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 2005 1
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 2005 2
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
Hitufysiikan jatko opetus kevät 2005 53230 Hitu I; Johdatus hiukkasfysiikkaan (Introduction to particle physics) (6 ov). 4 vkt + harj., prof. Orava, to 12 14 sali E206, to 14 16 sali D106, pe 10 12 HIPin sem.huone A315. Luennot alkavat to 20.1.2005. 53797 Supersymmetria/Supersymmetry (4 ov) 2 vkt + harj. yliopistonleht. Huitu, to 12 14 sali A315 HIP. Luennot alkavat to 20.1.2005. 530005 Johdatus polkuintegraalimenetelmään/path Integrals (4 ov). 4 vkt + harj., prof. Chaichian, ti, ke16 18 (25.1. 16.3.) sali D106, to 16 18 (10. 17.3.) sali D106 530057 Introduction to Quantum Field Theory (4 ov) 4+2 vkt, FT Tureanu, ti 12 14 HIP A315 ja ke 14 16 sali E206. Luennot alkavat ti 1.2.2005. 530089 Tilastolliset menetelmät II (3 ov). 2 vkt + harj, yliopistonleht. Österberg, ti 14 16, to 9 10, sali D116. Luennot alkavat ti 25.1.2005. 53242 Hiukkasfysiikan laudatur seminaari (3 ov) 21.1. 7.4.2005, prof. Chaichian, ke 9 11. 530031 Phenomenology seminar (3 ov) 2 vkt, prof. Hoyer, ke 15 17 sali A315 HIP. Seminaari alkaa ke 26.1.2005. Introduction to High Energy Physics Lecture I Courses in Spring 05 R. Orava Spring 2005 4
CERNin kesäopiskelijaohjelma! voit vielä ehtiä... http://www.hip.fi/education/ harjoittelu/index.html 5
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: www.fnal.gov/pub/hep_descript.html Stanford Virtual Visitor Center:www2.slac.stanford.edu/vvc/home.html Introduction to High Energy Physics Lecture I Taustamateriaalia 1 R. Orava Spring 2005 6
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: 0471972851 The Particle Garden G. Kane Paperback (July 1996), Addison Wesley Publishing Company; ISBN: 0201408260. Introduction to High Energy Physics Lecture I Taustametriaalia 2 R. Orava Spring 2005 7
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 2005 8
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 2005 9
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 2005 10
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 2005 11
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 2005 12
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
Alkeishiukkasista atomeihin... vuosi << nano! < kvarkit protonit, neutronit atomiydin metriä atomi Introduction to High Energy Physics Lecture I Mittakaava R. Orava Spring 2005 14
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 2005 15
Mitä neutriinot ovat? Introduction to High Energy Physics Lecture I Neutriinot 1 R. Orava Spring 2005 16
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. 400000 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 2005 17
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 0.7 10 40g/mol ( E /GeV)cm Keskimääräinen L vuorovaik on 2x10 13 km = 2 valovuotta: 3 38 2 6.023 10 23 /mol 1.6 miljardia maapalloa! Introduction to High Energy Physics Lecture I Neutriinot 3 R. Orava Spring 2005 18
Aineen rakenteen mittakaavat: 10 40 m Introduction to High Energy Physics Lecture I Mittakaava 2 R. Orava Spring 2005 19
20
Mittakaava Monen nollan ongelma... Ihmisen mittakaavoja? Lyhin aika: 0.001 s = 10 3 s Elinikä: 2.500.000.000 s= 2.5 10 9 s Hiuksen säde: 0.00001 m Vuorijono: 100000 m Fysiikka tutkii etäisyyksiä 10 15 metristä (atomiydin) 10 24 metriin (näkyvä maailmankaikkeus) Introduction to High Energy Physics Lecture I Mittakaava 3 R. Orava Spring 2005 21
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 2005 22
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 2005 23
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 2005 24
E = mc 2 Introduction to High Energy Physics Lecture I "Big Bang" R. Orava Spring 2005 25
kosminen SÄTEILY Introduction to High Energy Physics Lecture I Miten tutkia? 2 Victor Hess (1911) 26
27 Introduction to High Energy Physics Lecture I Miten tutkia 3 R. Orava Spring 2005
KOSMISIA KIIHDYTTIMIÄ Introduction to High Energy Physics Lecture I Kosmologiaa R. Orava H W.Hofmann Spring 2005 28
29 Introduction to High Energy Physics Lecture I Miten tutkia? 4 R. Orava Spring 2005
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 2005 30
31 Introduction to High Energy Physics Lecture I LHC 1 R. Orava Spring 2005
32 Introduction to High Energy Physics Lecture I Miten tutkia? 5 R. Orava Spring 2005
CERN ja Suomi CERN Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire European Laboratory for Particle Physics Perustettu 1951 Laboratorio 1953 20 jäsenmaata, 2700 työntekijää, 6500 käyttäjää (80 kansallisuutta, 500 yliopistoa) Hiukkasfysiikan tutkimuksen käyttäjäkeskus Suomi liittyi jäseneksi v. 1991 CERNin budjetti 3.7 miljardia FIM, Suomen osuus 1,3% Introduction to High Energy Physics Lecture I CERN ja Suomi R. Orava Spring 2005 33
Suomi Fermilaboratoriossa Introduction to High Energy Physics Lecture I Fermilaboratorio R. Orava Spring 2005 34
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 2005 35
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 2004 36
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
CMS Experiment 12500 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 2005 38
ATLAS koeasema Introduction to High Energy Physics Lecture I ATLAS koe R. Orava Spring 2005 39
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 2005 40
Higgs Mass Limits Experimental Status EW measurements: (LEP+SLC+TeVatron..) M H 196 GeV (95% CL) Direct searches (LEP): M H 114.1 GeV (95% CL) M H = 115.6 GeV? Introduction to High Energy Physics Lecture I Higgs R. Orava Spring 2005 41
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 2005 42
DELPHI koeasema Introduction to High Energy Physics Lecture I DELPHI R. Orava Spring 2005 43
Suomalainen tarkkuusilmaisin Introduction to High Energy Physics Lecture I 60cm Si ilmaisin R. Orava Spring 2005 44
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 2005 45
Dental Dental Intra oral Panoramic Cephalometric Micro CT Introduction to High Energy Physics Lecture I Dental R. Orava Spring 2005 46
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 2005 47
Medical CT scanning Mammography Fluoroscopy X ray biopsy Bone densitometry Gamma camera Introduction to High Energy Physics Lecture I Medical R. Orava Spring 2005 48
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 2005 49
Radiation detector laboratory laboratoriotyöt! Introduction to High Energy Physics Lecture I Ilmaisinlaboratorio 1 R. Orava Spring 2005 50
DETECTOR LABORATORY FACILITIES THE FINNISH HIGH ENERGY PHYSICS FACILITY Introduction to High Energy Physics Lecture I Ilmaisinlaboratorio 2 R. Orava Spring 2005 51
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 2005 52
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 2005 53
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 2004 54
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 2004 55
56 Introduction to High Energy Physics Lecture I Avoimet kysymykset R. Orava Spring 2004
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 2004 57
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 2004 58