Samo Korpar Velike naprave za majhne delce -- 21. 12. | 17.00 | Miklošičeva dvorana UM

1. Velike naprave za majhne delce
Samo Korpar
Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo, Univerza v Mariboru
in Institut Jožef Stefan, Ljubljana
21. december 2011
seminar Out-of-the-Box
● osnovni delci in standardni model
● kako jih opazujemo
● potrditev standardnega modela
● a smo že na cilju? - novi načrti
● kaj lahko uporabimo?
21. december 2011 Velike naprave za majhne delce Samo Korpar
seminar Out-of-the-Box (slide 1) Univerza v Mariboru in institut Jožef Stefan

2. Model narave
Kaj pričakujemo od opisa osnovnih gradnikov narave?
● Da je preprost (majhno število osnovnih gradnikov)
● in pravilen.
Starodavni opis narave.
Narava je sestavljena iz štirih elementov:
● zrak
● ogenj
ZRAK
● voda
● zemlja
OGENJ VODA
ZEMLJA
→ Preprost, a žal napačen ...
21. december 2011 Velike naprave za majhne delce Samo Korpar
seminar Out-of-the-Box (slide 2) Univerza v Mariboru in institut Jožef Stefan

3. Periodni sistem elementov
Opis narave po D. I. Mendeljejevu:
~ 100 elementov
→ Pravilen, a zapleten ...
21. december 2011 Velike naprave za majhne delce Samo Korpar
seminar Out-of-the-Box (slide 3) Univerza v Mariboru in institut Jožef Stefan

4. Gradniki po nadstropjih
snov atom elektron proton
kvarki
jedro nevtron
Zgodba se nadaljuje:
● atomi so sestavljeni iz majhnega pozitivno nabitega jedra in
'oblaka' elektronov, ki ga na jedro veže električna sila
● jedro sestavljajo protoni in nevtroni povezani z jedrsko silo
● pri radioaktivnem razpadu beta nastane nov delec – nevtrino, ki
le šibko interagira s snovjo in ga zelo težko zaznamo
● odkriti so novi delci mion, pion, kaon …
● protoni in nevtroni so sestavljeni iz kvarkov
● ...
● → standardni model osnovnih delcev in interakcij
21. december 2011 Velike naprave za majhne delce Samo Korpar
seminar Out-of-the-Box (slide 4) Univerza v Mariboru in institut Jožef Stefan

5. Standardni model masa →
naboj →
● Kvarki: u, d, c, s, t, b spin →
ime →
● Leptoni: e-, νe, µ-, νµ, τ-, ντ
Kvarki
● Higgsov delec H (?)
●
Sile: elektrošibka (γ, Z, W) in močna (g)
Umeritveni bozoni
Kvarki ne obstajajo prosti, ampak so
vezani v mezonih (qq) in barionih (qqq).
Leptoni
Leptoni Kvarki
  

d V ud V us V ub d

s = V cd V cs V cb s
b V td V ts V tb b
Foton Gluon
Matrika Cabibbo-Kobayashi-Maskava
(CKM) - zveza med stanji, ki nastopajo
pri šibki in pri močni interakciji. Higgsov bozon
21. december 2011 Velike naprave za majhne delce Samo Korpar
seminar Out-of-the-Box (slide 5) Univerza v Mariboru in institut Jožef Stefan

6. Matrika CKM in unitarni trikotnik
● Pogoj unitarnosti - test standardnega modela:
† ∗ ∗ ∗
V V =I  V ud V ubV cd V cb V td V tb = 0
 ,  
∗
V ud V
∗
ub  V td V tb
V cd V
∗
cb
V cd V ∗
cb
● Relativne velikosti  
elementov. 0,0 1,0
     
∗ ∗ ∗
V td V tb V cd V cb V ud V ub
=arg − ∗
, =arg − ∗
, =arg − ∗
V ud V ub V td V tb V cd V cb
21. december 2011 Velike naprave za majhne delce Samo Korpar
seminar Out-of-the-Box (slide 6) Univerza v Mariboru in institut Jožef Stefan

