Med LHC og ATLAS mod højere energier Mogens Dam Niels Bohr Institutet CERN-dag, IfA, Århus Universitet 1. april, 2005

Hvor kommer det hele fra ?

Men hvad er stof ”lavet af” ? Verden er lavet af stof... Men hvad er stof ”lavet af” ?

Stoffets struktur ? ? Atom (10-10 m) Elektron Quark < 10-18 m Nucleon (10-15 m) Kerne (10-14 m) < 10-18 m Quark ?

Stoflige Partikler Leptoner Quarker e- d e u I - s  c II t- b  t Til enhver partikel hører en tilsvarende anti-partikel Stoflige Partikler -1 2/3 -1/3 Ladning Leptoner Quarker e- electron d down e e-neutrino u up I - muon s strange  -neutrino c charm II t- tau b bottom  -neutrino t top III Vore omgivelser består udelukkende af 1. generation: u, d og e For eksempel: proton = uud, neutron = udd Fermioner: spin-1/2 Generationer:

Enheder: GeV/c2 (~proton massen) Fermion Masser b t e- d ne u m- s m c 3x10-3 5x10-3 < 10-8 5x10-4 < 0.02 1.8 175 4.5 < 0.0002 0.1 1.5 0.3 t- nt Enheder: GeV/c2 (~proton massen) o Generationerne er identiske bortset fra masser o Stor tilvækst i masse fra generation til generation o Hvorfor egentlig mere end én generation ??

E = mc2 Stof og anti-stof e Til enhver partikel hører en tilsvarende anti-partikel Anti-partikler “ser ud” som partikler, men har modsat ladning Partikler og anti-partikler skabes og ødelægges i par e + - Elektron og positron annihilerer og producerer g-stråler (energi) E = mc2

Vekselvirkninger og kræfter Naturen er opbygget af elementære byggesten: quarker og leptoner Men hvad holder byggestenene sammen ? - Hvordan “føler” to magneter hinanden, så de tiltrækkes eller frastødes? - Hvordan tiltrækker Solen Jorden? Kræfter er noget, der kommunikeres mellem objekter: - udveksling af intermediære kraftbærende partikler e- g m- tid Eksempel: spredning af elektron og muon ved udveksling af foton

Four Fundamental Interactions Primary importance in Nature Mediating particle Gravitational Cosmology; Planetary orbits; Graviton (not yet observed) Weak Radioactive decays; Stellar energy W+,W-,Z0 (heavy) Electromagnetic Atomic physics; Chemistry Photon:  (massless) Strong Hadron formation; Nuclear physics Gluons: G Gravity extremely feeble (but cumulative): Neglegible in particle physics interactions

Standard-Modellen og Masse Teorien bag den moderne partikelfysik, Standard-modellen, tillader ikke i udgangspunktet partikler at have masser; hverken stoflige eller kraftbærende partikler. Modstrid med observation: Hvordan kan teorien så være succesrig? Masser indføres via den såkaldte Higgs-mekanisme Igen meget succesrig, men teorien forudsiger som et bi-produkt eksistensen af den såkaldte Higgs-partikel Higgs-partiklen har været eftersøgt i mere end to årtier; men stadig ikke fundet Fundamentalt for teoriens succes at finde Higgsen!!

Higgs Mekanismen (populært) 1) En reception med en masse fysikere Eller hvordan man kan få større træghed (masse) p.g.a. vekselvirkning med sine omgivelser: 2) En berømt fysiker kommer ind i rummet og forsøger at bane sig vej til baren i den modsatte side 3) Folk stimler sammen om ham, og han får vanskeligere ved at komme frem; han har fået større masse p.g.a. vekselvirkning med omgivelserne

Higgs-Partiklen 1) Det bliver fejlagtigt annonceret, at en berømt fysiker er i rummet Mekanismen virker også, hvis der blot går rygte om, at der er en berømthed til stede: Higgs-partiklen 2) Fysikerene stimler sammen, fordi de tror berømtheden er iblandt dem Higgs-mekanismen medfører eksistensen af Higgs-partiklen Mere matematisk: Masser indføres ved at indføre et 4-komponent Higgs-felt overalt i rummet. Partiklers masser fremkommer dynamisk ved kobling mellem Higgs-felt og partikel-felter. Én komponent af Higgs-feltet står tilbage: Higgs-partiklen

Eksperimentelle metoder To metoder til udforskning af det meget lille; begge kræver meget høje energier: Berømt eksempel (Rutherford 1912) 1970: substrukturen af proton og neutron opdaget ved anvendelse af elektron som projektil ”Mikroskop”: afdæk struktur ved beskydning med partikelstråle E=mc 2 2) Annihiler 2 partikler og skab nye fra den frigivne energi

