Hiukkasfysiikka I; Johdatus hiukkasfysiikkaan

Transkriptio

1 Hiukkasfysiikka I; Johdatus hiukkasfysiikkaan Mitä tiedämme aineen perusrakenteesta? Mitä emme tiedä? Miten ainetta ja perusvoimia tutkitaan? Miten kuvata perusfysiikkaa? Luennot I XXV (4t/vko) + Laskuharjoitukset (2t/vko) +Vähintään saman verran (4+2t/vko) omaehtoista työtä! Luennot täydentävät oppikirjamateriaalia; suositus: Halzen&Martin: Quarks & Leptons, Wiley Introduction to High Energy Physics Lecture I Orientaatio 1 R. Orava Spring

2 Lectures: What Particle Physics is? Orientation [I/58p] Concepts and History [II/54p] Symmetries Parity, C, CP, CPT, Isospin, G parity, SU(3) flavour and SU(3) colour [III/84p] Relativistic Kinematics [IV/10p] Hadrons, Quarks,Antimatter and Neutrinos [V/73p] The Standard Model Introduction [VI/47p] The Standard Model Electromagnetic, Strong and Weak Interactions [VII/18p, VIII/30p,IX/34p] Experimental Tools: Experimental Techniques [X/113p] An example: W/Z Discovery [XI/23p] Experimental Tools: Accelerators [XII 1. 3./18p,63p,35p] Feynman Calculus [XIII/30p] The Dirac Equation [XIV/27p] Introduction to High Energy Physics Lecture I Contents 1 R. Orava Spring

3 Contents... Quantum Electrodynamics [XV/12p] Deeply Inelastic Scattering [XVI/18p] Quantum Chromodynamics [XVII/11p] Charged Current Interactions [XVIII/23p] Decay of the π meson [XIX/8p] Flavour Oscillations [XX/37p] Neutral Current Interactions [XXI/25p] Lagrangians, Feynman Rules, Gauge Invariance and QED [XXII/12p] QCD and Spontaneous Symmetry Breaking [XXIII/10p] Higgs Mechanism [XXIV/16p] CP Violation in the Standard Model [XXV/42p] + special lectures on photons, QED results from LEP, neutrinos, + the exercises are an integral part of the course and define the type of questions asked in the two tests: an intermediate one covers Lectures I XII, the final one covers I to 3 XXV. Introduction to High Energy Physics Lecture I Contents 2 R. Orava Spring 2005

4 Hitufysiikan jatko opetus kevät Hitu I; Johdatus hiukkasfysiikkaan (Introduction to particle physics) (6 ov). 4 vkt + harj., prof. Orava, to sali E206, to sali D106, pe HIPin sem.huone A315. Luennot alkavat to Supersymmetria/Supersymmetry (4 ov) 2 vkt + harj. yliopistonleht. Huitu, to sali A315 HIP. Luennot alkavat to Johdatus polkuintegraalimenetelmään/path Integrals (4 ov). 4 vkt + harj., prof. Chaichian, ti, ke16 18 ( ) sali D106, to ( ) sali D Introduction to Quantum Field Theory (4 ov) 4+2 vkt, FT Tureanu, ti HIP A315 ja ke sali E206. Luennot alkavat ti Tilastolliset menetelmät II (3 ov). 2 vkt + harj, yliopistonleht. Österberg, ti 14 16, to 9 10, sali D116. Luennot alkavat ti Hiukkasfysiikan laudatur seminaari (3 ov) , prof. Chaichian, ke Phenomenology seminar (3 ov) 2 vkt, prof. Hoyer, ke sali A315 HIP. Seminaari alkaa ke Introduction to High Energy Physics Lecture I Courses in Spring 05 R. Orava Spring

5 CERNin kesäopiskelijaohjelma! voit vielä ehtiä... harjoittelu/index.html 5

6 Taustamateriaalia: Quarks & Leptons Halzen and Martin (Wiley) erinomainen referenssi kokeilijalle ja teoreetikolle GET IT NOW! Particle Physics (2.painos) Martin and Shaw (Wiley) kurssi kattaa ao. kirjan materiaalin erinomainen referenssi, sopivalla tasolla Introduction to High Energy Physics (3.painos) D.H.Perkins (Addison Wesley) erinomainen kirja, ei aivan ajan tasalla The Fundamental Particles and their Interactions W.Rollnick (Addison Wesley) hyvää taustamateriaalia World Wide Web rajaton taustamateriaalin lähde! CERN: public.web.cern.ch/public Fermilab: Stanford Virtual Visitor Center:www2.slac.stanford.edu/vvc/home.html Introduction to High Energy Physics Lecture I Taustamateriaalia 1 R. Orava Spring

