Hiukkasfysiikan kokeet

Samankaltaiset tiedostot
Hiukkasfysiikan kokeet

MasterClass 14. Hiukkasfysiikan kokeet

Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

Suomalainen tutkimus LHC:llä. Paula Eerola Fysiikan laitos ja Fysiikan tutkimuslaitos

perushiukkasista Perushiukkasia ovat nykykäsityksen mukaan kvarkit ja leptonit alkeishiukkasiksi

Teoreettinen hiukkasfysiikka ja kosmologia Oulun yliopistossa. Kari Rummukainen

Hiukkaskiihdyttimet. Tapio Hansson

Theory Finnish (Finland) Suuri hadronitörmäytin (Large Hadron Collider, LHC) (10 pistettä)

Opetusesimerkki hiukkasfysiikan avoimella datalla: CMS Masterclass 2014

CERN ja Hiukkasfysiikan kokeet Mikä se on? Mitä siellä tehdään? Miksi? Mitä siellä vielä aiotaan tehdä, ja miten? Tapio Lampén

Havainto uudesta 125 GeV painavasta hiukkasesta

Teoreetikon kuva. maailmankaikkeudesta

Hyvä käyttäjä! Ystävällisin terveisin. Toimitus

Ydin- ja hiukkasfysiikka 2014: Harjoitus 5 Ratkaisut 1

Higgsin bosonin etsintä CMS-kokeessa LHC:n vuosien 2010 ja 2011 datasta CERN, 13 joulukuuta 2011

Hiukkasfysiikka. Katri Huitu Alkeishiukkasfysiikan ja astrofysiikan osasto, Fysiikan laitos, Helsingin yliopisto

Leptonit. - elektroni - myoni - tauhiukkanen - kolme erilaista neutriinoa. - neutriinojen varaus on 0 ja muiden leptonien varaus on -1

SUPER- SYMMETRIA. Robert Wilsonin Broken Symmetry (rikkoutunut symmetria) Fermilabissa USA:ssa

LHC -riskianalyysi. Emmi Ruokokoski

Hiukkasfysiikkaa. Tapio Hansson

Alkeishiukkaset. perushiukkaset. hadronit eli kvarkeista muodostuneet sidotut tilat

Tampere Higgsin bosoni. Hiukkasen kiinnostavaa? Kimmo Tuominen! Helsingin Yliopisto

Uusimmat tulokset ATLAS-kokeen Higgs hiukkasen etsinnästä

Hiukkasfysiikan luento Pentti Korpi. Lapuan matemaattisluonnontieteellinen seura

Korrelaatiofunktio ja pionin hajoamisen kinematiikkaa

Alkeishiukkaset. Standarimalliin pohjautuen:

Triggeri. Tuula Mäki

Paula Eerola

LHC kokeet v J.Tuominiemi /

Suhteellisuusteoriasta, laskuista ja yksiköistä kvantti- ja hiukkasfysiikassa. Tapio Hansson

Mikä on CERN? Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire

Kvarkkiaineen tutkimus CERN:n ALICE-kokeessa

Aineen rakenteesta. Tapio Hansson

Mitä energia on? Risto Orava Helsingin yliopisto Fysiikan tutkimuslaitos CERN

Hiukkasfysiikan avointa dataa opetuskäytössä

Hiukkasfysiikkaa teoreetikon näkökulmasta

Kesätöihin CERNiin? Santeri Laurila & Laura Martikainen Fysiikan tutkimuslaitos (HIP) Santeri Laurila & Laura Martikainen / HIP

Arttu Haapiainen ja Timo Kamppinen. Standardimalli & Supersymmetria

Maailmankaikkeuden synty ja aineen perusrakenne

Tervetuloa. Espoon yhteislyseo, Ivalon ja Kuninkaantien lukiot

Perusvuorovaikutukset. Tapio Hansson

Harvinainen standardimallin ennustama B- mesonin hajoaminen havaittu CMS- kokeessa

Neutriino-oskillaatiot

Kuva 2. LHC-dipolimagneetin poikkileikkaus, jossa näkyy suprajohtavan magneettikelan paikka suihkuputkien ympärillä.