En partikelaccelerator Et standard TV apparat Elektronernes energi er omkring 20 keV

Elektronernes og positronernes energi er omkring 100 GeV LEP acceleratoren Elektronernes og positronernes energi er omkring 100 GeV

CERN Det europæiske forskningslaboratorium for partikelfysik i Geneve

LEP – Large Electron Positron Collider (1989-2000) Præcis test af Standard-modellen inklusiv studiet af Z og W partiklerne

Tværsnit ne m nt 2.9841  0.0083 Total cross sections DORIS PETRA TRISTAN PEP CESR e+e-  m+m- e+e-  gg Sandsynlighed for at e+e- annihilerer DELPHI e+e-  hadrons Præcis scan af Z0 resonancen  Antallet af forskellige neutrinoer: 2.9841  0.0083 ne m nt

Præcisionsmålinger ved LEP Præcise målinger af et stort antal fysiske størrelser har bekræftet at Standard-modellen er en god beskrivelse af naturen Størrelsen af disse variable afhænger (svagt) af massen af Higgs-partiklen. Målingerne giver en indirekte bestemmelse af Higgs-massen, selvom Higgsen endnu ikke er set.

Hvad vi lærte om Higgs ved LEP Skønt ihærdig eftersøgning lykkedes det ikke at eftervise Higgs-partiklen ved LEP Vi kiggede her og fandt intet Ikke energi nok til at søge her Indirekte information om Higgs-partiklens masse gennem præcisions-målinger: Higgsen synes at være let (< 200 GeV) Direct search: mHiggs > 114.4 GeV

Status af Standard-modellen Standard-modellen er uhørt succesrig: stemmer med alle måledata Den efterlader imidlertid en del ubesvarede spørgsmål: Hvorfor er der 3 generationer af fermioner ? Er der et underliggende mønster i fermion-masserne Quarker: 0.005 -- 175 GeV Leptoner: 10-11 -- 1.8 GeV Findes Higgsen? ... eller er der noget vi har misforstået? Hvordan får vi tyngdekraften ind i billedet? Lige siden Einstein har man forgæves forsøgt at forene kvantemekanik med generel relativitetsteori (idag: strengteori) Alle spørgsmål har noget at gøre med massebegrebet... Hvad er masse egentlig for noget? Svar. . . Søg efter en underliggende mere fundamental teori

Hvordan kommer vi videre 1. Find Higgsen (eller bliv overbevist om at den ikke findes) Hvis Higgs: Mål dens egenskaber Hvis ikke Higgs: Standard-modellen i krise  finder sandsynligvis noget andet 2. Kig efter tegn på ”ny fysik” Super Symmetri (SUSY) Compositeness TeV-scale gravity; extra dimensioner 3. Stærke teoretiske årsager til at forvente Higgs og/eller ”ny fysik” ved en energi under eller i nærheden af 1 TeV  LHC projektet

LHC-projektet Proton-proton kollider i LEP-tunnelen Massecenter energi på 14 TeV Opstart i 2007

ATLAS Detektoren NBI aktiv her Travlthed med at opbygge eksperimentet

ATLAS Experiment NBI involvement General Purpose Experiment: Large discovery potential for Higgs and all foreseen (and unforeseen) forms of ”new physics” Several precision measurements Running conditions: Bunch Xing time: 25 ns Several interactions per Xing - initial running: 2-3 - after few years: ~25 Event rate: ~1 GHz => very robust detector needed Large International Collaboration: 1800 physicists from 150 universities in 34 countries NBI involvement

Hvis Higgsen er der finder vi den!! Higgs ved LHC Hvis Higgsen er der finder vi den!! Eksemple: H -> gg

LHC: Ny fysik Stort potential for at opdage diverse Clear signature former for ny fysik Clear signature Mass measurements via position of edges in cascade decays

NBI involvement: TRT EndCap: 112 wheels of 3 types 2304 to 3072 straws Radiator Straws EndCap: 112 wheels of 3 types 2304 to 3072 straws per wheel. ~300k chnls NBI involvement: TRT Radiator Straws Barrel: 96 modules of 3 types 329 to 793 straws per module. ~100k chnls Total: 400k readout channels End-cap Barrel Dual purpose: measurement of charged particle trajectories - identification of electrons

Transition Radiation Tracker Detector being assembled at CERN Barrel Endcap

TRT Electronics NBI: Testing Design and production ROD TTC DTMROC Front End Back End Trigger, Timing & Control: Communication with ATLAS, L1 trigger, detector read-out TTC 8 ch 480 outputs 16 ch 240 inputs ROD DTMROC Time encoding Track & TR thresholds Test pulses Pipeline Sparsification ASDBLR Amplifier Shaper Tail cancellation Discriminator Baseline restorer Read Out Driver: Data Format Error checking Event transfer (ROB)

