βρίσκονται κοντά του, ενώ αυτά που προσπέρασε, επιστρέφουν στις κανονικές αποστάσεις μεταξύ τους ...... Επειδή, λοιπόν, πάντα υπάρχει πλήθος ανθρώπων γύρω του, αυτός αποκτάει μεγαλύτερη μάζα απ ότι θα είχε αν ήταν μόνος του. Κάτι τέτοιο υπονοεί ότι έχει τώρα περισσότερη ορμή για την ίδια ταχύτητα κίνησης. Δηλαδή, όταν κινείται είναι δυσκολότερο να σταματήσει, ενώ όταν σταματήσει, είναι δυσκολότερο να ξεκινήσει ξανά.

12

Στην πραγματικότητα δε χρειάζεται να υπάρχει καν υπαρκτό πρόσωπο, καθώς τα ίδια αποτελέσματα θα προκαλέσει και μια φήμη που διαδίδεται μέσα σε μια αίθουσα. Ο ψίθυρος εισέρχεται από ένα σημείο στη μια άκρη της αίθουσας.

Στη συνέχεια διαδίδεται κατά μήκος της αίθουσας από το ένα άτομο στο άλλο και έτσι δημιουργούνται «πηγαδάκια». Τα άτομα που βρίσκονται στην αίθουσα σπεύδουν να διαδώσουν τη φήμη στους γύρω τους που συγκεντρώνονται για να μάθουν τι έγινε και έτσι δημιουργείται ένα διαδιδόμενο κύμα το οποίο έχει επίσης μια χαρακτηριστική μάζα.

13

Το μποζόνιο Higgso το «Άγιο Δισκοπότηρο» και το τελευταίο ελλείπον κομμάτι στο Καθιερωμένο Πρότυπο της σωματιδιακής φυσικής.

o Μπορεί να είναι περισσότερα από ένα ! ! !

o Μάζα : 1 TeV (βαρύ μποζόνιο)

o Αναζήτηση του Ηiggs στο LEP για 10 χρόνια

ενδείξεις για το ελαφρύ μποζόνιο Higgs στα 114.4 GeV

o Οι έρευνες θα συνεχιστούν στο LHC όταν αρχίσουν τα πειράματα το 2007…

Γιατί το Ηiggs πρέπει να υπάρχει ?

Η ασθενής δύναμη περιγράφει πως τα W και Z σωματίδια αλληλεπιδρούν με τα e, τα κουάρκ, τα νετρίνα κ.τ.λ. υπάρχει όμως ένα παράδοξο στη συγκεκριμένη αλληλεπίδραση : τα φωτόνια είναι άμαζα τα W και Z έχουν τεράστια μάζα ! Υπάρχει, λοιπόν, κάτι που εμφανίζεται κατά τη διάρκεια της αντίδρασης και προσδίδει μάζα στα W και Ζ. Αυτό είναι το μποζόνιο Higgs !

14

ΕΠΙΤΑΧΥΝΤΕΣ - LEPΕίδη επιταχυντών : Γραμμικοί : τα σωματίδια επιταχύνονται σε μια ευθεία διαδρομή

και χτυπάνε συνήθως ένα σταθερό στόχο. Κυκλικοί : τα σωματίδια συγκρούονται μεταξύ τους και κινούνται

κυκλικά συγκεντρώνοντας όλο και περισσότερη ενέργεια σε κάθε περιστροφή.

Τρόπος λειτουργίας : δημιουργία e από θερμαινόμενο μεταλλικό

σύρμα

Τροφοδοτούνται σε μικρότερο κυκλικό επιταχυντή

Συγκρούονται με μεταλλικό στόχο ώστε να παραχθούν ποζιτρόνια Τα ηλεκτρόνια και τα ποζιτρόνια επιταχύνονται

σε διαφορετικούς επιταχυντές μέχρι να εισαχθούν στο Μεγάλο Επιταχυντή Συγκρουόμενων Δεσμών Ηλεκτρονίων Ποζιτρονίων,LEP, όπου τελικά συγκρούονται μεταξύ τους.

