MasterClass 14. Hiukkasfysiikan kokeet

Transkriptio

1 MasterClass 14 Hiukkasfysiikan kokeet Mikko Voutilainen Helsingin yliopisto osa kalvoista: Lauri A. Wendland Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 1 / 54

2 Koe ja teoria kohtaavat Teoria Kokeet Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 2 / 54

3 Suuret kiihdyttimet Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 3 / 54

4 Valtaisat ilmaisimet Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 4 / 54

5 2000 triljoonaa törmäystä Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 5 / 54

6 Satoja petatavuja dataa Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 6 / 54

7 Uusi Apollo-ohjelma Ensimmäinen kierros klo 10:28 Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 7 / 54

8 Innostuneita tutkijoita TeV fysiikka-ajon alku 30. maaliskuuta, 2010 klo 12:57 Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 8 / 54

9 Tiedettä reaaliajassa In science, we expect new discoveries to be confirmed by independent experiment, then accepted by scientific community after scrutiny On July 4 th, this all took place in a single seminar: discovery by acclamation! A new boson was found, with mass 125.7±0.5 GeV, and with properties consistent with the SM Higgs Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 9 / 54

10 MasterClass 14 Osa 3: kiihdyttimet * Kiihdytys sähkökentällä * Magneetit * LHC/CERN: status ja tavoitteet * Törmäykset: E=mc 2 Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 10 / 54

11 Kiihdytinkompleksi Maailman suurin kiihdytinkompleksi: LHC-kiihdytinrengas 27 km, neljä suurta koeasemaa, lukuisia esikiihdyttimiä Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 11 / 54

12 Esikiihdyttimet Kiihdytin toimii parhaiten tietyllä energia-alueella (LHC TeV) Todella suureen energiaan pääsyyn tarvitaan ketju esikiihdyttimiä LINAC (LINear Accelerator): 50 MeV PSB (Proton Synchrothron Booster, 1972): 1.4 GeV PS (Proton Synchrotron, 1959): 26 GeV SPS (Super Proton Synchrotron, 1976): 450 GeV LHC (Large Hadron Collider, 2008, LEP ): 7 TeV Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 12 / 54

13 Potentiaaliero: ev Hiukkaskiihdyttimet perustuvat varauksen kiihdyttämiseen sähkökentällä Yksinkertaisin kiihdytin on kondensaattori Hiukkasfysiikan energian yksikkö on 1 ev eli elektronivoltti: elektronin saama liike-energia sen ylitettyä 1 V:n potentiaaliero Aiemmin esikiihdyttimenä käytetyllä Cockcroft-Walton generaattorilla eli jännitteenkertaajalla päästään miljooniin voltteihin Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 13 / 54

14 Liukuputki Läpilyönti rajoittaa levyn suurinta mahdollista jännitettä (vrt. salamat) Ratkaisuna käyttää pientä jännitettä ja vaihtaa putkien polariteettia Matalan energian malleissa käytetään liukuputkia (drift tube), joiden välissä on sähkökenttä. Putken polariteetti vaihdetaan, kun hiukkanen on putken sisällä Kiihdytys toimii, kun hiukkaset kimpuissa Fermilab 200 MeV linac drift tube CERN SPS RF cavity Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 14 / 54

15 Radiotaajuusresonaattori Lähellä valonnopeutta tarvittava kytkentänopeus on mikroaaltotaajuudella Kiihdytinputket vaihdetaan radiotaajuusresonaattoreihin (RF) Resonaattoriontelossa on seisova radioaalto, jonka sähkökenttä värähtelee kiihdytyssuunnassa Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 15 / 54

16 Rengaskiihdytin Suuriin energioihin pääsy vaatii todella pitkän kiihdytyksen Laitteiston pienentämiseksi hiukkaset kierrätetään ympyrää ja yhtä kiihdytinjaksoa käytetään uudelleen ja uudelleen off-beam collimator kiihdytinjakso beam abort beam halo collimator Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 16 / 54