7 Vaihtoehtoisia teoksia: Text Book: The ideas of Particle Physics, C.D. Coughlan and J.E. Dodd, 2 nd Edition, Cambridge. Fourth year Text Particle Physics, B.R. Martin and G. Shaw, Paperback 384 pages 2nd Ed edition (August 1997), John Wiley and Sons; ISBN: The Particle Garden G. Kane Paperback (July 1996), Addison Wesley Publishing Company; ISBN: Introduction to High Energy Physics Lecture I Taustametriaalia 2 R. Orava Spring

8 Mitä tiedämme aineesta ja perusvoimista? Ainehiukkaset: kvarkit ja leptonit. Voimahiukkaset: gluoni, fotoni, W/Zvälibosonit, gravitoni. Aine ja voimahiukkaset säteilevät jatkuvasti. Vuorovaikutuksia (g, γ, W/Z) kuvaa 'Standardimalli'. Standardimalli ei riitä. Introduction to High Energy Physics Lecture I Orientaatio 2 R. Orava Spring

9 Hiukkasfysiikan työkalut Kvanttimekaniikka relativistinen kvanttimekaniikka ja kvanttikenttäteoria (E >> m o c 2 ) Erikoinen suhteellisuusteoria relativistinen kinematiikka Matemaattiset apuneuvot (neli)vektorilaskenta, spinorialgebra ryhmäteoria integraaliyhtälöt, polkuintegraalit,... Introduction to High Energy Physics Lecture I Orientaatio 3 R. Orava Spring

10 I Johdatus hiukkasfysiikkaan Mitä aine on? Aineen perushiukkaset Aineen koossapysyminen Aineen ja energian yhteys Maailmankaikkeus Hiukkasfysiikan teoriat? kreikkalaisten atomit? voimat ja niiden välittyminen? voiko tyhjöstä nyhjäistä? synty ja evoluutio...? yhteinen kehysrakenne? Mitä tyhjä on? Introduction to High Energy Physics Lecture I Mitä aine on R. Orava Spring

11 Nykytilanne: Ainehiukkaset: kvarkit ja leptonit Vuorovaikutukset: fotoni sähkövoima gluoni ydinvoima W ja Z bosonit aurinkoenergia gravitoni planeettojen kiertoradat Teoriat: standardimalli, gravitaatioteoria, supersymmetria, lisäulottuvuudet,..? Introduction to High Energy Physics Lecture I Nykytilanne R. Orava Spring

12 Voimat Voima: Hitujen vuorovaikutus Sähkömagneettinen voima: Valokvantti Heikko voima: W, Z bosonit Vahva voima: Gluoni Neutriinot vuorovaikuttavat pelkästään heikon voiman välityksellä... Heikko voima: Alkuaineiden hajoamiset, beta hajoaminen... Maailmankaikkeudessa on miljardi kertaa enemmän neutriinoja kuin atomeja. Introduction to High Energy Physics Lecture I Voimat 1 R. Orava Spring

13 Voimat Perusvoimien suhteellinen voimakkuus Voimien ykseys? Voima (GeV/fm) Suhteellinen voimakkuus Etäisyys (fm) Energia (GeV) convergence to a single value only in supersymmetry based grad unified theories 13 Introduction to High Energy Physics Lecture I Voimat 2 R. Orava Spring 2005

14 Alkeishiukkasista atomeihin... vuosi << nano! < kvarkit protonit, neutronit atomiydin metriä atomi Introduction to High Energy Physics Lecture I Mittakaava R. Orava Spring

15 u c c t u quark γ d s b b d quark g e electron µ τ W/Z ν e electron neutrino ν µ ν τ I II III Higgs? Introduction to High Energy Physics Lecture I Perusperheet R. Orava Spring

16 Mitä neutriinot ovat? Introduction to High Energy Physics Lecture I Neutriinot 1 R. Orava Spring

17 Maailma on neutriinoja pullollaan. * Neutriinoja maailmankaikkeuden synnystä: Jokaisessa cm 3 :ssä 330 neutriinoa, jotka syntyivät heti alkuräjähdyksen jälkeen 13.7 miljardia vuotta sitten. * Neutriinoja auringosta: Jokainen sekunti n miljardia neutriinoa lävistää meidät. * Henkilökohtaiset neutriinomme: Säteilemme itse joka sekunti 4000 neutriinoa ympäristöömme. Introduction to High Energy Physics Lecture I Neutriinot 2 R. Orava Spring

