prof. dr Goran Đorđević (Departman za fiziku PMF u Nišu) Predavanje održano na tribini "Put u CERN", 2. aprila 2015. godine na PMF-u.

1. CERN:
Vodeća laboratorija za
nuklearna istraživanja u svetu
- 12 godina kasnije …
Goran Djordjević
(Departman za fiziku Prirodno-matematički fakultet u Nišu)
Tribina – Putovanje u CERN
2. april 2015.

2. Zasto CERN? Zasto fizika? Čemu
“odeljenje”? Otkud(e je taj) Niš?
• Da li i zašto u Nišu?
• Zašto baš ... ?
• Šta je to CERN?
• Da li je važan i zašto putujete tamo?
• Šta je “Higsov bozon/čestica”
• Šta je Standardni model?
• Šta i kuda dalje?

3. Od čega je sačinjen svet?
• Zašto tako mnogo stvari deli
iste karakteristike?
• Ljudi su shvatili da je sva
materija od koje je sačinjen
svet izgrađena od nekoliko
fundamentalnih ’’blokova’’
• “Atomi” i prostor - Demokrit
pre 2400 godina.
• Oko 1900. godine ljudi su
zamišljali atom kao
propustljivu lopticu čiji
naelektrisani parčići skakuću u
njenoj unutrašnjosti.

4. Od čega je sačinjen svet?
• Ljudi su brzo shvatili da bi
mogli da kategorišu atome u
grupe koji dele slične hemijske
osobine (kao u periodnom
sistemu elemenata).
• To sugeriše da se atomi
sastoje od jednostavnijih
gradivnih “blokova”, koji u
različitim kombinacijama
determinišu hemijske osobine
atoma.
• Eksperimenti - probnim
česticama smo zvirnuli u
nutrinu atoma i uvideli da atom
ima strukturu – majušno,
gusto, pozitivno nabijeno
jezgro okruženo oblakom
negativnih elektrona e-.

5. Da li je jezgro fundamentalno?
• Kako je jezgro izgledalo malo, čvrsto,
smatralo se da je jezgro bez unutrašnje
strukture - fundamentalno.
• Kasnije je otkriveno da je ono sačinjeno od
(pozitivno naelektrisanih) protona p+ i
električno neutralnih (n) neutrona.
• Otkriveno je da su protoni i neutroni
sačinjeni od još manjih čestica koje se
nazivaju – kvarkovi
• Elektroni se kreću oko jezgra, protoni i
neutroni poskakuju unutar njega, a kvarkovi
unutar protona i neutrona.
• Slika je krajnje “deformisana”, 99.99999%
zapremine atoma je prosto prazan prostor!

6. Credits: http://www.ipp.phys.ethz.ch/
Struktura materije

7. Standardni model
• Fizičari su razvili teoriju nazvanu The Standard
Model koja objašnjava naš svet (sadržinu) i šta
ga to drži na okupu (osnovne sile - interakcije).
• Jednostavna, mada obimna, teorija koja
objašnjava stotine čestice i složene interakcije
među njima pomoću samo

8. Credits: http://www.ipp.phys.ethz.ch/
Čestice i sile

9. Credits: http://www.particleadventure.org/

10. Da sumiramo - SM
 6 kvarkova
 6 leptona
 Čestica prenosioca interakcije,
 Sve poznate čestice komponovane su od kvarkova i
leptona a interaguju razmenom čestica tipa fotona.
 Standardni model je dobra teorija. Eksperimenti
potvrđuju njena predviđanja sa neverovatnom
preciznošću, sve predskazane čestice su pronađene
(osim Higsove?).
 Ah, da ovo je stara prezentacija !
 Ipak ne objašnjava sve, npr. gravitacija je izvan teorije.

11. Od čega je svet načinjen-
Zaključak
• Podsetili smo se od čega je načinjen naš svet. Najfundamentalnije čestice
su 6 kvarkova i 6 leptona
• Dobro, malo je komplikovanije, podsetimo se da nikada nismo našli
izolovane kvarkove. Do sada smo opažali samo kompozitne čestice –
hadrone.
• I, i, i ... Postoji još po jedna antičestica za svaku česticu materije.

12. Nevidljivi efekti
• Dva čoveka stoje na ledenoj podlozi. Iako
ne vidite košarkašku loptu, vi možete da
pretpostavite da jedna osoba baca drugoj
loptu jer vidite efekat.
• Ispada da su sve interakcije koje deluju na
čestice materije posledice razmene ’’čestica
prenosioca sile’’. Ove čestice su kao
košarkaške lopte koje se bacaju između
čestica materije a one bi odgovarale
košarkašima. Ono što mi nazivamo ’’silama’’
su u stvari efekti ’’čestica prenosioca’’ na
’’čestice materije’’!!!
• Prikazana analogija je gruba, recimo, može
da dočara samo odbojne sile.
• ’’Kako dva objekta mogu uticati jadan na
drugi bez dodirivanja?’’ ’’Čestice prenosioci’’
mogu biti kreirane i apsorbovane jedino od
čestica materije koje učestvuju u
pojedinačnoj interakciji (poseduju
odgovarajući naboj).