Fysiikkaa runoilijoille Osa 5: kvanttikenttäteoria

Robert Brout. Higgsin bosoni. S. Lehti Fysiikan tutkimuslaitos Helsinki. Francois Englert. Peter Higgs

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

Mahtuuko kaikkeus liitutaululle?

Neutriinokuljetus koherentissa kvasihiukkasapproksimaatiossa

AVOIN HIUKKASFYSIIKAN TUTKIMUSDATA OPETUSKÄYTÖSSÄ

Tervetuloa Pohjois-Tapiolan, Tapiolan ja Viherlaakson lukiot

Perusvuorovaikutukset. Tapio Hansson

Magneettikentät. Haarto & Karhunen.

Vuorovaikutuksien mittamallit

(Hiukkas)fysiikan standardimalli

Aineen olemuksesta. Jukka Maalampi Fysiikan laitos Jyväskylän yliopisto

Atomin ydin. Z = varausluku (järjestysluku) = protonien määrä N = neutroniluku A = massaluku (nukleoniluku) A = Z + N

Higgsin fysiikkaa. Katri Huitu Fysiikan laitos, AFO Fysiikan tutkimuslaitos

CERN-matka

Neutriinofysiikka. Tvärminne Jukka Maalampi Fysiikan laitos, Jyväskylän yliopisto

Osallistumislomakkeen viimeinen palautuspäivä on maanantai

Hiukkasfysiikka, kosmologia, ja kaikki se?

Ydin- ja hiukkasfysiikka: Harjoitus 1 Ratkaisut 1

Laboratoriot ja kokeet

Kvantittuminen. E = hf f on säteilyn taajuus h on Planckin vakio h = 6, Js = 4, evs. Planckin kvanttihypoteesi

erilaisten mittausmenetelmien avulla

Fysiikan Nobel 2008: Uusia tosiasioita aineen perimmäisistä rakenneosasista

Kvarkeista kvanttipainovoimaan ja takaisin

Kvanttifysiikan perusteet 2017

Fysiikka 8. Aine ja säteily

8. Hiukkasfysiikka ja kosmologia

Sähköstatiikka ja magnetismi

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

Perusvuorovaikutukset

Fysiikkaa runoilijoille Osa 7: kohti kaiken teoriaa

Fysiikan nykytila ja saavutukset

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

Fysiikan maailmankuva 2015

Hiukkasten lumo: uuden fysiikan alku. Oili Kemppainen

Synkrotronisäteily ja elektronispektroskopia. Tutkimus Oulun yliopistossa

Kosmologia ja alkuaineiden synty. Tapio Hansson

Suojeleva Aurinko: Aurinko ja kosmiset säteet IHY

Monissa fysiikan probleemissa vaikuttavien voimien yksityiskohtia ei tunneta

Infrapunaspektroskopia

Flrysikko Higgs iuhli. löytymistä 4. z.totz

Magneettikenttä. Liikkuva sähkövaraus saa aikaan ympärilleen sähkökentän lisäksi myös magneettikentän

Higgsin hiukkasta tutkimassa LHC:llä

Aine ja maailmankaikkeus. Kari Enqvist Helsingin yliopisto ja Fysiikan tutkimuslaitos

Atomimallit. Tapio Hansson

Atomimallit. Tapio Hansson

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 2 Kevät 2017

raudan ja nikkelin paikkeilla: on siis mahdollista vapauttaa ytimen energiaa joko fuusioimalla tätä pienempiä ytimiä tai fissioimalla raskaampia.

Säteily ja suojautuminen Joel Nikkola

Sähköstatiikka ja magnetismi Coulombin laki ja sähkökenttä

TÄSSÄ ON ESIMERKKEJÄ SÄHKÖ- JA MAGNETISMIOPIN KEVÄÄN 2017 MATERIAALISTA

REAKTIOT JA TASAPAINO, KE5 KERTAUSTA

KVANTTIKOSMOLOGIAA VIRKAANASTUJAISESITELMÄ, PROFESSORI KIMMO KAINULAINEN. Arvoisa Dekaani, hyvä yleisö,

Erityinen suhteellisuusteoria (Harris luku 2)

STANDARDIMALLI. Perus- Sähkö- Elektronin Myonin Taun hiukka- varaus perhe perhe perhe set

Transkriptio:

Hiukkasfysiikan kokeet Santeri Laurila Helsingin yliopisto Fysiikan tutkimuslaitos (HIP) kalvot: Santeri Laurila, Kati Lassila-Perini, Mikko Voutilainen, Lauri A. Wendland Hiukkasfysiikan kokeet 1 / 54 Santeri Laurila, Helsinki 18.5.2017

Fysiikan teoria ja kokeet Teoria Kokeet 1. Hiukkaskiihdyttimet 2. Ilmaisimet 3. Data-analyysi Hiukkasfysiikan kokeet 2 / 54 Santeri Laurila, Helsinki 18.5.2017

MasterClass 2017 Osa 1: Hiukkaskiihdyttimet Hiukkasten 1) kiihdyttäminen 2) radan kääntäminen 3) fokusoiminen 4) törmäyttäminen Hiukkasfysiikan kokeet 3 / 54 Santeri Laurila, Helsinki 18.5.2017

Mitä iloa energiasta? Hiukkastörmäyksissä protonien liike-energiaa muuttuu uusiksi, harvinaisemmiksi hiukkasiksi Uusia voi syntyä hiukkasia monenlaisia ja vieläpä erilaisten prosessien kautta Eri prosessien todennäköisyyttä kuvaa vuorovaikutusala (σ, pystyakselilla), joka riippuu energiasta (E, vaaka-akselilla) Hiukkasfysiikan kokeet 4 / 54 Santeri Laurila, Helsinki 18.5.2017

Heisenbergin epätarkkuusperiaate: tiettyjen suureiden arvoja ei voi määrittää yhtä aikaa tarkasti Jos halutaan tutkia aineen pienimpiä osia, liikemäärän on oltava: p ħ/(2 x) = 6.6.10-16 evs/(2*10-18 m) 1011 ev/c = 100 GeV/c Mikäs olikaan LHC:n törmäysenergia..? Hiukkasfysiikan kokeet 5 / 54 Santeri Laurila, Helsinki 18.5.2017

Kiihdytys sähkökentällä Hiukkaskiihdyttimet perustuvat sähkövarauksellisen hiukkasen kiihdyttämiseen sähkökentällä Hiukkasfysiikassa energian yksikkö on 1 ev eli elektronivoltti (sovitaan c=1, jolloin ev käy myös massoille ja liikemäärille) Matalan energian kiihdyttimissä liukuputkia (drift tube), joiden välissä on sähkökenttä Lähellä valonnopeutta tarvittava taajuus liian suuri liukuputkille radiotaajuusresonaattorit (RF): seisova sähkömagneettinen aalto (400 MHz taajuus) työntää hiukkasia eteenpäin Hiukkasfysiikan kokeet 6 / 54 Santeri Laurila, Helsinki 18.5.2017

CERNin LHC-kiihdytin Maailman suurin kiihdytinkompleksi: LHC-kiihdytinrengas 27 km, neljä suurta koeasemaa, lukuisia esikiihdyttimiä Koeasemilla protonit törmäytetään ja liike-energiasta syntyy uusia hiukkasia Hiukkasfysiikan kokeet 7 / 54 Santeri Laurila, Helsinki 18.5.2017

LHC-tunneli Hiukkasfysiikan kokeet 8 / 54 Santeri Laurila, Helsinki 18.5.2017

LHC:n esikiihdyttimet Jokainen kiihdytin toimii tietyllä energia-alueella (LHC 0.45 6.5 TeV) Suureen liike-energiaan vaaditaan esikiihdyttimien ketju Hiukkaset kiertävät ympyrää, yhtä kiihdytinjaksoa voi käyttää monta kertaa LINAC (LINear Accelerator, 1978): 50 MeV, 0.31c PSB (Proton Synchrothron Booster, 1972): 1.4 GeV, 91.6c PS (Proton Synchrotron, 1959): 26 GeV, 99.93c SPS (Super Proton Synchrotron, 1976): 450 GeV, 99,9998c LHC (Large Hadron Collider, 2008): 6.5 TeV, 99,999999c Hiukkasfysiikan kokeet 9 / 54 Santeri Laurila, Helsinki 18.5.2017

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 jos magneetin voimakkuus rajoittava tekijä, kannattaa rakentaa mahdollisimman suuri kiihdytinrengas! Mihin suuntaan magneettikentän pitäisi osoittaa LHC:ssa? Hiukkasfysiikan kokeet 10 / 54 Santeri Laurila, Helsinki 18.5.2017