7. Meritev stranic in kotov trikotnika -
test standardnega modela
● Vub: B -> Xu ℓ ν
● Vtd: mešanje mezonov B
●
α, β, γ: časovno odvisna kršitev CP
2001
21. december 2011 Velike naprave za majhne delce Samo Korpar
seminar Out-of-the-Box (slide 7) Univerza v Mariboru in institut Jožef Stefan

8. Meritev časovno odvisne kršitve simetrije CP
● mezona B nastaneta v hitro gibajočem se sistemu; zaradi velike hitrosti in
podaljšanja življenjskega časa prepotujeta zaznavno pot v laboratorijskem
sistemu
●
razliko časa razpada ∆t lahko določimo z merjenjem lege razpadnih
verteksov
● mezona B sta povezana: okus B lahko ob času t določimo iz razpada B
2 1 1
J/Ψ μ+
μ−
resonanca
B0 KS π+
Υ(4S)
−
π
elektron pozitron
8GeV 3.5GeV −
l
označevalni
mezon B
B0 ∆t K−
t1 t2
21. december 2011 Velike naprave za majhne delce Samo Korpar
seminar Out-of-the-Box (slide 8) Univerza v Mariboru in institut Jožef Stefan

9. Opazovanje delcev
● za opazovanje delcev moramo le te najprej ustvariti (trkalnik) in
nato opazujemo njihove razpade (spektrometer)
● le redki delci živijo dovolj dolgo, da pustijo sledi v detektorjih:
nabiti e ,μ , π , K , p in nevtralni γ , K L , n
● kratkožive delce zaznamo posredno, tako da jih rekonstruiramo
preko njihovih razpadnih produktov:
● poiščemo delce, ki prihajajo iz KS +
π
skupnega verteksa π
−
● iz izmerjenih energij in gibalnih količin lahko
določimo maso delca, ki je razpadel, saj se skupna gibalna
količina in energija ohranjata
2 2 4 2 2
Ei=m i c +pi c
√
2 2
M c = ( ∑ Ei ) −( ∑ pi ) c2
2
⃗
i i
21. december 2011 Velike naprave za majhne delce Samo Korpar
seminar Out-of-the-Box (slide 9) Univerza v Mariboru in institut Jožef Stefan

10. Pospeševanje delcev
● Pospeševanje z elektromagnetnim valovanjem (tipična frekvenc
~500 MHz – mobilni telefoni delujejo pri 900 MHz, 1800 MHz …)
jakost električnega polja
elektron
... podobno deskanju na valovih
● val poskrbi tudi, da ostane gruča v vzdolžni smeri kompaktna
● žarek vodimo z dipolnimi magneti
● za vzdrževanje kompaktnosti v prečni smeri skrbijo multipolni magneti
21. december 2011 Velike naprave za majhne delce Samo Korpar
seminar Out-of-the-Box (slide 10) Univerza v Mariboru in institut Jožef Stefan

11. Trkalnik KEKB
Belle detektor
● pospeševanje elektronov
in pozitronov
izvor e- izvor e+
21. december 2011 Velike naprave za majhne delce Samo Korpar
seminar Out-of-the-Box (slide 11) Univerza v Mariboru in institut Jožef Stefan

12. Kompleks pospeševalnikov v Tsukubi, Japonska
21. december 2011 Velike naprave za majhne delce Samo Korpar
seminar Out-of-the-Box (slide 12) Univerza v Mariboru in institut Jožef Stefan

13. Spektrometer Belle
detektor µ in K L pragovni števec Čerenkova
(14/15 plasti RPC+Fe) (aerogel, n=1.015 -1.030)
3.5 GeV e+
silicijev detektor verteksov
(4 plasti mikropasovnih
detektorjev)
elektromagnetni
kalorimeter
(kristali CsI, 16X0)
8 GeV e-
centralna drift komora
(majhne celice, He/C2H6)
števec časa preleta (ToF)
supraprevodna tuljava
(B=1.5T)
21. december 2011 Velike naprave za majhne delce Samo Korpar
seminar Out-of-the-Box (slide 13) Univerza v Mariboru in institut Jožef Stefan

14. 21. december 2011 Velike naprave za majhne delce Samo Korpar
seminar Out-of-the-Box (slide 14) Univerza v Mariboru in institut Jožef Stefan