13. Jaka sila
Da bi smo razumeli sta se događa u jezgru, potrebno je da bolje razumemo
kvarkove, koji ulaze u sastav protona i neutrona, a time i jezgra.
Kvarkovi poseduju elektromagnetni naboj, ali poseduju i tzv. naboj boje.
Sile između obojenih čestica su izuzetno snažne pa se i nazivaju
Jake sile drže kvarkove na okupu i formiraju hadrone,
a čestice prenosioci se nazivaju gluoni zato što tako
neraskidivo “lepe" kvarkove zajedno.
Naboj boje se ponaša drugačije od EM naboja.
Sami gluoni poseduju naboj boje, dok fotoni NISU
naelektrisani. Sa druge strane, dok su kvarkovi
‘’obojeni’’, složene čestice nisu, neutralne su u odnosu
na naboj boje! Stoga jake sile deluju samo na vrlo
malim rastojanjima i ne primećujemo ih u
svakodnevnom životu.

14. Rezidualne jake sile
• Tako, jake sile drže kvarkove na okupu jer oni poseduju naboj boje.
• To međutim ne objašnjava šta drži jezgro na okupu! Pozitivni protoni se odbijaju a
protoni i neutroni su kolorno-neutralni.
• U najkraćem, ne nazivaju se ove sile uzalud ’’jakim’’.
• Jake sile izmedju kvarkova u jednom protonu i kvarkova u drugom protonu dovoljno
su jake da prevaziđu odbojnu elektromagnetnu silu.
• To se naziva rezidualnom jakom (nuklearnom) silom. Ona ’’lepi’’ - drži nukleone
zajedno u jezgru.
• A ‚‚slaba‚‚ nuklerna sila?

15. Credits: http://www.ipp.phys.ethz.ch/
Čestice i sile

16. Spontano narušenje simetrije
Spontaneous broken symmetry. The world of this pencil is completely
symmetrical. All directions are exactly
equal. But this symmetry is lost when the pencil falls over. Now only one
direction holds. The symmetry that
existed before is hidden behind the fallen pencil.

17. Standardni model opisuje elementarne
čestice i sile koje deluju između njih
U modelu postoje
tri generacije
leptona i kvarkova
uređene po rastućim
masama.
U Modelu je
nedostajalo
objašnjenje kako
nastaju masivne
čestice koje prenose
(slabu) nuklaeranu silu
veoma kratkog dometa

18. Jedinstven opis elektromagnetne i slabe sile je moguć ako
pretpostavimo postojanje nove čestice, Higs bozona, koja
omogućava da čestice koje prenose slabu silu postanu
masivne na način kako to opisuje proces “spontanog
narušenja simetrije”.
Pretpostavlja se da se ovaj proces dešavao u ranom
Univerzumu (kada je vladala savršena simetrija i kada su
sve sile bile iste jačine. Sa postepenim hlađenjem
Univerzuma počele su da se kondezuju čestice i sile među
njima razlikuju.
Po modelu takođe, interagujući sa Higs bozonom i sve
druge čestice stiču masu.

19. Spontano narušenje
simetrije
• Spontano narušenje simetrije u fizici se dešava kada sistem koji je simetričan
u odnosu na neku grupu simetrije prelazi u stanje vakuuma (stanje sa najnižom
mogućom energijom) koji nije simetričan. To je fenomen koji se u prirodi dešava
vrlo često.
• Primer za spontano narušenje simetrije je lopta na vrhu brda: ta lopta je u
potpuno simetričnom stanju ali nije stabilna jer vrlo lako može da se skotrlja. U
nekom trenutku lopta će se spontano skotrljati niz brdo u jednom ili drugom
pravcu. Simetrija je narušena jer je pravac u kome se lopta skotrljala izdvojen od
drugih.
• U Standardnom modelu mehanizam kojim se spontano narušava simetrija je
Higsov mehanizam koji podrazumeva postojanje Higs polja i odgovarajuće Higs
čestice, i odgovorno je za mase W i Z bozona i ostalih elementarnih čestica.

20. Higsov mehanizam kroz
jednačine
0μ2
< Zahtevamo da Lagranžijan
kompleksnog skalarnog polja φ
bude U(1) invarijantan u odnosu
LOKALNE transformacije.
Da bismo generisali masu spontanim narušenjem simetrije, potrebno je naći minimum
energiije u slučaju kada je µ2 <0.