17 Hiukkanen magneettikentässä Varatun hiukkasen rata kaareutuu magneettikentässä: F = q v x B Risti- eli vektoritulon suunta oikean käden säännöllä X x Y = Z...tai vasemman käden muistisäännöllä F.B.I. (I=qv) Yhdistämällä Newtonin toinen laki, F = ma, keskeiskiihtyvyys a = v 2 / R ja p = mv: p = qrb eli suurempi liikemäärä vastaa suurempaa kaarevuussädettä Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 17 / 54

18 Radan kääntäminen Ensimmäiset rengaskiihdyttimet käyttivät kestomagneetteja, jolloin hiukkasten kiertorata laajenee energian kasvaessa (syklotroni) Nykyisin käytössä sähkömagneetteja (tavallisia tai suprajohtavia), joiden virtaa voidaan muuttaa Hiukkanen ja sen antihiukkanen kaartuvat magneettikentässä eri suuntiin, joten ne voivat kulkea samaa putkea vastakkaisiin suuntiin LHC:ssä molemmat suihkut koostuvat protoneista, joten magneetteja tarvitaan kaksi Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 18 / 54

19 Vahva fokusointi Hiukkassuihkussa on pienessä tilassa suuri määrä saman varauksen omaavia hiukkasia, jotka pyrkivät erilleen Suihkun fokusointi tapahtuu kahdella poikittaisella kvadrupolimagneetilla, jotka taivuttavat harhautuneita hiukkasia kohti tyhjiöputken keskipistettä Tyypillisessä kiihdyttimessä on nk. FODO-ketju, jossa F fokusoi pystysuunnassa, D vaakasuunnassa ja O:t kääntävät rataa kvadrupolimagneetti testivarauksia dipolimagneetti Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 19 / 54

20 LHC-kompleksi (video) CERN-MOVIE mov 3:30 Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 20 / 54

21 Törmäys: E=mc 2 Törmäyksessä liike-energiaa muuttuu uusien hiukkasten massaksi Einsteinin kaavan E=mc 2 mukaisesti Liikemäärä ja kokonaisenergia säilyvät törmäyksessä: Kiinteällä kohtiolla vain Esuihku on käytettävissä uusien hiukkasten massaaan Protoni-protonitörmäyksessä koko 2Esuihku on käytettävissä uusien hiukkasten massaan kiinteä kohtio törmäytin Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 21 / 54

22 Suhteellisuusteoria Törmäyksissä syntyvät hiukkaset relativistisia eli suhteellisuusteorian mukaan E 2 = m0 2 c 4 + p 2 c 2 : Nopeus v lähes valonnopeus c: v~c Energia E ja liikemäärä p paljon suurempia kuin lepomassa m0: E>>m0c 2, p~e/c Käytännössä hiukkasfyysikot asettavat c=1 ja käyttävät energiasta (GeV), liikemäärästä (GeV/c) ja massoista (GeV/c 2 ) samaa energiayksikköä GeV (vastaa noin protonin massaenergiaa) Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 22 / 54

23 Materia vs antimateria Kaikissa tunnetuissa reaktioissa syntyy lähes täysin sama määrä ainetta ja antiainetta: varatut hiukkaset syntyvät vastapareittain leptoniluku säilyy (e, μ, τ, νe, νμ, ντ) baryoniluku (kolmen kvarkit hiukkaset kuten protoni ja neutroni) säilyy Kun hiukkanen ja antihiukkanen kohtaavat, syntyy puhdasta energiaa Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 23 / 54

24 MasterClass 14 Osa 4: ilmaisimet * Ilmaisinten perustyypit * Koeaseman rakenne * Varatut hiukkaset magneettikentässä * Energian mittaus ja muunnos signaaliksi * Hiukkasten tunnistaminen Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 24 / 54

25 Pari koeasemaa D0-koe, Fermilab CMS-koe, CERN Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 25 / 54

26 CMS - kompakti myonisolenoidi Jälki-ilmaisin Sähkömagneettinen kalorimetri Hadronikalorimetri Solenoidimagneetti Magneettivuon palautin (rautaa) Myoni-ilmaisimet Halkaisija: 15 m Pituus: 22 m Paino: t Magneettikenttä: 3.8 T Kollaboraattoreita: 3600 Kansallisuuksia: 38 Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 26 / 54