15. Detektor verteksov
elektrode p+
● Eden bistvenih elementov
detektorja je detektor verteksa, substrat n
točke, kjer je mezon B razpadel.
● Zelo občutljiv kos aparature iz vrzeli
300µm debelih silicijevih plošč z elektroni
gosto nanesenimi elektrodami:
natančnost meritve mesta preleta nabiti delec elektrode n+
nabitega delca: 10µm !
21. december 2011 Velike naprave za majhne delce Samo Korpar
seminar Out-of-the-Box (slide 15) Univerza v Mariboru in institut Jožef Stefan

16. Potovalna komora
katoda
plin
● meritev točke preleta nabitega delca –
sledenje delcu v magnetnem polju, kjer iz anoda
ukrivljenosti določimo gibalno količino
● meritev specifične ionizacije (= velikost
signala) – identifikacija nabitih delcev
21. december 2011 Velike naprave za majhne delce Samo Korpar
seminar Out-of-the-Box (slide 16) Univerza v Mariboru in institut Jožef Stefan

17. Identifikacija delcev
m c = √ E −p c
2 2 2 2 1
2
m c =p c 2 −1
delec identificiramo tako, da mu
β √
● pioni, kaoni in protoni: določimo maso →
- števec časa preleta ob gibalni količini potrebujemo
- meritev specifične ionizacije še energijo ali hitrost
- pragovni števec Čerenkova
● elektroni:
- elektromagnetni kalorimeter
● mioni: udarni val
- mionske komore (KLM)
● KL :
- mionske komore (KLM)
●
visokoenergijski žarki γ:
- elektromagnetni kalorimeter
razvoj pljuska
21. december 2011 Velike naprave za majhne delce Samo Korpar
seminar Out-of-the-Box (slide 17) Univerza v Mariboru in institut Jožef Stefan

18. Rekonstrukcija dogodka
● sledi nabitih delcev v
magnetnem polju
(polmer kroga je merilo
gibalne količine)
● koordinate točke izvora
sledi
● dodatni podatki o
identiteti delca
B0 → KS J/ψ
KS → π− π+
J/ψ → µ− µ+
21. december 2011 Velike naprave za majhne delce Samo Korpar
seminar Out-of-the-Box (slide 18) Univerza v Mariboru in institut Jožef Stefan

19. Rekonstrukcija J/Ψ in KS
√
2 2
M c = ( ∑ Ei ) −( ∑ pi ) c2
2
⃗
i i
21. december 2011 Velike naprave za majhne delce Samo Korpar
seminar Out-of-the-Box (slide 19) Univerza v Mariboru in institut Jožef Stefan

20. Identifikacija razpada B0
0
B →J /Ψ KS
1
c
2
√ p p 2 2
M BC= 2 E beam −( ⃗ J / Ψ +⃗ K ) c S
21. december 2011 Velike naprave za majhne delce Samo Korpar
seminar Out-of-the-Box (slide 20) Univerza v Mariboru in institut Jožef Stefan

21. Izmerjena asimetrija
0
B →J /Ψ KS
S =sin 2β=0,668±0,023(stat.)±0,013(sist.)
A=0,007±0,016(stat.)±0,013(sist.)
B0
_
B0 tag
a f =S sin(Δ m t )+ A cos(Δ m t )
2001: odkritje →
2011: precizijska meritev!
21. december 2011 Velike naprave za majhne delce Samo Korpar
seminar Out-of-the-Box (slide 21) Univerza v Mariboru in institut Jožef Stefan

22. Unitarni trikotnik 2011
21. december 2011 Velike naprave za majhne delce Samo Korpar
seminar Out-of-the-Box (slide 22) Univerza v Mariboru in institut Jožef Stefan

23. Masa osnovnih delcev – Higgsov bozon
● Higgsov mehanizem 'priskrbi' delcem maso v
okviru standardnega modela
● predvideva obstoj Higgsovega bozona, ki še
vedno čaka na eksperimentalno potrditev
● iščeta ga eksperimenta ATLAS in CMS ob
trkalniku LHC v CERNu
ATLAS Experiment © 2011 CERN
●eksperimentalno najbolj
zanimivi procesi
H→γγ
+ − + −
H →ZZ→l l l l
+ −
H → W W →l νl ν
21. december 2011 Velike naprave za majhne delce Samo Korpar
seminar Out-of-the-Box (slide 23) Univerza v Mariboru in institut Jožef Stefan