21. Fejnmanov dijagram za nastanak
i raspad Higsovog bozona

22. • Zamislite salu punu fizičara. Svi su slučajno raspoređeni po sobi i međusobno
razgovaraju. U svakom delu sobe otprilike je isti broj fizičara, tj. oni su
raspoređeni slučajno i homogeno.
• Zamislite sada da se na vratima te prostorije pojavi neka ``atraktivna osoba …
• … Svi, ili mnogi, će želeti da se pozdrave, razgovaraju sa njom … Odjednom
raspored fizičara u prostoriji više nije homogen. Na jednom mestu, oko recimo Mr
Higgsa (?) okupio se veliki broj fizičara, odnosno Higgs je od homogenog polja
“fizičara” stvorio masu. Mr Higgs će se ‚‚s mukom‚‚ kretati, jere je privukao ljude
oko sebe, na svom putu, (kao da je dobio-povećao SVOJU masu)!
Higsov mehanizam za početnike

23. Higsov mehanizam za pešake
• Zamislimo i malo drugačiju situaciju. Neka se u istoj sobi, sa homogeno
raspoređenim fizičarima na vratima pojavi neko, ko iz zabave, među fizičare
“ubaci” lažnu vest da se u sobi nalazi Mr Higgs…
• … fizičari će lako naći “žrtvu” koja najviše liči na Mr Higgsa i počeće da se
gomilaju oko tog mesta. Kada gomila počne da se stvara, ostali neće videti ništa
samo će pratiti gomilu…
• … i tako će, bez prisustva “čestice” Mr Higgsa, u jednom delu prostorije
“higgsovo” polje fizičara formirati ``gomilu`` – Higgsovu česticu.

24. Kolajder

26. Veliki hadronski kolajder
obim 27 km
CMS
ATLAS
LHCb
ALICE
Ženevsko jezero

28. Izgrađen je uz finasijsku i naučnu podršku
111 zemalja.
Troškovi izgradnje iznose nekoliko milijardi
evra.
Finansiralo ih je uglavnom 20 zemalja
članica CERN-a.
Zemlje koje nisu članice, kao Srbija,
učestvovale su u troškovima izgradnje
detektora na LHC-u.
LHC je smešten u podzemnom tunelu u
obliku prstena na dubini 75-100 m i
preseca granicu Švajcarseke i Francuske
u blizini Ženeve.
LHC je pravi planetarni projekt!

29. CMS (Compact Muon Solenoid) experiment Tracker Outer Barrel.
(Maximilien Brice, © CERN)

30. Kako radi LHC

31. Detektovanje čestica
http://public.web.cern.ch/PUBLIC/en/Research/Detector-en.html

33. Obrada rezultata
U ovome
Treba pronaći
•Pretraga: 1 u
1013
•Jedna osoba na
1000 “Zemlji”

34. CERN: 4. jul 2012. godine

36. Higgs -> ZZ
ATLAS Experiment © 2013 CERN

37. Ima li života HEP fizičarima posle Higsa
• Teorija dopušta postojanje više Higsovih bozona
• Da li postoje supersimetrične čestice
• Koje čestice čine tamnu materiju (25% mase-
energije svemira)
• Šta je tamna energija (70% mase-energije
svemira)
• O mojim nastavnicima profesorima fizike
• Hvala na pomoći
• Hvala na pažnji!

39. Za sada bez dobrog naslova

40. Ali sa lepom porukom
… idemo dalje …

41. • ---- Forwarded Message -----
From: Rolf Heuer <rolf.heuer@cern.ch>
To: cern-personnel (CERN Personnel - Members and Associate Members) <cern-personnel@cern.ch>
Sent: Thu, 02 Apr 2015 16:16:58 +0200 (CEST)
Subject: LHC restart update / Dernières nouvelles du redémarrage du LHC
Version française ci-dessous
•
• After a shutdown lasting two years, the Large Hadron Collider (LHC), the world’s
• biggest and most powerful particle accelerator, is ready once again for the arrival
• of particle beams. The teams are completing the final tests after having solved
• on 31 March the problem that had been delaying the restart of the accelerator.
• The first beams could be circulating in the machine sometime between Saturday and Monday.
•
• “We are confident of being able to restart the machine over the weekend, as all of the tests
• performed so far have been successful,” said Frédérick Bordry, Director for Accelerators
• and Technology at CERN.
•
• When the LHC and the whole accelerator chain are running, operators work in shifts around
• the clock in the control room. They will attempt to circulate beams in the LHC in both directions,
• at their injection energy of 450 GeV, as soon as all the lights are green.
•
• Particle collisions at an energy of 13 TeV could start as early as June.
•