27 Biimiputki - hiukkasten moottoritie Protonikimput kulkevat koelaitteiston läpi ohuessa (n. 300 μm Be) biimiputkessa Protonit kulkevat siis tyhjiössä Törmäystuotteet lentävät yleensä vaivatta putken läpi Putkessa vastakkaisiin suuntiin liikkuvat protonikimput kulkevat toistensa läpi n. 20 μm x 20 μm x 10 cm kokoisella alueella keskellä koeasemaa 20µm törmäysalue 10cm Asennettu biimiputki Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 27 / 54

28 Jälki-ilmaisin - varattujen hiukkasten radat Sisin osa jälki-ilmaisimesta: piipikseli-ilmaisimia 70 milj. piipikseliä, joiden koko 100 μm x 150 μm Toimintaperiaate: varatut hiukkaset tuottavat piissä elektroniaukkopareja Vähintään kolme mittauspistettä kullekin radalle Mahdollistaa epästabiilien hiukkasten hajoamispaikan rekonstruoimisen (lentomatka tyypillisesti satoja μm) Kaaviokuva piipikseli-ilmaisimesta Puolikas piipikselimoduuli Rekonstruoitu neutraalin epästabiilin hiukkasen (D 0 ) hajoamispiste Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 28 / 54

29 Ulompi jälki-ilmaisin Ulompi osa jälki-ilmaisimesta: piinauhailmaisimia N. miljoona piinauhaa; n. 200 m 2 piitä Varatut hiukkaset tuottavat piissä elektroni-aukkopareja Mittaa varattujen hiukkasten jälkiä n. 10 µm tarkkuudella; antaa n. 10 mittauspistettä kullekin radalle 512/768 nauhaa 80/140 µm välein 12 cm Asennettu Piinauhailmaisin jälki-ilmaisin ilman piipikseleitä Rekonstruoituja jälkiä kosmisista myoneista Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 29 / 54

30 Fysiikkaa: ionisaatio Jälki-ilmaisinten toiminta perustuu ionisaatioon: varattu hiukkanen irrottaa atomien elektroneja sähkökenttä tai puolijohdediodi kerää varauksen Nykyaikainen jälki-ilmaisin toimii kuin digikameran kenno: tarkka paikannus Vanhoissa kupla- ja pilvikammioissa syntynyt varaus toimi kiehumis- tai tiivistymiskeskuksena, joista otettiin valokuva Hiukkasen radan kaarevuussäde kertoo hiukkasen liikemäärän (p=qrb) ja varauksen merkin Ionisaatiota hyödynnetään myös kalorimetreissä, joissa syntynyt varaus lasketaan yhteen Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 30 / 54

31 SM kalorimetri - elektronit ja fotonit N PbWO 4 kristallia Pysäyttää elektronit(/positronit) sekä fotonit Perustuu sähkömagneettiseen vuorovaikutukseen Valon määrä kristallissa vastaa hiukkasen energiaa Yksittäisiä Valmiiksi PbWO asennettu 4 -kristalleja kalorimetri 400:n PbWO 4 -kristallin moduuli Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 31 / 54

32 Fysiikkaa: tuikevalo Tuikevalo on kuin epätäydellinen ionisaatio: elektroni virittyy, mutta ei irtoa virityksen purkaantuminen vapauttaa fotonin valon kokonaismäärä verrannollinen hiukkasen energiaan Lyijyvolframaattikristalli, CMS, CERN Valo johdetaan valonmonistimiin, jotka muuttavat signaalin sähköiseksi Kamland, Japani: valonmonistimia nestetuikeainetankissa Tuikemuovia, CDF, Fermilab Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 32 / 54

33 Hadronikalorimetri Voileipä-rakenne Pino messinkilevyjä, joiden välissä tuikeilmaisimia Pysäyttää raskaat hiukkaset ja mittaa yksittäisen hiukkasen tai hiukkasryöpyn energian Perustuu vuorovaikutukseen atomiydinten välillä Tuikeilmaisinten valon määrä vastaa hiukkasten energiaa Hadronikalorimetrimoduuli Valmiiksi koottu kalorimetri Kierrätettyä messinkiä Venäjän laivastolta Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 33 / 54