Opsummering og udsyn De seneste årtier har vi været vidne til hurtige fremskridt i partikelfysikken Standard-modellen giver en god beskrivelse af partikelfysikken Imidlertid ingen forståelse af fermion-generationer, masser, etc. Hovedspørgsmålet drejer sig om masser I den minimale model skal Higgs-partiklen eksistere. Meget tyder på, at der er “ny fysik” i området under 1 TeV. LHC vil dække dette område med opstart i 2007 En spændende tid venter os … Lets explore the Standard Model... ... and beyond !!!

Atomet omkring 1900 Atomer omorganiserer sig i kemiske reaktioner Mere end 100 atomer (H, He, Fe …) Indre struktur ikke forstået – men man vidste der var elektrisk ladning indeni

Det Periodiske System: Grundstofferne grupperes i familier med lignende egenskaber (f.eks. ædelgasser He, Ne etc.). Det Periodiske System: Mendeleev (1869) Familier/periodicitet: antydning af en ny indre struktur med simplere byggesten

Atomets struktur Rutherford (1912): Atomet indeholder lette elektroner der kredser omkring en tung central kerne Bohr (1913): Elektroner kredser omkring kernen i baner med veldefinerede energier 10-10 m

Kernens struktur 10-14 m Kernen er lille og tæt; en tid troede man den var fundamental Men stadig lige så mange kerner som atomer Forenkling: alle kerner består af nukleoner: ladede protoner neutrale neutroner

Nukleoners struktur 10-15 m Vi ved nu, at selv protoner og neutroner er sammensatte partikler De er opbygget af mindre partikler som kaldes quarker Indtil videre er der ingen eksperimentel evidens for at quarkerne ikke er fundamentale (“punkt-formede”) 10-15 m

Det moderne atom En sky af elektroner i konstant bevægelse omkring kernen Protoner og neutroner i konstant bevægelse i kernen Quarker i konstant bevægelse indeni protoner og neutroner

Størrelser indeni atomet Kernen er 10.000 gange mindre end atomet Protonen og neutronen er 10 gange mindre end kernen Ingen evidens for at quarker overhovedet har nogen størrelse ! - mindre end 10-18 m

Nye partikler Kollisioner mellem elektroner og kerner i kosmiske stråler og ved partikel-acceleratorer startende i 1930’erne førte til opdagelsen af mange nye partikler Nogle var forudsagt; mange andre var uventede - Muonen; som en tung elektron: “Who ordered that?” Først regnede man dem alle for elementære Fra 1960’erne forklaring gennem Quark-modellen

Gluonen og farver Den stærke kraft holder quarker sammen så de danner hadroner Bæreren af den stærke kraft kaldes gluonen Gluonen kobler til farve-ladning: 3 farver og 3 anti-farver Både quarker og gluoner bærer farve-ladning Dette har selvfølgelig intet at gøre med det vi traditionelt forstår ved farver !!

Quark Confinement Den stærke kraft bliver stærkere ved store afstande Partikler med farve-ladning kan ikke isoleres Quarker (og gluoner) er “fængslede” indeni hadroner, som er farve-løse. Derfor ingen frie quarker: Quarker i hadroner udveksler gluoner Hvis en quark trækkes væk fra sin nabo, strækkes farve-feltet mellem de to Nye quark-antiquark-par dannes i feltet

Evidens for indre struktur (i) Atomet absorberer energi Eksitation Electron-energien stiger Kvantemakanik: kun særlige energitilstande (baner) tilladte Senere stråler energien væk igen

Evidens for indre struktur (ii) Spredning Måle størrelsen (og formen) af et objekt ved at ramme den med et projektil og observere projektilets “spredte” bane (Rutherford 1912) 1970 – protonens og neutronens indre struktor blotlagt ved at benytte elektroner som projektiler

Kræfter og partikler   neutrino electron quark Tyngdekraft Elektromagnetisme  Stærk kraft Svag kraft

Neutrinoer ”Opfundet” af Pauli (1928), navngivet af Fermi (1933) Opdaget af Reines & Cowan (1956) Siden 1999 er alle 3 neutrinoer påvist eksperimentelt Spøgelsesagtige partikler: Er overalt: ~300 per cm3 i hele Universet Produceres i stort antal i Solen (og andre stjerner) Trillioner passerer gennem din krop hvert sekund De er sky: Vekselvirker meget svagt med stof: bevæger sig flere lysår gennem tæt stof før de vekselvirker Regnedes længe for masseløse, men har nu indikation af lille masse