Τα νετρόνια δεν έχουν ηλεκτρικό φορτίο οπότε δεν μπορούν να επιταχυνθούν. Ο LEP δεν θα μπορούσε να προσδώσει αρκετή ενέργεια ώστε να αποκτήσουν σημαντική ταχύτητα γιατί είναι πολύ βαριά!!!

15

LEP Large Electron Positron Collider

27 χιλιόμετρα διάμετρο

100 μέτρα κάτω από τη Γη στα σύνορα Ελβετίας – Γαλλίας

Λειτούργησε από το 1989 – 2000

Επιταχυντής συγκρουόμενων δεσμών

Οι δύο δέσμες ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων επιταχύνονται σε αντίθετες κατευθύνσεις, σε τροχιές πολύ κοντά η μία στην άλλη μέσα στο σωλήνα της δέσμης. Σύγκρουση

Παραγωγή μεγάλης ποσότητας ενέργειας η οποία μετατρέπεται και πάλι σε σωματίδια (πρώιμο Σύμπαν) 4 ανιχνευτές : Aleph, Delphi, Opal και L3

16

να επιτευχθεί αυτή η τόσο υψηλή ενέργεια που απαιτείται, τα σωματίδια επιταχύνονται σε κάθε στροφή

μέσα στον κυκλικό επιταχυντή.

• Ειδικά επιταχυντικά πεδία αυξάνουν την ενέργεια των σωματιδίων σε κάθε περιφορά.

• Διαφορετικοί τύποι μαγνητών υποχρεώνουν τα σωματίδια να κινούνται σε αυστηρά καθορισμένες τροχιές.

• Τα 4 βήματα της επιτάχυνσης αυξάνουν την ενέργεια έως 400MeV/στροφή

• 4 πακέτα e και p μπορούν να περιστρέφονται μέσα στο δακτυλίδι για ώρες με μία ταχύτητα πού κοντά στην ταχύτητα του φωτός.

• 3368 μαγνήτες και 272 υπεραγώγιμα επιταχυντικά στάδια.

100 GeV

Παγωμένα σε θερμοκρασία κάτω από τους – 269ο C

17

Τα κύρια τμήματα του LEP

18

ΕΥΑΙΣΘΗΣΙΕΣ ΤΟΥ LEPΔιαφορά δυναμικού μεταξύ της Γης και της ράγας ενός τρένου υψηλής ταχύτητας TGV Μετατόπιση που παρατηρείται στους μαγνήτες καμπύλωσης του LEP

Η τροχιά της σελήνης και το επίπεδο της

επιφάνειας του νερού στη λίμνη Leman επηρεάζουν τη

συμπεριφορά του LEP

19

20

ALEPH

DELPHI

L3

OPAL

21

ALEPHo Μετράει γεγονότα από τις συγκρούσεις e –p

o 1989 – 1995 : σωματίδια Z στα 91 GeV

o 1995 – 2000 : στο κατώφλι των W στα 200 GeV

o κυλινδρική διάταξη γύρω από το σωλήνα που επιταχύνεται η δέσμη, με το σημείο της αλληλεπίδρασης e – p στο μέσο

o μαγνητικό πεδίο 1.5 Tesla δημιουργείται από ένα υπεραγώγιμο πηνίο μήκους 6.4 m και διάμετρο 5.3 m

o το εξωτερικό περίβλημα είναι ένας σιδερένιος δωδεκάγωνος κύλινδρος

o 24 τεμάχια

o ζυγίζει 70 τόνους

22

23

Αποτελέσματα πειράματος

qq bb

ee Σύμφωνα με το Καθιερωμένο Πρότυπο : qqZ 0

bbH 0

Στα 114 GeV

24

DELPHI

o Προηγμένος ανιχνευτής

o Υψηλή ακρίβεια – διακριτική ικανότητα : Ring Imaging Cherenkov

o Διακρίνει δευτερεύοντα φορτισμένα σωματίδια

o Περιέχει ένα ανιχνευτή σιλικόνης που καταγράφει με μεγάλη ακρίβεια τις τροχιές των σωματιδίων