18 Mutta ei sitä huomaa koko elinaikanamme vain O(yksi )neutriino vuorovaikuttaa itsemme kanssa Voiko neutriino läpäistä maapallon? L vuorovaik Atomipaino = Tiheys Vaikutusala N Avogadro = 5.5g / cm g/mol ( E /GeV)cm Keskimääräinen L vuorovaik on 2x10 13 km = 2 valovuotta: /mol 1.6 miljardia maapalloa! Introduction to High Energy Physics Lecture I Neutriinot 3 R. Orava Spring

19 Aineen rakenteen mittakaavat: m Introduction to High Energy Physics Lecture I Mittakaava 2 R. Orava Spring

20 20

21 Mittakaava Monen nollan ongelma... Ihmisen mittakaavoja? Lyhin aika: s = 10 3 s Elinikä: s= s Hiuksen säde: m Vuorijono: m Fysiikka tutkii etäisyyksiä metristä (atomiydin) metriin (näkyvä maailmankaikkeus) Introduction to High Energy Physics Lecture I Mittakaava 3 R. Orava Spring

22 100% pimeä energia 80% 60% 40% 20% 0% Uudenlaista ainetta Pimeä aine neutriinot! ainetta tähdet Introduction to High Energy Physics Lecture I Pimeä aine R. Orava Spring

23 Miten tutkia? Maailmalaajuisen yhteistyön puitteissa: Käyttäjäkeskukset:suurkiihdytin/teknologialaboratoriot alkuräjähdyksen simulointi Koeasemat: Kosminen säteily: tutkijakollaboraatiot alkuräjähdysten analysointi maanalaiset suurkokeet, kokeet ilmakehän yläosissa ja avaruudessa Introduction to High Energy Physics Lecture I Miten tutkia? 1 R. Orava Spring

24 Historiaa... yksinkertaisempaan aineen "jaksolliseen järjestelmään": 6 kvarkkia, 6 leptonia.. katodisäteet (elektronit) radio aktiivisuus Hittdorf 1869 Röntgen 1896 Bequerel 1896 Introduction to High Energy Physics Lecture I Historiaa R. Orava Spring

25 E = mc 2 Introduction to High Energy Physics Lecture I "Big Bang" R. Orava Spring

26 kosminen SÄTEILY Introduction to High Energy Physics Lecture I Miten tutkia? 2 Victor Hess (1911) 26

27 27 Introduction to High Energy Physics Lecture I Miten tutkia 3 R. Orava Spring 2005

28 KOSMISIA KIIHDYTTIMIÄ Introduction to High Energy Physics Lecture I Kosmologiaa R. Orava H W.Hofmann Spring

29 29 Introduction to High Energy Physics Lecture I Miten tutkia? 4 R. Orava Spring 2005

30 SUURKIIHDYTTIMET FNAL BNL HH RICH SLAC e + e B Factory pp Tevatron 2TeV e p HERA DESY CERN pp LHC 14 TeV IHEP e p HERA KEK e + e B Factory IHEP e e+ τ Factory BINP e e+ τ Factory What Next? * e + e Linear Collider * ν Factory * µ Collider * Very Big Accelerator Introduction to High Energy Physics Lecture I suurkiihdyttimet R. Orava Spring

31 31 Introduction to High Energy Physics Lecture I LHC 1 R. Orava Spring 2005

32 32 Introduction to High Energy Physics Lecture I Miten tutkia? 5 R. Orava Spring 2005

33 CERN ja Suomi CERN Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire European Laboratory for Particle Physics Perustettu 1951 Laboratorio jäsenmaata, 2700 työntekijää, 6500 käyttäjää (80 kansallisuutta, 500 yliopistoa) Hiukkasfysiikan tutkimuksen käyttäjäkeskus Suomi liittyi jäseneksi v CERNin budjetti 3.7 miljardia FIM, Suomen osuus 1,3% Introduction to High Energy Physics Lecture I CERN ja Suomi R. Orava Spring