34 Fysiikkaa: kuuro Kalorimetreissä primäärihiukkanen tuottaa kuuron sekundäärihiukkasia: sekundäärihiukkasia syntyy niin kauan kuin energiaa riittää niiden tuottoon sähkömagneettinen kuuro, n. 2 cm x 20 cm jarrutussäteily ja e + e - -parintuotto ytimen sähkökentässä vuorottelevat jarrutussäteily vaatii kevyen hiukkasen (=elektroni; myonit ja hadronit liian raskaita) hadroninen kuuro, n. 20 cm x 200 cm useita hadroneita kun osuma ytimeen; pieni maali, siksi pitkä kuuro hadroninen kuuro vaatii vahvasti vuorovaikuttavan hiukkasen (protoni, neutroni, pioni) Suurin osa ionisaatiosta ja tuikevalosta sekundäärihiukkasten tuottamaa Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 34 / 54

35 Kalorimetrejä Näytteistävässä kalorimetrissa absorboiva materiaali (usein metallilevy) tuottaa ryöpyn sekundäärihiukkasia, jotka aktiivinen materiaali mittaa Absorbaattori ja aktiivinen aine vuorottelevat => näytteistys: E = c1*e1 + c2*e2 + c3*e3... Levyjen välissä kuuro esim. ionisoi neste-argonia tai tuottaa valoa tuikemuovissa Aktiivinen kalorimetri sekä absorboi että aktivoituu esim. lyijyvolframaattikristallit Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 35 / 54

36 Solenoidimagneetti Suurin koskaan rakennettu suprajohtava magneetti magneettikenttä 3.8 T (max 4.0 T) operointilämpötila: 5 K (220 t kylmämassa) magneettikenttään varastoitunut energia: 2.3 GJ (riittää sulattamaan17 t kultaa) kaareuttaa varattujen hiukkasten lentoratoja Magneettivuon hajautuminen ympäristöön estetään rautalevyillä Al alloy Sc cable Insert Pure Al Al alloy EB welds Mallikappale käämityksestä Asennettu magneetti Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 36 / 54

37 Myoni-ilmaisimet Kolme eri ilmaisinteknologiaa perustuu myonin aiheuttamaan ionisaatioon n. miljoona mittauskanavaa n m 2 mittauspinta-alaa Mahdollistaa myoneiden tunnistamisen sekä niitä sisältävien törmäysten nopean valinnan Mittauspisteitä kosmisesta myonista Asennettuja ilmaisimia Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 37 / 54

38 Hiukkasten tunnistaminen Törmäystapahtuman selvittäminen on kuin palapeli Yhdistetään erilaisten neutriinot ilmaisintyyppien informaatio: Jälki-ilmaisin (varattujen hiukkasten jäljet) Kalorimetri (energia) Tiettyjä hiukkasia mittaavat ilmaisimet Asetetaan ilmaisimet magneettikentän sisään neutraalit hadronit varatut hadronit fotonit elektronit/ positronit myonit Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 38 / 54

39 Hiukkasten tunnistaminen Hiukkaset vuorovaikuttavat aineen kanssa eri tavoin Varatut hiukkaset ionisoivat, joten niiden radat havaitaan Elektroni ja fotoni tuottavat sähkömagneettisen ryöpyn Hadronit tuottavat pitkän hadronisen ryöpyn Raskaat muonit tunkeutuvat aineen läpi tehokkaasti Neutronit havaitaan epäsuorasti liike-määrän säilymisen kautta: tiiviys! Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 39 / 54

40 Liipaisu ja tiedonkeruu 40 MHz Törmäystapahtumia 100 khz 1-tason liipaisu 1 Tb/s Törmäyksen rekonstruointi 500 Gb/s kytkin Eri ilmaisinten tiedon yhdistäminen Tietokonefarmi Päätös onko tapahtuma mielenkiintoinen Analogia valokuvaamiseen: otetaan 40 milj. kertaa sekunnissa jokaisen kuvan koko n. 1 MB kuva otetaan n. 500 eri osassa kuvan osat yhdistetään nopealla kytkimellä yhdistetyt osat analysoidaan prosessorilla (n prosessoria) valitaan n. 250 mielenkiintoista kuvaa sekunnissa ja tallennetaan ne maailmanlaajaan valokuva-arkistoon (n GB / vuosi) ~250 Hz (=250 MB/s) Valittujen törmäystapahtumien tallennus Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 40 / 54

