1 . Úvod 2. Co je mikrosvět a jak do něj nahlédnout? 2.1 O platnosti teorie rozhoduje
description
Transcript of 1 . Úvod 2. Co je mikrosvět a jak do něj nahlédnout? 2.1 O platnosti teorie rozhoduje
![Page 1: 1 . Úvod 2. Co je mikrosvět a jak do něj nahlédnout? 2.1 O platnosti teorie rozhoduje](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062801/568143a0550346895db0206f/html5/thumbnails/1.jpg)
“Tento velký detektivní příběh dosud není vyřešen. Nemůžeme si být jisti, zda vůbec má konečné řešení. Četba nám již poskytla mnoho: naučila nás základům řeči přírody; umožnila nám porozumět mnohým z klíčů a byla často zdrojem radosti a povzbuzení v namáhavém a strastiplném pokroku vědy” A. Einstein, L. Infeld: “Fyzika jako dobrodružství poznání”
1. Úvod
2. Co je mikrosvět a jak do něj nahlédnout?
2.1 O platnosti teorie rozhoduje experiment 2.2 Hierarchická struktura hmoty 2.3 Srážky – hlavní metody studia mikrosvěta
3. Urychlovače a experimenty na nich
3.1 Když to začalo 3.2 Jak urychlovače vypadají a fungují 3.3 Co nám řeknou? 3.4 Jak chytat a měřit částice
4. Urychlovač LHC
4.1 Standardní model 4.2 Urychlovač LHC a jeho první výsledky
5. Závěr
Vladimír Wagner
Ústav jaderné fyziky AVČR, 250 68 Řež, E_mail: [email protected], WWW: hp.ujf.cas.cz/~wagner/
Cesta do mikrosvěta aneb
jak člověk poznával a poznává strukturu hmoty
![Page 2: 1 . Úvod 2. Co je mikrosvět a jak do něj nahlédnout? 2.1 O platnosti teorie rozhoduje](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062801/568143a0550346895db0206f/html5/thumbnails/2.jpg)
Fyzika mikrosvěta – jaké má metody?
Mikrosvět – neobvyklé vlastnosti popisované kvantovou fyzikou
Přiblížení pomocí analogie – tato zjednodušení je třeba je brát velmi opatrně
Věda hledá popis reálného světa
Pravdivost různých interpretací lze řešit jen experimentálním pozorováním
Každá vědecká teorie i hypotéza musí být falzifikovatelná - testovatelná
„Jediné, co mě zajímá, je najít soubor pravidel, která by souhlasila s chováním přírody, a nezkoušet jít příliš daleko za to. Zjistil jsem, že většina filozofických diskusí je psychologicky užitečná, ale nakonec, když se podíváte zpátky do historie, zjistíte, že to, co bylo kdysi řečeno s takovou pádností, je téměř vždy -- do jisté míry -- nesmyslné! “
R. Feynman v rozhovoru v knize P. Daviese a J. Browna „Superstrings: A Theory of Everything?“
Nalezené zákonitosti umožňují dělat testovatelné předpovědi
Úplné pochopení teorie ↔ úplné osvojení fyzikálního i matema-tického aparátu → spočtení předpovídaných fyzikálních veličin Richard Feynman
Karl Popper v Prazev r. 1994
Použití pojmů z makrosvěta na vlastnosti mikrosvěta ↔ pozor opatrně při interpretaci
![Page 3: 1 . Úvod 2. Co je mikrosvět a jak do něj nahlédnout? 2.1 O platnosti teorie rozhoduje](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062801/568143a0550346895db0206f/html5/thumbnails/3.jpg)
Složení hmoty
Hmota je složena z částic - mezi nimi působí interakce
Důležité nástroje pro popis mikrosvěta:
1) Speciální teorie relativity - rychlosti blízké rychlosti světla, kinetická energie srovnatelná s klidovou2) Kvantová fyzika - velmi malé hodnoty veličin kvantový a pravděpodobnostní charakter, Heisenbergův princip neurčitosti
Atomová fyzika, fyzikální chemie
Jaderná fyzika
Fyzika elementárních částic
Superstrunové teorie? (rozměr 10-35 m)?
Hustota vody 103 kg/m3 Hustota jádra ~1018 kg/m3RATOM/RJÁDRO ~ 105 → VATOM/VJÁDRO ~ 1015
![Page 4: 1 . Úvod 2. Co je mikrosvět a jak do něj nahlédnout? 2.1 O platnosti teorie rozhoduje](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062801/568143a0550346895db0206f/html5/thumbnails/4.jpg)
Počátek studia stavby atomu
Diskuze okolo modelu atomu J.J. Thomsona – atom je kladně nabitá koule (3∙10-10m) uvnitř níž jsou elektrony.