24. Spektrometer ATLAS ob LHC
možak..tukaj…
21. december 2011 Velike naprave za majhne delce Samo Korpar
seminar Out-of-the-Box (slide 24) Univerza v Mariboru in institut Jožef Stefan

25. Higgsov bozon?
● rezultat iskanja pri eksperimentu ATLAS s
podatki leta 2011 kažejo presežek dogodkov
okoli mase 125 GeV/c2.
● presežek na istem mestu so opazili tudi pri
eksperimentu CMS
● dokončno potrditev lahko pričakujemo
naslednje leto
ATLAS Experiment © 2011 CERN
ATLAS Experiment © 2011 CERN ATLAS Experiment © 2011 CERN
● sliki dveh dogodkov
z kandidatom
razpada bozona
Higgs:
+ − + −
H →ZZ → e e μ μ
+ − + −
H →ZZ →μ μ μ μ
21. december 2011 Velike naprave za majhne delce Samo Korpar
seminar Out-of-the-Box (slide 25) Univerza v Mariboru in institut Jožef Stefan

26. A smo že na cilju?
Standardni model dobro opiše pojave v fiziki osnovnih delcev pri
dosegljivih energijah, a še ni dokončna slika:
● ne vključuje gravitacije!
● ne opiše zadostno prevlade materije nad antimaterijo!
● obstoj kršitve simetrije CP je le eden izmed treh pogojev
Saharova, ki so potrebni za prevlado materije
● trenutno izmerjena kršitev je za ~10 redov velikosti prešibka za
opis količine materije, ki je ostala po velikem poku
● kaj je temna snov?
~ nič anti-snovi?
Vesolje snov
temna energija?? temna snov?
21. december 2011 Velike naprave za majhne delce Samo Korpar
seminar Out-of-the-Box (slide 26) Univerza v Mariboru in institut Jožef Stefan

27. Iskanje 'nove' fizike
Primerjava direktnega in posrednega opazovanja:
direktno opazovanje (LHC)
posredno opazovanje (Super KEKB)
21. december 2011 Velike naprave za majhne delce Samo Korpar
seminar Out-of-the-Box (slide 27) Univerza v Mariboru in institut Jožef Stefan

28. Direktna kršitev simetrije CP pri razpadih B → K π
razpadi B  K  lahko potekajo preko dveh procesov, ki sta približno
●
enako močna in med seboj interferirata, kar omogoča znatno kršitev CP:
drevesni diagram (barvno dovoljen) pingvinski diagram (močni)
● direktna kršitev simetrije CP pomeni razliko razpadnih verjetnosti za delec
in antidelec:
0 −  0  −
N B  K   ≠ N  B  K  
● merilo razlike je asimetrija:
0 −  0  −
N B  K  −N B  K  
AK ±
∓
≡
N B0  K−  N B0  K  − 
21. december 2011 Velike naprave za majhne delce Samo Korpar
seminar Out-of-the-Box (slide 28) Univerza v Mariboru in institut Jožef Stefan

29. Izmerjena asimetrija pri B  K 
● mezone B prepoznamo po njihovi
invariantni masi
√
2
M BC= E 2
beam −( ∑ pi )
⃗
i
●
N  B 0  K −     N  B0  K   − 
− − 0 + + 0
●
N(B → K π ) > N(B → K π )
● izmerjeni asimetriji sta:
AK ±
∓
= −0.094±0.018stat±0.008sist 
AK ±
0
= 0.07±0.03stat±0.01sist
21. december 2011 Velike naprave za majhne delce Samo Korpar
seminar Out-of-the-Box (slide 29) Univerza v Mariboru in institut Jožef Stefan

30. Ali izmerjena razlika kaže na odstopanja od SM?
●razlika med razpadom nevtralnega in nabitega mezona B je le v
zamenjavi kvarka u s kvarkom d (kvark ne sodelujeta direktno v
procesu). Zato bi pričakovali enako asimetrijo pri obeh
 A = AK ±

0 −AK ±

∓ = 0
drevesni diagram (barvno dovoljen) pingvinski diagram (močni)
21. december 2011 Velike naprave za majhne delce Samo Korpar
seminar Out-of-the-Box (slide 30) Univerza v Mariboru in institut Jožef Stefan