Radan kääntäminen Ensimmäiset rengaskiihdyttimet käyttivät kestomagneetteja (B vakio) hiukkasten kiertorata laajenee energian kasvaessa (syklotroni) Nykyisissä synkrotroneissa käytössä sähkömagneetteja, joiden virtaa voi muuttaa B muuttuu, R vakio LHC:ssa 1232 kpl suprajohtavia sähkömagneetteja (15m, 35t, 1.9K) Hiukkanen ja sen antihiukkanen kaartuvat magneettikentässä eri suuntiin, joten ne voivat kulkea samojen magneettien ohjaamana vastakkaisiin suuntiin p = qrb LHC:ssä molemmat suihkut koostuvat protoneista, joten tarvitaan kaksi vierekkäistä rataa, vastakkaissuuntaiset kentät Hiukkasfysiikan kokeet 11 / 54 Santeri Laurila, Helsinki 18.5.2017

Protonisäteen fokusointi LHC:n protonikimpussa on pienessä tilassa suuri määrä (~10 11 ) saman varauksen omaavia hiukkasia, jotka pyrkivät erilleen Suihkun fokusointi tapahtuu 858 kvadrupolimagneetilla, jotka taivuttavat harhautuneita hiukkasia kohti tyhjiöputken keskipistettä Dipolimagneetti: testivarauksia Kvadrupolimagneetti: Tyypillisessä kiihdyttimessä on nk. FODO-ketju, jossa F fokusoi pystysuunnassa, D vaakasuunnassa ja O:t kääntävät rataa Hiukkasfysiikan kokeet 12 / 54 Santeri Laurila, Helsinki 18.5.2017

Protoni protoni-törmäys Törmäyksessä liike-energiaa muuttuu uusien hiukkasten massaksi Einsteinin kaavan E=mc 2 mukaisesti g g t W + b e + ν e g t W - b q q Hiukkasfysiikan kokeet 13 / 54 Santeri Laurila, Helsinki 18.5.2017

MasterClass 2017 Osa 2: Hiukkasilmaisimet CMS-koeasema Koeaseman mittalaitteet Hiukkasten tunnistaminen Hiukkasfysiikan kokeet 14 / 54 Santeri Laurila, Helsinki 18.5.2017

CMS-koeasema Hiukkasfysiikan kokeet 15 / 54 Santeri Laurila, Helsinki 18.5.2017

5000 ihmisen yhteishanke Hiukkasfysiikan kokeet 16 / 54 Santeri Laurila, Helsinki 18.5.2017

Koeaseman valvomo Hiukkasfysiikan kokeet 17 / 54 Santeri Laurila, Helsinki 18.5.2017

CMS - kompakti myonisolenoidi Jälki-ilmaisin Sähkömagneettinen kalorimetri Hadronikalorimetri Solenoidimagneetti Magneettivuon palautin (rautaa) Myoni-ilmaisimet Halkaisija: 15 m Pituus: 22 m Paino: 14500 t Magneettikenttä: 3.8 T Kollaboraattoreita: 3600 Kansallisuuksia: ~40 Hiukkasfysiikan kokeet 18 / 54 Santeri Laurila, Helsinki 18.5.2017

Tyhjiöputki Protonikimput (kussakin n. 10 11 protonia) kulkevat koelaitteiston läpi ohuessa (<1mm) beryllium-putkessa, jonka sisällä on ~tyhjiö Törmäystuotteet lentävät yleensä vaivatta putken läpi Putkessa vastakkaisiin suuntiin liikkuvat protonikimput kulkevat toistensa läpi n. 20 μm x 10 cm kokoisella törmäysalueella keskellä koeasemaa 20µm törmäysalue 10cm Asennettu tyhjiöputki (kokonaisuudessaan 44m) Hiukkasfysiikan kokeet 19 / 54 Santeri Laurila, Helsinki 18.5.2017