Studium chování záření α při průchodu kovovými foliemi – H. Geiger a E. Marsden pod vedením E. Rutherforda (1910). Pozorují:
1) Většina částic α letí přímočaře nebo se rozptýlí jen trochu2) U několika málo pozorují velký odklon a výjimečně i odraz (velmi překvapivé).
Vysvětlení: atom se skládá ze dvou rozdílných částí: atomového jádra (10-14 m) a elektronového obalu → jaderný či planetární model atomu.
Přítomnost protonů (jader vodíku) v atomovém jádře prokázal E. Rutherford (1919).
W. Bothe a H. Becker (1930) nový pronikavý typ záření (ostřelování Be, B nebo Li částicemi α). J. Chadwick (1932) - jsou to neutrální částice s hmotností blízkou hmotnosti protonu – neutrony Planetární model atomu:
Rutheford a Marsden u zařízení
![Page 5: 1 . Úvod 2. Co je mikrosvět a jak do něj nahlédnout? 2.1 O platnosti teorie rozhoduje](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062801/568143a0550346895db0206f/html5/thumbnails/5.jpg)
Experimentální pozorování je rozhodujícím kritériem pro uznání platnosti hypotézy a její přeměnu v teorii
Větší detaily, energie a teploty, produkce těžších částic
Stěžejní nástroj – srážka urychlených částic
1) Nárůst energie → větší detaily
Zatím největší urychlovače E ~ 100 GeV → 10-18m
2) Produkce částic s vyšší klidovou energií (hmotností)
Celkové energie už přímo makroskopické – pád 0,02 g z výšky 1 m srážka dvou menších much nebo větších komárů
Klidová hmotnost protonu: ~ 1 GeV
LHC – srážka protonů s energiemi 7000 GeV
Jádra olova (208 nukleonů) na každý 2700 GeV 1 123 200 GeV = 1,8∙10-4 J
Hmotnost 1 g se stejnou rychlostí 51017 J (10 000 hirošimských bomb)
Stejná energieRozdíl rozměrů 1014
V současné době už se sráželi
1 eV = 1,602∙10-19J
E = mc2
3) Dosažení co nejvyšších hustot a teplot
![Page 6: 1 . Úvod 2. Co je mikrosvět a jak do něj nahlédnout? 2.1 O platnosti teorie rozhoduje](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062801/568143a0550346895db0206f/html5/thumbnails/6.jpg)
http://www.aip.org/history/lawrence/larger-image-page/epa-20.htm
Historické stránky Americké fyzikální společnosti (AIP)
Potřeba urychlovat částice na vyšší energie – produkce a hledání nových částic
Existence kosmického záření – jeho doplnění umělým zdrojem
Princip urychlovače typu cyklotron
První urychlovač – E.O. Lawrence v roce 1930
typ – cyklotron
zdroj částicmagnetické pole – kruhová dráha částiceelektrické VF pole pro urychlení
Nobelova cena za fyziku 1939
nyní více než 10 000 urychlovačů různých typů
!!! Potřebujeme urychlovač !!!
