Лекция об истории и современном состоянии физики элементарных частиц и смежных вопросов. Летняя школа "Русского Репортёра", июль-август 2012 г.

1. Большой адронный коллайдер
иThe LHC: элементарных частиц
физика Citius, Altius, Fortius…
James Gillies, Head, communication group, CERN
Орлов 27 November 2006
Илья Олегович
Новосибирский государственный университет
Институт ядерной физики СО РАН
ЦЕРН, Женева, Швейцария
09.08.11 И. О. Орлов, СПФКС-9 1

2. Вещество
Атомы
Молекула
Атом
u u Электроны
Ядро
u u
d d
u Ядро
Нейтрон
d u u
u d Протон
d u
d
d
d u
u u d
d
u Протон
d Кварки

3. 1895 г. Фотон
• Лучи в вакуумной
трубке
• Нобелевская премия
по физике - 1901 г.
В. К.
Рёнтген

4. Электрон, протон, нейтрон
• Электрон – 1897
• Протон – 1918
• Нейтрон – 1932
Дж. Томсон Э. Резерфорд Дж. Чедвик
• Ядерные силы
• «Мезон» Юкавы

5. Позитрон
• 1928 г. - теория
• 1932 г. - обнаружение
• Не вписывается в модель атома
П. А. М. Дирак
Эра антивещества
К. Д. Андерсон

6. Мюон
• 1937 г., космические лучи
• M = 105 МэВ
• T = 2∙10-6 сек (долго!)
К. Д. Андерсон

7. Пион
• «Мезон» Юкавы
• Переносчик ядерных сил
• Космические лучи, 1947 Цезарь М. Дж. Латтес
• M = 140 МэВ
• T = 2∙10-8 сек

8. Каон
• 1950-1953 г.
• M ~ 500 МэВ
• T ~ 10-10 сек
• Странная частица!

9. Нейтрино
• Предложена в 1931 (Паули)
• Сохранение энергии в
бета-распаде
• Эксперимент: 1956 г.

11. 1963 год
Переносчик
p+ p- ядерных сил
π±
Переносчик
n0 n0 γ
ЭМ сил
e- e+
νe K± μ± νμ

12. Кварковая модель
p+ π± n0
u u
u d u М. Гелл-Манн
d u
d
u u d u
d d u
d
d u
u u d
d
d u

13. Коллайдеры
• 1963 г.
• ИЯФ СО АН СССР, Новосибирск
• Стэнфордский университет
Г. И. Будкер В. К. Г. Панофски

16. ВЭП – 1

18. The Stanford two-mile electron linear accelerator (SLAC)

21. 09.08.11 И. О. Орлов, СПФКС-9 21

22. 09.08.11 И. О. Орлов, СПФКС-9 22

23. 1963-2010
• 1974 – J/ψ – c-кварк
• 1975 – τ-лептон
• 1977 – Υ – b-кварк
• 1979 – Глюон
• 1983 – W и Z-бозоны
• 1989 – Три поколения частиц
• 1995 – t-кварк

25. ЦЕРН в цифрах
• 2500 штатных
сотрудников
• 6500 “пользователей”
• Бюджет (2003 г.) –
1280 MCHF (817 M
евро)
09.08.11 И. О. Орлов, СПФКС-9 25

26. Наблюдатели:
ЮНЕСКО, Евросоюз,
Япония, Турция, Израиль,
США, Россия
09.08.11 И. О. Орлов, СПФКС-9 26

27. Возрастное распределение
1 000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

28. Сотрудники ЦЕРН в странах мира
92
41
34

29. Деятельность ЦЕРНа
• Проект LHC: ускорители и эксперименты
• LHC: вычислительные мощности
• Long base neutrino beam
• Антипротонный охладитель
• Высокоэнергетичные мюонные и адронные пучки

30. ЦЕРН – лаборатория физики частиц
Фундаментальные частицы
и взаимодействия

31. Цепь ускорителей ЦЕРНа
P-P, очень высокая энергия
Антипротоны
P, высокая энергия
P, низкая энергия
n_TOF Ядерная физика

32. LHC
p-p collider
7 TeV + 7 TeV
Основные задачи
•Бозон(ы) Хиггса
Luminosity = 1034 cm-2 c-1 •Суперсимметрия
•Кварк-глюонная
плазма
32
•CP-нарушение