41 Törmäys (video) CERN-MOVIE avi 0:30 Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 41 / 54

42 MasterClass 14 Osa 5: data-analyysi * Signaali ja tausta * Menetelmät: lukumäärät, massapiikit * Tilastotiede ja virhearviot Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 42 / 54

43 Tavoite: löytää Higgsin bosoni Signaali ja tausta Higgsin bosoni hajoaa toisinaan W-bosoniin, H->W + W - Tämä on etsimämme signaali W + W - pareja syntyy protoni-protonitörmäyksissä myös ilman Higgsin bosonia Tämä on taustaa etsinnöillemme Kuinka erottaa nämä toisistaan? Lukumäärät Massapiikit Kinemaattiset leikkaukset Tilastotiede! Events / 10 GeV CMS 4.9 fb (7 TeV) fb (8 TeV) data top H WW DY+jets W+jets WW WZ+ZZ+VVV -1 m H -1 = 125 GeV eµ 0-jet [GeV] Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 43 / 54 m ll

44 Lukumäärät Teoria ennustaa, kuinka usein Higgsin bosoneita syntyy: 4200 Teoria ennustaa, kuinka usein Higgsin bosoni hajoaa W + W - : 10% Teoria ennustaa, kuinka usein W + W - syntyy ilman Higgsin bosonia: 5000 Kokeessa havaitsemme 5306 W + W - paria. Löytyikö Higgs? Tilastotiede kertoo, kuinka todennäköistä on P(N > z σ)= (1 - erf(z/ 2)) / 2 a) Saada vähintään 5306 W + W - paria ilman Higgsiä: P(NB>5306; μ=5000, σ=71) = 4.3σ On siis noin 1: todennäköisyys, että vähintään noin monta W + W - paria syntyi sattumalta taustasta b) Saada korkeintaan 5306 W + W - paria Higgsin kanssa: P(NS+B<5306; μ=5420, σ=74) = 1.5σ On siis noin 1:15 todennäköisyys, että W + W - lukumäärä jäi näin pieneksi, vaikka Higgs onkin olemassa c) Mikäli molemmat otaksumat alunperin yhtä todennäköisiä, Higgs löytyi 1:8000 todennäköisyydellä Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 44 / 54

45 Massapiikit Signaalin ja taustan erottamista helpottaa, jos signaali on kapeassa massapiikissä Hiukkasten yhteenlaskettu energia massakeskipistekoordinaatistossa MKP on hajonneen hiukkasen lepokoordinaatisto, jolloin E = mc 2 käytännössä massa lasketaan suoraan neliliikemäärien summasta Kvanttimekaniikassa massa ei ole tarkka, vaan se vaihtelee sitä enemmän, mitä lyhytikäisempi hitu Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 45 / 54

46 Kaksi fotonia (γγ) "Fotoniparin massa" Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 46 / 54

47 Neljä leptonia (ZZ) "Leptonikvartetin massa" Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 47 / 54

48 Massaa lainaamassa a) Kuinka Higgsin bosoni voi hajota kahteen W tai Z bosoniin, vaikka sen massa on alle puolet näiden massoista? mh = 125 GeV, mz = 91.2 GeV, mw = 80.4 GeV Vastaus: kvanttimekaniikassa lyhytikäisten Z ja W bosonien massa ei ole tarkkaan määrätty, vaan niillä on pieni todennäköisyys olla myös paljon normaalia keveämpiä ennen hajoamistaan edelleen b) Kuinka keveämpi Z voi säteillä raskaamman Higgsin bosonin? Vastaus: kuten yllä, Z bosonilla on pieni todennäköisyys olla hetken normaalia raskaampi ennen Higgsin bosonin säteilyä. Tällaista väliaikaisesti lihonutta hiukkasta kutsutaan virtuaaliseksi Yleisesti, kvanttimekaniikassa saa rikkoa energian ja liikemäärän säilymistä, kunhan se tapahtuu hyvin lyhyen aikaa. Tämä on yksi ilmentymä Heisenbergin epätarkkuusperiaatteesta (ΔE x Δt < h) Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 48 / 54