![Page 7: 1 . Úvod 2. Co je mikrosvět a jak do něj nahlédnout? 2.1 O platnosti teorie rozhoduje](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062801/568143a0550346895db0206f/html5/thumbnails/7.jpg)
Původní patentový nákres a model prvního urychlovače(průměr okolo 11 cm, V = 1800 V) Současné urychlovače – obrovské množství různých
typů. Od malých produkčních pro medicínu (japonský R = 1 m) až po giganty v CERNu (R = 4 km)
![Page 8: 1 . Úvod 2. Co je mikrosvět a jak do něj nahlédnout? 2.1 O platnosti teorie rozhoduje](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062801/568143a0550346895db0206f/html5/thumbnails/8.jpg)
Z čeho se urychlovač skládá:
Iontový zdroj – produkce nabitých částic
Elektrostatické nebo proměnné elektrické pole – urychlení částice – urychlovací systém
Magnetické pole – určuje dráhu částice, provádí fokusaci svazku – magnetické čočky vedou svazek a snaží se co nejvíce jej zúžit
Radiační ochrana – zajištění bezpečnosti pomoci stínění
Vakuový systém – částice se při urychlování musí pohybovat ve vysokém vakuu – nutný systém vývěv
Zdroj plazmy – elektrický výboj
Dipólové magnety LHC
Chlazení – supravodivé magnety potřebují heliové teploty
Řídící centrum urychlovače LHCKryogenní systém pro LHC
Řídící systém – ovládání, řízení a kontrola práce urychlovače Urychlovací prvky LHC
![Page 9: 1 . Úvod 2. Co je mikrosvět a jak do něj nahlédnout? 2.1 O platnosti teorie rozhoduje](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062801/568143a0550346895db0206f/html5/thumbnails/9.jpg)
V současnosti už tři roky funguje největší urychlovač na světě
![Page 10: 1 . Úvod 2. Co je mikrosvět a jak do něj nahlédnout? 2.1 O platnosti teorie rozhoduje](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062801/568143a0550346895db0206f/html5/thumbnails/10.jpg)
1700 supravodivých magnetůz nich 1232 největších dipolových 200 teplých magnetů
Tedy 1700 kryogenních propojení.Tedy 50000 kryogenních svarů200 000 m2 vícevrstevné izolace
Obvod 27 km – slušná linka metra- čtyři experimenty čtyři zastávky čtyři křížení dvojice rour
Spouštění magnetu do podzemního tunelu
Spojovací část mezi jednotlivými sekcemi
120 tun supravodivého a supratekutého helia
![Page 11: 1 . Úvod 2. Co je mikrosvět a jak do něj nahlédnout? 2.1 O platnosti teorie rozhoduje](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062801/568143a0550346895db0206f/html5/thumbnails/11.jpg)
LHCb
CMSALICE
ATLAS
![Page 12: 1 . Úvod 2. Co je mikrosvět a jak do něj nahlédnout? 2.1 O platnosti teorie rozhoduje](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062801/568143a0550346895db0206f/html5/thumbnails/12.jpg)
Nejen připravit hmotu z počátku vesmíru, ale i si ji prohlédnout
Máme na to detektory – a tu jsou jejich úkoly:
1) Zachytit co nejvíce částic a určit jejich vlastnosti2) Zachytit a určit energii i těch nejenergetičtějších částic3) Zachytit dráhu krátce žijících částic nebo dráhy jejich produktů rozpadu4) Určit hybnosti částic5) Určit náboje částic
Vnitřní dráhové detektory
Hadronové kalorimetry
Elektromagnetické kalorimetry
Velké dráhové komory(umístěné v magnetickém poli)
![Page 13: 1 . Úvod 2. Co je mikrosvět a jak do něj nahlédnout? 2.1 O platnosti teorie rozhoduje](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062801/568143a0550346895db0206f/html5/thumbnails/13.jpg)
Jeden z posledních snímků ALICE před uzavřením jeskyně před čtyřmi lety
(nejmladší „fyzik“ na obrázku pochází z české ALICE komunity)
!!! Velký experiment – potřeba hodně lidí !!!
![Page 14: 1 . Úvod 2. Co je mikrosvět a jak do něj nahlédnout? 2.1 O platnosti teorie rozhoduje](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062801/568143a0550346895db0206f/html5/thumbnails/14.jpg)
Účast našich studentů na instalaci křemíkových driftových detektorů a jejich elektroniky
Čekání na ALICI – čekali a čekají i čeští fyzikové
![Page 15: 1 . Úvod 2. Co je mikrosvět a jak do něj nahlédnout? 2.1 O platnosti teorie rozhoduje](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062801/568143a0550346895db0206f/html5/thumbnails/15.jpg)
![Page 16: 1 . Úvod 2. Co je mikrosvět a jak do něj nahlédnout? 2.1 O platnosti teorie rozhoduje](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062801/568143a0550346895db0206f/html5/thumbnails/16.jpg)
První případy srážek dvou jader olova z experimentu ALICE(místo 10 až 100 částic se ve srážce produkuje až 10 000 částic)
![Page 17: 1 . Úvod 2. Co je mikrosvět a jak do něj nahlédnout? 2.1 O platnosti teorie rozhoduje](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062801/568143a0550346895db0206f/html5/thumbnails/17.jpg)