34 Suomi Fermilaboratoriossa Introduction to High Energy Physics Lecture I Fermilaboratorio R. Orava Spring

35 Theoretical High Energy Physics in Finland Neutrino physics (J. Maalampi, K. Kainulainen, JYFL, Jyväskylä) Properties of neutrinos: mass, mixing, CP violation String theory and quantum field theory program (HIP) (E. Keski Vakkuri HIP, M. Chaichian UH, C. Cronström UH, Helsinki) Hadron physics (M. Sainio HIP/UH, A.M. Green HYFL, J. Niskanen UH, D.O. Riska HIP/UH, Helsinki) Elementary particle phenomenology (HIP) (K. Huitu UH, Helsinki) Predictions for experimental particle physics QCD and ultrarelativistic heavy ion collisions (HIP) (K.J. Eskola JYFL, K. Kajantie UH, V.P. Ruuskanen JYFL) Description of heavy ion collisions by employing QCD and relativistic hydrodynamics, properties of quark gluon plasma Astroparticle physics (I. Vilja, A. Pietilä, University of Turku) Relations between the particle physics and the structure of the universe Cosmology (HIP) (K. Enqvist HIP/UH, H. Kurki Suonio UH, Helsinki) Microwave background, theory related to the Planck Surveyor Mission project Theoretical nuclear physics (J. Suhonen, J. Toivanen, JYFL, Jyväskylä) Nuclear structure and double beta decay Introduction to High Energy Physics Lecture I Teoreettinen hitufysiikka R. Orava Spring

36 Mitä Suomessa tehdään? Omat tutkimuskohteet: Gluonit: Ydinvoiman fotonin ominaisuudet? Raskaat kvarkit: Higgsin bosoni massan ominaisuudet? TOP kvarkki: Mitä on standardimallin takana? Avaimena oma alakoe suuren koeaseman sisällä: Tarkkuusilmaisimet (mikroelektroniikan huipputekniikkaa) Sovellukset yhteistyössä huipputeknologian teollisuuden kanssa (digitaalinen röntgenkuvaus)5 Introduction to High Energy Physics Lecture I Miten Suomi kontribuoi R. Orava Spring

37 The CDF Experiment at the Fermilab Tevatron First CDF Run II Physics Results 1 1 TeV + 1 TeV proton antiproton collisions energy July frontier 2002 to mid 2007! 37 CDF Results July 2002 Introduction to High Energy Physics Lecture I CDF koe R. Orava Spring 2005

38 CMS Experiment tonnia 21,5m pitkä 4Teslan magneettikenttä 15m 36 kansallisuutta 160 instituuttia 2008 tutkijaa Introduction to High Energy Physics Lecture I CMS koe R. Orava Spring

39 ATLAS koeasema Introduction to High Energy Physics Lecture I ATLAS koe R. Orava Spring

40 TOTEM ~150m ~215m Lσ Lσ tot 2 tot 16π = 2 1+ ρ = N + elastic dn dt N t= 0 inelastic Optical Theorem σ tot 16π ( dn / dt) t=0 = 2 1+ ρ Nel + Ninel Introduction to High Energy Physics Lecture I TOTEM/CMS R. Orava Spring

41 Higgs Mass Limits Experimental Status EW measurements: (LEP+SLC+TeVatron..) M H 196 GeV (95% CL) Direct searches (LEP): M H GeV (95% CL) M H = GeV? Introduction to High Energy Physics Lecture I Higgs R. Orava Spring

42 Missing Mass in pp p + X + p Search for exclusive Higgs production in pp p + H + p with tagged protons b jet gap gap H P 1 P 2 η beam p 2 Roman Pots dipole b jet dipole M 2 H = M 2 missing = (p 1 +p 2 p 1 p 2 ) 2 = M 2 bb M missing = O(1 GeV) Roman Pots p 1 M bb = O(10GeV) Introduction to High Energy Physics Lecture I CMS/Totem R. Orava Spring

43 DELPHI koeasema Introduction to High Energy Physics Lecture I DELPHI R. Orava Spring

44 Suomalainen tarkkuusilmaisin Introduction to High Energy Physics Lecture I 60cm Si ilmaisin R. Orava Spring

45 Hyöty? Kokeelliset menetelmät Mekaniikka Sähkö Kemia Biologia (DNA) Ydinenergia Lääketieteen merkkiaineet Kiihdyttimet (TV) Transistori (elektroniikkateollisuus) Laser Säteilynilmaisimet World Wide Web GRID... Introduction to High Energy Physics Lecture I Hyöty R. Orava Spring

46 Dental Dental Intra oral Panoramic Cephalometric Micro CT Introduction to High Energy Physics Lecture I Dental R. Orava Spring

