Kvarkkiaineen tutkimus CERN:n ALICE-kokeessa Sami RäsänenR SISÄLTÖ: Vahvojen vuorovaikutusten teorian (=QCD) historiaa Olomuodon muutos ydinaineesta kvarkkiaineeseen Kvarkkiaineen kokeellinen tutkimus, erityisesti ALICE-koe 29.8.2008
Alkeishiukkaset vuonna 1932 valon kvantit, eli fotonit (Einstein 1905) atomin ydin (Rutherford 1911) atomin elektroniverho kvanttimekaniikan kehitys ~1905-1927 (Bohr, Heisenberg, Schrödinger, ) neutroni löytyi 1932 (Chadwick)
Positroni e + Schrödingerin aaltoyhtälö (1925) epärelativistinen kvanttimekaniikka kuvaa (esimerkiksi) valtaosan atomin elektroniverhon ominaisuuksista Paul Dirac löysi Schrödingerin aaltoyhtälölle relativistisen yleistyksen 1928 ENNUSTUS: jokaisella hiukkasella on oltava antihiukkanen ANTIHIUKKASET: sama massa kuin hiukkasella vastakkainen varaus hiukkanen ja anti-hiukkanen annihiloivat toisensa törmätessään positroni = elektronin antihiukkanen Andersson 1932
Fotoni, γ (1905) Sähkömagneettinen potentiaali V ( r ) 1 SM SM vuorovaikutuksen kantama ääretön r FSM 1 2 r Einstein (1905): valo emittoituu ja absorboituu kvantteina (Compton todisti 1917) Sähkömagneettisen vuorovaikutuksen kuvaus massattoman hiukkasen, fotonin, vaihtona (1934-1948 QED: Feynman, Schwinger, )
Pioni, π (1934) Miten atomin ydin pysyy kasassa? Massiivisen hiukkasen vaihto modifioitu Coulombin laki V Yukawa ( r) Vaihdettavan hiukkasen massa (m) vuorovaikutuksen kantama e mr r vuorovaikutus Yukawa (1934)
Myoni, µ (1937) Yukawan ennustuksen pohjalta etsittiin pioneja, m ~ 100-200 MeV Ei tarpeeksi tehokkaita kiihdyttimiä kosminen säteily Uusi hiukkanen löytyi täsmälleen oikealta massaväliltä, mutta kantama aineessa pitkä EI VOINUT OLLA YUKAWAN PIONI Myoni = raskas elektroni m 200m e ~ µ I. Rabi: WHO ORDERED THAT?
Alkeishiukkaset 1948 Myös pioni löytyi ~10 vuoden etsimisen jälkeen kosmisesta säteilystä (Cecil Powell, 1947) (Neutriino, Pauli postuloi 1932, löydettiin kokeellisesti 1956) Cecil Powell
Paljon uusia hiukkasia 1950-1968 Törmäysenergian kasvattaminen kiihdytinkokeissa π, π 0, π + pioni, 0, +, ++ delta K, K 0, K + kaoni Λ 0 lambda ρ, ρ 0, ρ + rho Σ, Σ 0, Σ + sigma η eta Ξ, Ξ 0 eta φ fii MESONIT BARYONIT Kaikki alkeishiukkasia?? Vai löytyykö sisäistä rakennetta??