Standardní modelHmota je tvořena částicemi (fermiony s=1/2), mezi kterými působí interakce, které jsou zprostředkovány výměnou částic (bosony s=celé číslo)
Tři druhy interakcí: 1) Silná - kvantová chromodynamika (působí pouze na kvarky a z nich složené hadrony – baryony a mezony)
2) Elektromagnetická - kvantová elektrodynamika 3) Slabá - elektroslabá teorie
+ antičástice
Gravitace stojí mimo standardní model – je velmi slabá a v mikrosvětě se neprojevuje
tvoří běžnou hmota za normálních podmínek
výměnný charakterinterakcí
baryony – tři kvarky
mezony – kvark a antikvark
elektrický náboj
barevný náboj
Tady je Higgs
Je spojený s generací části hmotnosti
![Page 18: 1 . Úvod 2. Co je mikrosvět a jak do něj nahlédnout? 2.1 O platnosti teorie rozhoduje](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062801/568143a0550346895db0206f/html5/thumbnails/18.jpg)
Budovaný urychlovač LHC
Proč: Studium hmoty existující ve vesmíru Pochopení vlastností sil, které v přírodě působí
Dosažená teplota: ~ 2,1×1012 K
Dosažená hustota: ~ 4 ρ0 = 1018 kg/m3
Jak: Urychlovač – produkce husté a horké hmoty (možnost prokázal urychlovač BEVALAC) Experimentální zařízení – studium této hmoty
Soustava s neutronovou hvěz-dou v představách malíře
RHIC a LHC jsou kuchyně pro vaření velmi horké polévky
80. léta – začátek studia horké a husté jaderné hmotyZačátek 21. století – studium extrémně horké hmoty
Jak získat nejhustší a nejteplejší hmotu v laboratoři
![Page 19: 1 . Úvod 2. Co je mikrosvět a jak do něj nahlédnout? 2.1 O platnosti teorie rozhoduje](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062801/568143a0550346895db0206f/html5/thumbnails/19.jpg)
Jak identifikovat částici detekcí produktů rozpadu?
222
2n
1ii
2n
1ii cpE mc
Určit hybnosti a energie produktů rozpadu a z nich spočítat klidovou hmotnost původní částice
![Page 20: 1 . Úvod 2. Co je mikrosvět a jak do něj nahlédnout? 2.1 O platnosti teorie rozhoduje](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062801/568143a0550346895db0206f/html5/thumbnails/20.jpg)
Existence nové částice ?higgse? potvrzena !
1) Potvrzen přebytek pro γγ a ZZ rozpady v oblasti hmotnosti 125 GeV
2) Pravděpodobnosti produkce a rozpadu odpovídají standardnímu higgsi
3) Jedná se o boson se spinem 0
4) Větší statistika a studium dalších reakcí potvrdí, zda jde opravdu o standardního higgse
![Page 21: 1 . Úvod 2. Co je mikrosvět a jak do něj nahlédnout? 2.1 O platnosti teorie rozhoduje](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062801/568143a0550346895db0206f/html5/thumbnails/21.jpg)
LHCb – studium rozdílu mezi hmotou a antihmotou
Rozpad Bd0 částic a antičástic
![Page 22: 1 . Úvod 2. Co je mikrosvět a jak do něj nahlédnout? 2.1 O platnosti teorie rozhoduje](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062801/568143a0550346895db0206f/html5/thumbnails/22.jpg)
Není černá díra jako černá díra
!!! Mikroskopická černá díra (pokud existuje) je neškodná !!!
Klasická černá díra Mikroskopická černá díra
Je ve vesmíru pozorována
Rozměr i hmotnost hvězdnáZatím jen hypotetický objekt v exotických teoriích
Hmotnost atomového jádraRozměr 1000 x menší než proton
Hned se vypaří
Do atmosféry Země dopadá kosmické záření ještě s většími energiemi než mají protony a jádra na LHC
![Page 23: 1 . Úvod 2. Co je mikrosvět a jak do něj nahlédnout? 2.1 O platnosti teorie rozhoduje](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062801/568143a0550346895db0206f/html5/thumbnails/23.jpg)
Závěr
• Fyzikové vypracovávají teorie, které nám umožňují předpovídat budoucí děje. Správnost těchto teorií se dá ověřovat jedině experimentem a srovnáním předpovědí s pozorováním.
• Nejběžnějším typem experimentu v jaderné a částicové fyzice jsou srážky
• Pro srážky s vysokou energií potřebujeme urychlovače – stále větší a větší urychlovače
• Měří se stejné nebo podobné fyzikální veličiny, které znáte. Jen je k tomu třeba mít složitější přístroje.
• Vidíme stále větší detaily a produkujeme stále těžší částice.
• Také horkou a hustou hmotu, jaká byla na počátku vesmíru můžeme dostat i v laboratoři pomocí srážek těžkých jader urychlených na rychlosti blízké rychlosti světla.
• Nový urychlovač znamená i objev nových částic a potvrzení teorií.
• Koncem roku 2009 začal pracovat největší urychlovač na světě LHC, už třetí rok poskytuje první informace
• Účast českých fyziků - příležitost i pro studenty VŠ a tedy i pro Vás