47 Industrial Non destructive testing (NDT) Pipe welding Al and Mg casting In line testing (ILT) PCB assembly lines Paper/wood, food and textile processing Security Airport security Customs and border protection Introduction to High Energy Physics Lecture I Industrial R. Orava Spring

48 Medical CT scanning Mammography Fluoroscopy X ray biopsy Bone densitometry Gamma camera Introduction to High Energy Physics Lecture I Medical R. Orava Spring

49 Strategia? Lähtökohta: Oma alakoe suurkokeen kehyksessä Kokeelliset projektit ovat teollisia yhteishankkeita Tutkimustavoite instrumentointi teollinen kiinnostavuus Kokeen alajärjestelmät T&K hankkeiden prototyypit Roolijako: Perustutkimus soveltava tutkimus teknologian siirto: Yliopistot (ammatti)korkeakoulut teollisuus Koulutusohjelmat kiinteä osa prosessia ORGANISAATIOMALLI Introduction to High Energy Physics Lecture I Strategia R. Orava Spring

50 Radiation detector laboratory laboratoriotyöt! Introduction to High Energy Physics Lecture I Ilmaisinlaboratorio 1 R. Orava Spring

51 DETECTOR LABORATORY FACILITIES THE FINNISH HIGH ENERGY PHYSICS FACILITY Introduction to High Energy Physics Lecture I Ilmaisinlaboratorio 2 R. Orava Spring

52 Kokeellinen hiukkasfysiikka LEP/CERN Tevatron/Fermilab LHC/CERN Ilmaisinlaboratorio:Tutkimuksen ja koulutuksen perusta kotimaassa. Introduction to High Energy Physics Lecture I Kokeellinen hitufysiikka R. Orava Spring

53 Hiukkasfysiikan opiskelu: perukurssit: aineen rakenne, kvanttimekaniikka kesakoulu(t) kesaharjoittelu: CERN, Helsinki Johdatus hiukkasfysiikkaan kvanttimekaniikka Hiukkasfysiikan teoriat & Hiukkasfenomenologia (standardimalli, supersymmetria ) Kokeellisen hiukkasfysiikan tyokalut:sateilynilmaisimet, kiihdyttimet Opettajia: Masud Chaichian (hiukkasfysiikan teoriat), Katri Huitu (supersymmetria, Higgs fysiikka) Kenneth Österberg (relativistinen kinematiikka) Heimo Saarikko (sateilynilmaisimet 1 & 2) Risto Orava (johdatus hiukkasfysiikkaan) Hannu Kurki Suonio (yleinen suhteellisuusteoria) Paul Hoyer (kvanttimekaniikka) Anca Tureanu (kvanttikenttäteoria) Keijo Kajantie, Claus Montonen, Kari Enqvist Introduction to High Energy Physics Lecture I Hitufysiikan opiskelu R. Orava Spring

54 Avoimet Kysymykset Yhteenveto (1) ν massat, ominaisuudet, sekoitus. (2) Massan syntymekanismi, hierarkiat. (3) Symmetriat SUSY, minkälainen SUSY, q l, Pimeä Aine (4) Gravitaatio Supernauhat/kalvot, kompaktifioidut uudet dimensiot (5) Sukupolvet CP epäsymmetria, aineen dominoima universumi Miten vastata yo. kysymyksiin?/ Mitä työkaluja meillä on käytettävissä? Introduction to High Energy Physics Lecture I Avoimet kysymykset R. Orava Spring

55 What Questions does this field address? Want to know the basic laws of nature Can we unify all the forces with one equation or one theory? Celestial Gravity Newton Einstein terrestrial Gravity Electricity Superstrings? Magnetism 1870's Maxwell Q.E.D. 1970's Standard Model Weak Force Strong Force Q.C.D. Introduction to High Energy Physics Lecture I Avoimet kysymykset R. Orava Spring

56 56 Introduction to High Energy Physics Lecture I Avoimet kysymykset R. Orava Spring 2004

57 Quantum Mechanics and Gravity At very small distances, Einstein s theory of gravity breaks down. It also breaks down inside black holes. We need another scientific revolution to reconcile quantum mechanics and general relativity. It will radically change our understanding of space and time. The next breakthroughs must come from experiments. Introduction to High Energy Physics Lecture I Avoimet kysymykset R. Orava Spring

58 String Theory String theory appears to be both a consistent quantum theory of gravity and a unified theory of all particles and forces. All the known particles are different vibrations of a single type of string. The unique theory of quantum strings needs 10 dimensions. Introduction to High Energy Physics Lecture I Avoimet kysymykset R. Orava Spring