31. Ali izmerjena razlika kaže na odstopanja od SM?
● Izmerjena razlika je
 A = AK ±
0
−AK ±
∓
= 0.164±0.037 @4.4 
Znatna razlika kaže na dodatni proces pri razpadu:
● prispevek barvno zatrtega drevesnega diagrama?
Velikost obeh prispevkov se v
okviru Standardnega modela
zdi premajhna za opis nastale
razlike.
● prispevek elektrošibkega pingvina?
Pri pingvinskem diagramu
lahko dodatno razliko
prinesejo morebitni novi delci,
ki nastopajo v zanki.
→ Nature 452(2008)332
21. december 2011 Velike naprave za majhne delce Samo Korpar
seminar Out-of-the-Box (slide 31) Univerza v Mariboru in institut Jožef Stefan

32. Potreba po večjem vzorcu -> Super KEKB in Belle II
● Čeprav nekatere dosedanje meritve nakazujejo možna odstopanja od
Standardnega modela, so potrebne natančnejše meritve, da bi opažena
odstopanja tudi potrdili.
● Rezultati so trenutno omejeni z velikostjo vzorca, saj gre za opazovanje
redkih razpadov
● Večji vzorec bo omogočal tudi preverjanje napovedi novih modelov o
kršitvah leptonskega števila, kjer so naše meritve trenutno še premalo
občutljive.
Izboljšati je potrebna tako pospeševalnik, za povečanje luminoznosti (→ za
povečanje števila izmerjenih razpadov), kot tudi spektrometer, za povečanje
učinkovitosti rekonstrukcije in prilagoditev detektorjev večjim pogostostim
dogodkov.
Sredi novembra smo imeli v Tsukubi svečano otvoritev nove mednarodne
raziskovalne skupine, ki bo izboljšala pospeševalnik KEKB (→ Super-
KEKB) in spektrometer Belle (→ Belle II).
21. december 2011 Velike naprave za majhne delce Samo Korpar
seminar Out-of-the-Box (slide 32) Univerza v Mariboru in institut Jožef Stefan

33. Trkalnik Super KEKB
nano žarek
Belle II
trk gruč
Nov IR
e- 2.6 A
nova žarkovna cev e+ 3.6 A
zamenjava in prerazporeditev
nekaterih dipolov
Sprememba RF sistema
za višje tokove žarkov
izvor pozitronov z
nizko emitanco Izvor pozitronov
Nov izvor pozitronov
obroč za dušenje
nova žarkovna cev izvor elektronov z
nizko emitanco
Cilj je 40x večja pogostost interakcij
21. december 2011 Velike naprave za majhne delce Samo Korpar
seminar Out-of-the-Box (slide 33) Univerza v Mariboru in institut Jožef Stefan

34. Spektrometer Belle II
Detektor KL in mionov:
EM kalorimeter: števec iz uporovnih plošč
CsI(Tl)+čisti CsI scintilator+WLSF+MPPC
vzorčenje signala
Identifikacija delcev:
detektor časa propagacije
elektroni (7GeV) detektor obročev Čerenkova
Berilijeva žarkovna cev
premer 2 cm
Detektor verteksov
2 sloja DEPFET + 4 sloji DSSD
pozitroni (4GeV)
Centralna potovalna komora
He(50%):C2H6(50%), male celice,
dolga ročica, hitra elektronika
21. december 2011 Velike naprave za majhne delce Samo Korpar
seminar Out-of-the-Box (slide 34) Univerza v Mariboru in institut Jožef Stefan

35. Določanje točke interakcije z Las – debelina 100 mikronov
visoko natančnostjo
Berilijeva žarkovna cev
premer 2 cm
Detektor verteksov
2 sloja DEPFET + 4 sloji DSSD

36. Sledenje nabitih delcev v magnetnem polju
– merjenje gibalne količine
Centralna potovalna komora
He(50%):C2H6(50%), male celice,
dolga ročica, hitra elektronika