33. Дипольные магниты LHC (1232)
09.08.11 И. О. Орлов, СПФКС-9 33

34. Сверхпроводящие магниты

35. Большой адронный коллайдер

36. CMS

37. Diameter 25 m
Barrel toroid length 26 m
End-cap end-wall chamber span 46 m
Overall weight 7000 Tons

38. 09.08.11 И. О. Орлов, СПФКС-9 38

39. The Main Building «fits in » the ATLAS Cavern

40. Коллаборация

41. Объём данных LHC
1 мегабайт (1 Мб)
Цифровая фотография
На эксперимент: 1 гигабайт (1 Гб)
= 1000 Мб
• 40 миллионов столкновений в секунду DVD-фильм
• После фильтрации - 100 событий в секунду 1 терабайт (1 Тб)
представляют интерес = 1000 Гб
Годовое производство
• 1 Мб оцифрованных данных на каждое событие книг в мире
= 100 Мб/сек 1 петабайт (1 Пб)
= 1000 Тб
• 1 миллиард записанных событий = 1 Пб/год 10% годового потока
данных LHC
Общий поток данных с 4 экспериментов - 1 эксабайт (1 Эб)
= 1000 Пб
до 15 петабайт в год Годовой производимый
объем информации

42. данные вес DVD
за год
Сырые данные 3,2 Пб 14 000 кг
Реконструкция 1,0 Пб 4 400 кг
Физические 0,2 Пб 784 кг
данные
Публикации 10 Мб
1 Пб = 1 петабайт = 1000 терабайт

43. Для обработки требуется невероятное
количество компьютеров
Калибровка
Реконструкция
Моделирование
Анализ
Итого необходимо около
10 000 современных PC
Мировое производство
за ~6 ч.

44. World Wide Collaboration
⇒ distributed computing & storage capacity
Europe: 267 institutes, 4603 users
Other: 208 institutes, 1632 users
И. О. Орлов, СПФКС-9 44

45. Иерархия GRID
~PByte/sec
Online System ~100-1500
Experiment MBytes/sec
CERN Center
Tier 0 PBs of Disk;
Tape Robot
Tier 1 +1
IN2P3 Center RAL Center INFN Center FNAL Center
2.5-10 Gbps
Tier 2 Tier2 Center Center Center Center Center
Tier2 Tier2 Tier2 Tier2
Tier 3
InstituteInstitute Institute Institute
Десятки петабайт в 2007-8.
Physics data cache
0.1 to 10 Gbps Эксабайт ~5-7 лет спустя.
Workstations Tier 4

46. WWW и CERN
Tim Berners-Lee
World Wide Web -
доступ к информации
во всех уголках
земного шара
Grid - доступ со всех
уголков земного шара к
единому хранилищу
данных

47. 09.08.11 И. О. Орлов, СПФКС-9 47

48. Современные задачи
• Поиск и проверка параметров Хиггс-бозона
• Аномальные энергии космических лучей
• Поиски новой физики за Стандартной
Моделью
• Проверка нарушений CPT-симметрии
• Проверка суперсимметричных теорий
• Проблема тёмной материи
• Масса нейтрино
• Искусственные чёрные дыры
• Обнаружение гравитационных волн
• «Великое объединение» взаимодействий

49. Бозон Хиггса
• Частица, «ответственная» за инерционную
массу частиц

50. Бозон Хиггса
• Масса – один из принципиальных
параметров Стандартной Модели
• M ~ 125,5 ± 0,5 ГэВ

51. Космические лучи

52. Энергетический спектр
Галактические Отсечка Грейзена-Зацепина-
источники Кузьмина
(GZK cutoff)
E ~ 5∙1020 эВ
AGASA: 17 событий > 6x1019 эВ
Источники HiRes : 2 события (~ 20 ожидалось)
вне Галактики
Неизвестно

53. AUGER и EUSO
AUGER EUSO
Флуроресценция + наземные детекторы Флуоресценция из космоса
2 площадки (Аргентина, США): Оценка - 103 ч/год за GZK
1600 детекторов + 4 телескопа, 3000 км2 Старт: 2010 (на 3-5 лет)

54. “Knowing more about the
Higgs and Supersymmetry
http://aliceinfo.cern.ch will let us pose the next
http://cmsinfo.cern.ch questions more sensibly”
http://atlas.ch/
http://cern.ch
http://en.wikipedia.org/wiki/CERN
http://elementy.ru/LHCО. Орлов, СПФКС-9
09.08.11 И. 54

55. Есть вопросы?
• OrlovIO@gmail.com
• nirs@post.nsu.ru
• http://VKontakte.ru/orlovio
• http://Facebook.com/OrlovIO
• http://Twitter.com/OrlovIO
Как получить презентации лекций?
• http://slideshare.net/OrlovIO
• или написать и попросить :)