49 Jakaumia Tapahtumien (eventtien) lukumäärät ovat yleensä Poisson-jakautuneita keskihajonta N tapahtumalle on tällöin N lähestyy suurilla N normaalijakaumaa, jossa μ=n ja σ= N Systemaattiset virheet ovat yleensä normaalijakautuneita (Gaussin jakauma) Ilmoitetaan tyypillisesti 1σ (68% luottamusväli) tai 2σ (95% luottamusväli) tasolla Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 49 / 54

50 Virhearvioista Virheitä arvioitaessa ne jaetaan tyypillisesti kahteen kategoriaan: Tilastolliset virheet satunnaisvaihteluista esim. tapahtumien lukumäärissä suhteellinen virhe skaalautuu 1/ N tai σ/ N, joten toistot auttavat Systemaattiset virheet esim. teorian ennustamissa hajoamissuhteissa suhteellinen virhe pysyy vakio-% ilman parannuksia menetelmissä Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 50 / 54

51 MasterClass 14 Osa 5: tutkimuksen organisointi * Kansainvälinen yhteistyö Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 51 / 54

52 Globaali yhteistyö CERNin tutkimuksessa mukana olevat maat kattavat lähes koko kehittyneen maailman Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 52 / 54

53 Datankäsittely Myös CERNin data käsittely on jaettu maailmanlaajuisesti Kaikesta datasta yksi kopio CERNissä (Tier-0) Varmuuskopio jossain päin maailmaa (Tier-1) Analyysikopioita (Tier-2, Tier-3) jaettuna useille tietokonekeskuksille Datan voi analysoida lähettämällä työn tietokonekeskukselle, jolla on kopio Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 53 / 54

54 Globaali datankäsittely Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 54 / 54

55 Varakalvot Varakalvot Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 55 / 54

56 LHC:n koeasemat B-fysiikkaa protoni-protoni -törmäyksillä CMS +TOTEM LHC-törmäytin Yleisilmaisin protoni-protoni ja lyijy-lyijy -törmäyksille LHCb +MoEDAL SPS-törmäytin Raskasionifysiikkaa PS-törmäytin ALICE ATLAS +LHCf Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 56 / 54

57 Pääkokeet A Large Ion Collider Experiment Tutkii kvarkki-gluoniplasmaa lyijylyijy-ydintörmäyksillä LIISA IHMEMAASSA A Toroidal Lhc ApparatuS Yleiskäyttöinen ilmaisin: Higgsin bosoni, supersymmetria jne. KOOKKAIN Compact Muon Solenoid Yleiskäyttöinen ilmaisin. Loistava fotonikalorimetri, suuri magneetti, myonikammiot RASKAIN LHC Beauty Experiment Tutkii b-kvarkkien (beauty, bottom) fysiikkaa, aine-antiaine-symmetriaa (CP-symmetriarikko) PIENIN Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 57 / 54

58 Pienet kohteet - isot laitteet CERN, Building 40 CMS ATLAS Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 58 / 54

59 Esimerkki: top-kvarkkipari g g t W + b e + ν e g t b q W - q Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 59 / 54

60 Nobel 2013: Higgs (+Englert) Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 60 / 54

61 Raskasionitörmäyksiä LHC:llä törmäytetään myös lyijy-ytimiä energialla 2.76 TeV per nukleoni Tavoitteena tutkia aineen olomuotoa, jossa kvarkit ja gluonit ovat vapaita: aikaa heti alkuräjähdyksen jälkeen imulaatio kvarkki-gluoni-plasmasta Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 61 / 54

62 LHC:ltä on lupa odottaa lisää mielenkiintoisia tuloksia Mm. pimeän aineen etsinnät jatkuvat Vakuumin metastabiilisuus yllätävä tulos Kohti tulevaa Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä 62 / 54