Kvarkkimalli 1963 uu d d s s +2/3 e -1/3 e -1/3 e Gell-Mann, 1963 Hadronit = mesonit + baryonit hadronit koostuvat kvarkeista baryoni = kolmen kvarkin sidottu tila mesoni = kvarkin ja anti-kvarkin sidottu tila kvarkit todennettiin kokeellisesti 1967 (SLAC)
Tätä nykyä hadroneita = baryonit (qqq) ja mesonit (qq) tunnetaan satoja HUOM! Kvarkkimallin kehitys pohjasi puhtaasti havaintoihin!! Havainto 1: yksittäisiä kvarkkeja tai gluoneja ei luonnossa vapaina Havainto 2: ++ baryonin kvarkkisisältö (uuu) ristiriita Paulin kieltosäännön kanssa Greenberg postuloi värin 1964 ++ =(uuu)
Kvanttiväridynamiikka (QCD) 1973 (= vahvan vv perusteoria) Kvarkeilla on värivaraus (r, g, b) Kvarkkien välistä vuorovaikutusta välittävät massattomat gluonit g (löydettiin kokeissa 1979) g g g Gluonien itseisvuorovaikutukset potentiaali kasvaa suurilla r Keskeinen ero SM teoriaan (QED) gluoneilla on värivaraus: g ~ (väri) x (vastaväri) V α 4 s QCD = + 3 Yksittäisiä kvarkkeja ja gluoneja ei luonnossa vapaina = värivankeus Havaittavat hiukkastilat (=hadronit) ovat valkoisia, yksinkertaisimmat: baryoni ~ (q r q g q b ) ja mesoni ~ (q väri q vastaväri ) r kr
Alkeishiukkaset 2008 (=melkoinen hyppy edellisestä) http://pdg.lbl.gov/ Tässä esityksessä vain vahvat vuorovaikutukset: kvarkit: (u,d) (c, s) (t, b) gluonit: g POINTTI: Koetulokset Teoriat Who ordered that? toistunut LEP@CERN 1992: keveitä neutriinoperheitä on kolme
OSA II Relativistiset raskasionitörmäykset
Kertaus: Atomin koko ~ 1 Å = 10-10 m Ytimen säde ~ 10 fm = 10-14 m Nukleonin (= p tai n) säde ~ 1 fm Kvarkit pistemäisiä (r < 10-19 m) Elektroni pistemäinen (r < 10-18 m) Kultaytimen tiheysjakauma Kultaytimen säde R A ~6.5 fm
KVARKKI-GLUONI PLASMA (QGP) (Toisinaan nimitys kvarkkiaine ) Puristus Lämmitys Nukleonitiheys kultaytimessä n ~ 200 kpl / [4/3 π (6.5 fm) 3 ] ~ 0.17 kpl / fm 3 n ~ 1 kpl / fm 3 Nukleonit eivät ole kovakuorisia biljardipalloja
Yhteys kosmologiaan t=0 t=0 Kvarkki-gluoni plasma QGP (kvarkkiaine) Big Bang t~10 µs t 10µs Quark-Gluon-Plasma t~1 t 1ms Nuclear Matter
Vahvasti vuorovaikuttavan aineen olomuodot QCD: ON OLEMASSA FAASITRANSITIO (eli olomuodonmuutos) hadronikaasu kvarkki-gluoniplasma (QGP)! Luonnollinen yksikköjärjestelmä: c = ħ = k B = 1 Kriittinen lämpötila T c ~ 10 12 K ~ 170 MeV ja energiatiheys ε c ~ 1 GeV / fm 3
Suurenergiaiset raskasionitörmäykset - Kokeellispainotteista perustutkimusta, jonka tavoitteena 1. Todentaa QGPn aineen uuden olomuodon - olemassaolo 2. Selvittää QGPn ominaisuudet eli tutkia vahvasti vuorovaikuttavan QCD-aineen termodynamiikkaa - Tämä onnistuu, etenkin ydinten nokkakolareissa, kun * A~200 = raskas * törmäävien suihkujen E 10 GeV/n» m p ; ultrarelativistinen * voidaan tutkia useita QGP-signaaleja - Alalla 1500-2000 fyysikkoa hyvin kansainvälinen ala! - Suomessa: perinteikkäät teoriaryhmät Jyväskylässä ja Helsingissä, nyt myös kokeellinen ALICE-ryhmä JKL/HKI www.urhic.phys.jyu.fi www.hip.fi