o Ο σχεδιασμός και η κατασκευή διήρκησε 7 χρόνια

o Συνεργάστηκαν 550 φυσικοί από 56 πανεπιστήμια και ινστιτούτα

25

26

Αποτελέσματα πειράματος

Ημιλεπτονική διάσπαση WW :•Ένα από τα W διασπάται σε 2 κουάρκ

• Το δεύτερο διασπάται λεπτονικά σε μιόνιο και νετρίνο μιονίου

Στα 192 GeV στο κέντρο του ανιχνευτή Delphi

27

L3o Ανιχνεύει σωματίδια από τη σύγκρουση e-p

o Βραβευμένος με Nobel Samuel Ting

o Ένας περίπλοκος ανιχνευτής που καταγράφει ένα μεγάλο αριθμό πληροφοριών

o Μελέτη των ιδιοτήτων των σωματιδίων από τα οποία είναι φτιαγμένη η ύλη και τις δυνάμεις με τις οποίες αλληλεπιδρούν

28

OPAL

o Άρχισε να λειτουργεί το 1989

o Μεγάλος ανιχνευτής σωματιδίων γενικού σκοπού

o 12 μέτρα μήκος

o 12 μέτρα ύψος

o 12 μέτρα πλάτος

o 1989-1995 : ανίχνευση του σωματιδίου Z

o 1996-2000 : ανίχνευση ζεύγους W

o συνεργάστηκαν 200 φυσικοί από 34 ινστιτούτα

29

Ένα σημαντικό αποτέλεσμα

Ένα σημαντικό αποτέλεσμα από τα 4 πειράματα του LEP ήταν η εξακρίβωση των τριών τύπων νετρίνων - 1990

30

Τελικά …Απώτερος στόχος Να βρεθεί ο τελευταίος κρίκος του Κ.Π : το

σωματίδιο Higgs το οποίο σπάει την ηλακτρασθενή συμμετρία και κάνει τον ηλεκτρομαγνητισμό να μοιάζει πολύ διαφορετικός από τις ασθενείς αλληλεπιδράσεις !

Αυτός ο μηχανισμός δίνει μάζα στα σωματίδια

•Πειράματα με στόχο την απάντηση σε ερωτήματα που σχετίζονται με τη δομή της ύλης

•Πρωτόνια :2000 φορές μεγαλύτερη μάζα από τα e. Ε=20000 GeV

•2800 πακέτα p θα κάνουν 11000 κύκλους/sec με ταχύτητα 0.003km/s < c

•Σε τόσο υψηλές ενέργειες η μάζα δεν υφίσταται !!!

Η βαρύτητα δεν υπήρχε στην αρχή του Σύμπαντος! Όλες οι αλληλεπιδράσεις ήταν ενοποιημένες σε μία μορφή, που διαχωρίστηκε στις 4 γνωστές σήμερα, όταν η θερμοκρασία του Σύμπαντος μειώθηκε αρκετά

31

Βιβλιογραφία :ohttp://opal.web.cern.ch/Opal

o http://13.web.cern.ch/13/PR/detector.html

o http://delphiwww.cern.ch/offline/physics/pubdet2.html

o http://hep.physics.uoc.gr/DOC/OUTREACH/PICTURE/aleph.html

ohttp://www.ppd.clrc.ac.uk/pub/bigbang/file10.html

o http://www.ppd.clrc.ac.uk/pub/bigbang/file11.html

o http://www.ppd.clrc.ac.uk/pub/bigbang/file12.html

o http://hep.physics.uoc.gr/DOC/OUTREACH/PICTURE/LEPWWW.html

o http://www.physics.ntua.gr/eesfye/POP/software/hands_on_cern/hoc_v21en/

o http://www.physics.ntua.gr/eesfye/POP/software/hands_on_cern/hoc_v21en/index.html

o http://www.physics.ntua.gr/eesfy/MICROCOSM/ACCELERATOR/LepAcc.html

o http://www.physics4u.gr/articles/higgs.html

o http://www.exploratorium.edu/origins.cern/ideas/higgs.html

o http://www.physics4u.gr/news/2000/scnews91.html

o http://en.wikipedia.org/wiki/Higgs_boson

32