Hiukkasten tunnistaminen Törmäystapahtuman selvittäminen on salapoliisityötä, jossa yhdistellään vihjeitä eri neutriinot ilmaisimista Yhdistetään erilaisten ilmaisintyyppien informaatiota Jälki-ilmaisin (varattujen hiukkasten jäljet) Sähkömagneettinen kalorimetri (elektronien ja fotonien energia) Hadroninen kalorimetri Myoni-ilmaisimet lmaisimet voimakkaan magneettikentän sisällään, jotta varattujen hiukkasten radat taipuvat neutraalit hadronit varatut hadronit fotonit elektronit/ positronit myonit Hiukkasfysiikan kokeet 20 / 54 Santeri Laurila, Helsinki 18.5.2017

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 liikemäärän säilymisen kautta Hiukkasfysiikan kokeet 21 / 54 Santeri Laurila, Helsinki 18.5.2017

Osa 3: Data-analyysi Törmäysten valitseminen Signaali ja tausta Tilastolliset menetelmät Hiukkasfysiikan kokeet 22 / 54 Santeri Laurila, Helsinki 18.5.2017

Törmäyksiä 25ns välein Hiukkasfysiikan kokeet 23 / 54 Santeri Laurila, Helsinki 18.5.2017

Törmäysten valitseminen 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 ~250 Hz (=250 MB/s) Valittujen törmäystapahtumien tallennus 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. 50.000 prosessoria) valitaan n. 250 mielenkiintoista kuvaa sekunnissa ja tallennetaan ne maailmanlaajaan valokuva-arkistoon (n. 10 000 000 GB / vuosi) Hiukkasfysiikan kokeet 24 / 54 Santeri Laurila, Helsinki 18.5.2017

Satoja petatavuja dataa Hiukkasfysiikan kokeet 25 / 54 Santeri Laurila, Helsinki 18.5.2017

Hiukkasten rekonstruktio Esimerkki: Gluoni-gluonifuusio, jossa syntyy top-kvarkkeja g g g t t W + W - b b e + ν e q q Hiukkasfysiikan kokeet 26 / 54 Santeri Laurila, Helsinki 18.5.2017

Analyysi: signaali vs. tausta Esimerkki: Tavoittteena löytää Higgsin bosoni Higgsin bosoni hajoaa toisinaan kahteen W-bosoniin, H->W + W - Tämä on etsimämme signaali W + W -pareja syntyy protoni protoni-törmäyksissä myös ilman Higgsin bosonia Tämä on taustaa etsinnöillemme: jotain joka näyttää signaalilta (ainakin melkein) vaikka ei ole! Kuinka erottaa signaali ja tausta toisistaan? 0 0 100 200 300 [GeV] Hiukkasfysiikan kokeet 27 / 54 Santeri Laurila, Helsinki 18.5.2017 Events / 10 GeV Yksittäisestä törmäyksestä ei voi sanoa varmasti! Taustaa voidaan arvioida simulaatioilla Taustaa voidaan arvioida mittauksilla mitataan niin että signaalia ei varmasti mukana! Suuri joukko törmäyksiä + tilastotiede Valitaan sopiva joukko törmäystapahtumia valintakriteerit sellaisiksi että tausta pienenee 1000 500 CMS 4.9 fb (7 TeV) + 19.4 fb (8 TeV) data H WW W+jets WZ+ZZ+VVV top DY+jets WW -1 m H = 125 GeV m ll -1 eµ 0-jet

Kaksi fotonia (H γγ) Fotoniparin invariantti massa vastaa sen hiukkasen massaa josta fotonit ovat peräisin Hiukkasfysiikan kokeet 28 / 54 Santeri Laurila, Helsinki 18.5.2017

Neljä leptonia (H ZZ 4l) Neljän leptonin systeemin invariantti massa Hiukkasfysiikan kokeet 29 / 54 Santeri Laurila, Helsinki 18.5.2017

Higgs 4.7.2012 Hiukkasfysiikan kokeet 30 / 54 Santeri Laurila, Helsinki 18.5.2017

Onko Higgsejä useampi? Monet nykyistä standardimallia laajemmat teoriat ennustavat useita erilaisia Higgsin bosoneita Helsingin ryhmä etsii sähkövarauksellista Higgsin bosonia joka hajoaisi tauleptoniksi ja neutriinoksi Events / bin 3 10 2 10 10 1 1 10 CMS Preliminary -1 12.9 fb (13 TeV) Data Mis-ID. τ h (data) tt W+jets Single top quark Z/γ*+jets Diboson Bkg. stat. syst. unc. H + 1 + 1 h 2 10 3 10 g g 1 g 1 t t 1 1 b b W 1 q 0 q Data/Bkg. 4 10 1.5 1 0.5 0 Bkg. stat. syst. unc. 0 100 200 300 400 500 600 700 800 m T (GeV) Hiukkasfysiikan kokeet 31 / 54 Santeri Laurila, Helsinki 18.5.2017