37. Uporaba sevanja Čerenkova: svetloba, ki jo izseva delec pri gibanju hitreje od hitrosti
svetlobe v snovi – podobno udarnemu valu, ki nastane pri nadzvočnem letalu!
oton
ov ph
Che renk
Radiator Photon
detector
Identifikacija delcev:
detektor časa propagacije
detektor obročev Čerenkova
Test Beam setup
Aerogel
Hamamatsu HAPD
Q.E. ~30% (recent good ones)

38. Detektor elektronov in visoko energijskih žarkov gama, ki
Belle II Detector
sprožijo pljusk v težkem kristalu
EM kalorimeter:
CsI(Tl)+čisti CsI
vzorčenje signala

39. Zazna mione - delce, ki lahko prebijejo 1m železa -
Belle II Detector
in dolgožive kaone
Detektor KL in mionov:
števec iz uporovnih plošč
scintilator+WLSF+MPPC
hv
Depletion Ω
Region
2 µm
Substrate
Ubias

40. Uporabnost rezultatov raziskav
Dilema o uporabnosti temeljnih raziskav je stara:
Michael Faraday (angleški fizik, 1791-1867): odkril indukcijo –
prava temeljna raziskava v njegovem času (danes pa si brez
nje ne moremo predstavljati življenja: električni generatorji,
radio, televizija, mobilni telefoni ...).
Ko ga je finančni minister vprašal, zakaj so njegove raziskave
koristne, je odgovoril:
“Ne vem, zakaj so koristne, prepričan pa sem, da bo vaš
naslednik od tega pobiral davke.”
Pri eksperimentalni fiziki osnovnih delcev je veliko posrednih koristi,
saj se orodja in aparature, ki jih razvijemo za raziskave lahko
uporabijo na različnih področjih:
● informacijske tehnologije – WWW, GRID
● zdravljenje z obsevanjem – hadronska terapija
● preiskovanje materialov z radioaktivnimi izvori
● slikanja na področju medicinske diagnostike ...
21. december 2011 Velike naprave za majhne delce Samo Korpar
seminar Out-of-the-Box (slide 40) Univerza v Mariboru in institut Jožef Stefan

41. Pozitronska tomografija
● prva aparatura za PET je bila razvita v CERNu
● meritev spominja na poskus v fiziki osnovnih delcev in aparatura je majhen
detektor
Zajemanje
koincidenčnih
dogodkov
● anihilacij in nastanek
žarkov gama
● detekcija dogodkov –
koincidenc
● rekonstrukcija slike
http://www.wikidoc.org/index.php/File:PET-MIPS-anim.gif
Anihilacija
21. december 2011 Velike naprave za majhne delce Samo Korpar
seminar Out-of-the-Box (slide 41) Univerza v Mariboru in institut Jožef Stefan

42. Možne izboljšave PET
● lastnosti novih svetlobnih senzorjev razvitih za nove detektorje delcev
lahko izboljšajo slikanje s PET
● delovanje v magnetnem polju → kombinacija NMR+PET
● časovna ločljivost → TOF PET
PET ● TOF PET s svetlobo
Čerenkova – takojšnje
izsevanje fotonov izboljša
časovno ločljivost
MRI
PET
21. december 2011 Velike naprave za majhne delce Samo Korpar
seminar Out-of-the-Box (slide 42) Univerza v Mariboru in institut Jožef Stefan

43. Povzetek
●rezultati meritev na pospeševalnikih se zelo dobro ujemanje z
napovedmi standardnega modela – teorije, ki opiše osnovne delce in
njihove interakcije
●model še ni dokončen odgovor, saj ne vključuje gravitacije in ne
pojasni nekaterih opazovanj iz kozmologije (prevlada materije nad anti
materijo, kaj je temna snov)
● odgovore iščemo v odstopanju nekaterih meritev od napovedi, ki bi
lahko bile povezane s fiziko izven standardnega modela
● natančnost meritev je trenutno omejena s številom izmerjenih
dogodkov → izboljšanje trkalnika in spektrometra → večji vzorec
● v okviru razvoja novih detektorjev za identifikacijo se razvijajo novi
svetlobni senzorji, ki opirajo nove možnosti za aplikacije v medicinski
fiziki in slikanju z radioaktivnimi izvori
21. december 2011 Velike naprave za majhne delce Samo Korpar
seminar Out-of-the-Box (slide 43) Univerza v Mariboru in institut Jožef Stefan