Raskasionitörmäyksen dynamiikkaa Keskeinen Au+Au törmäys = ydinten nokkakolari - tihein mahdollinen systeemi syntyy; edullisin QGPn muodostumiselle - maksimaalinen määrä hituja lopputilassa - törmäystapahtuma kestää kokonaisuudessaan ~ 10-22 s!! Simulaation tekijä J. Mitchell: www.bnl.gov/rhic/
Raskasionitörmäyksen dynamiikkaa Laskut ja simulaatio: Harri Niemi, JYFL
Au + Au törmäys Brookhaven National Laboratorion RHIC törmäyttimessä (RHIC = Relativistic Heavy Ion Collider)
Esimerkki kokeellisesti mitattavasta suureesta: Tuotetun poikittaisenergian määrä - saadaan kalorimetrista tai hitujakaumista eli spektreistä energiatiheydet heti tuoton jälkeen > 5 x QGP-raja systeemi ei ole hadronisessa olomuodossa t=1 fm/c:ssä! Hadronien spektri E dp x dn dp y dp eli niiden törmäyksessä tuotettujen hadronien lukumäärä dn, joiden liikemäärä (p x, p y, p z ) on välillä (p x +dp x, p y +dp y, p z +dp z ) z Katso myös www.physicstoday.org/vol-56/iss-10/p48.html
Miksi ALICE koe CERN:n LHC -törmäyttimelle? LHCssä QGP on kuumempaa ja elää pidempään! 10 23 s
OSA III Muutama sana kokeellisesta fysiikasta
ALICE koe (A Large Ion Collider Experiment)
ALICE Size: 16 x 26 meters Weight: 10,000 tonnes
Hiukkasten havaitsemisen perusteita Havaitseminen vaatii mittalaitteen ja havaintokohteen välisen vuorovaikutuksen 1. Track detectors - mittaavat ratoja ja kulmia 2. Calorimeters - mittaavat energiaa - tyypillisesti jaetaan hadronisiin ja sähkömagneettisiin
Lankakammio varatut hidut ionisoivat kaasua elektronit kerätään anodilangoille (~2 mm välein) useita päällekkäisiä kammioita (katodilevyt ~2 cm välein) elektronit havaitaan virtana langoissa aikaeroista saadaan tarkka paikkatieto Puolijohdeilmaisimet varatut hidut luovat elektroni-aukko pareja materiaaliin elektronit ja aukot erotetaan sähkökentällä ja kerätään elektrodeille erittäin tarkka paikkainformaatio, ~10 µm yleensä lähimpinä vuorovaikutuspistettä (tarkkuus) huonoa: kalliita ja säteily vaurioittaa ajan myötä Kalorimetrit näkevät myös neutraalit hiukkaset!! mittaavat hiukkasten energiaa tiivistä materiaa, joka absorboi törmäävät hiukkaset uloimpia, eli (varattujen) hiukkasten radat mitattu jo ennen kalorimetriin saapumista SM kalorimetrit tyypillisesti lyijyä, hadroniset rautaa
Animaatio osoitteessa: http://hands-on-cern.physto.se/ani/det_cms/cms_slice.swf
Data-analyysi Haasteita: - Kuinka edellä kuvatut sähköiset impulssit käsitellään ja tulkitaan? runsaasti haastavaa fysiikkaa, ei pelkkää rautapuolta - ~500 eri instituuttia/yliopistoa analysoi LHC:n dataa - tutkijoita LHC:n piirissä on ~5000, joista ALICE:ssa ~1000 - dataa kertyy ~ 15 miljoonaa GB vuodessa (~ gigabittejä / s) vastaa noin 20 km korkuista pinoa CD-levyjä, vuosittain!! - datan on oltava saatavilla ainakin 15 vuotta GRID verkko, jossa yhteensä ~100 000 prosessoria ultranopea kaista, saavutettu 11 000 km nopeudella 6.25 GB/s (eli ~1 DVD elokuva 5 s välein) data käsitellään vaiheittain: raakadata => esikäsitelty Jyväskylässä analysoidaan (lähinnä) esikäsiteltyä dataa
FYYSIKON TYÖKALUPAKKI: 1. Fysiikan taidot (itsestään selvää) 2. Matematiikan taidot 3. Tietotekniikka, erityisesti ohjelmointi 4. Englannin kieli 5. Valmius ryhmätyöskentelyyn
KIITOS!