Tulevaisuuden näkymiä Ymmärryksemme luonnosta on lisääntynyt viime vuosikymmeninä valtavaa vauhtia, mutta työ on pahasti kesken: Mitä on pimeä aine? Entä pimeä energia? Miksi maailmankaikkeudessa on enemmän materiaa kuin antimateriaa? Miten selittää neutriinojen massa? Ovatko alkeishiukkaset todella alkeishiukkasia? Miksi hiukkasperheitä on kolme? Onko luonnossa lisää (rikkoutuneita?) symmetrioita? Supersymmetria? Monet nykyistä standardimallia laajemmat teoriat ennustavat useita erilaisia Higgsin bosoneita Miten gravitaatio yhdistetään muihin (kvantti)vuorovaikutuksiin? Onko ulottuvuuksia tasan 3+1? Onko löytämämme Higgsin bosoni standardimallin ennustama ja ainoa? Hiukkasfysiikan kokeet 32 / 54 Santeri Laurila, Helsinki 18.5.2017

Tulevaisuuden näkymiä Hiukkasfysiikan kokeet 33 / 54 Santeri Laurila, Helsinki 18.5.2017

Kiitos! Hiukkasfysiikan kokeet 34 / 54 Santeri Laurila, Helsinki 18.5.2017

Varakalvot Hiukkasfysiikan kokeet 35 / 54 Santeri Laurila, Helsinki 18.5.2017

Suhteellisuusteoriaa Törmäyksessä protonien energia muuttuu uusien hiukkasten massaksi Einsteinin kaavan E = mc 2 mukaisesti Osa energiasta päätyy uusien hiukkasten liike-energiaksi, eli itse asiassa E 2 = m 2 c 4 + p 2 c 2 : hiukkaset relativistisia Nopeus v lähes valonnopeus c Energia E ja liikemäärä p paljon suurempia kuin hiukkasen massa m: E >> mc 2, jolloin p ~ E/c Kiinteällä kohtiolla vain E suihku käytettävissä uusien hiukkasten massaan, protoni protoni-törmäyksessä 2*E suihku 2 Usein sovitaan että c=1 ja > energiasta (GeV), liikemäärästä (GeV/c) ja massoista (GeV/c ) voi käyttää samaa energiayksikköä GeV (vastaa noin protonin massaenergiaa) Hiukkasfysiikan kokeet 36 / 54 Santeri Laurila, Helsinki 18.5.2017

Datankäsittely Myös CERNin datan 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 http://wlcg.web.cern.ch/wlcg-googleearth-dashboard Hiukkasfysiikan kokeet 37 / 54 Santeri Laurila, Helsinki 18.5.2017

LHC:n koeasemat B-fysiikkaa protoni-protoni -törmäyksillä CMS +TOTEM LHC-tö rmäytin LHCb +MoEDAL Yleisilmaisin protoni-protoni ja lyijy-lyijy -törmäyksille SPS-tör mäytin PS-törm äytin Raskasionifysiikkaa ATLAS +LHCf Hiukkasfysiikan kokeet ALICE 38 / 54 Santeri Laurila, Helsinki 18.5.2017

Sisempi jälki-ilmaisin Sisempi osa jälki-ilmaisimesta: piipikseli-ilmaisimia 70 milj. piipikseliä, joiden koko 100 μm x 150 μm Toimintaperiaate: varatut hiukkaset tuottavat piissä (puolijohde) elektroni aukko-pareja Vähintään kolme mittauspistettä kullekin radalle Mahdollistaa hiukkasen hajoamispaikan määrittämisen Radan kaarevuussäde R kertoo hiukkasen liikemäärän (p=qrb) ja varauksen merkin Kaaviokuva piipikseli-ilmaisimesta Puolikas piipikselimoduuli Rekonstruoitu neutraalin epästabiilin hiukkasen (D 0 ) hajoamispiste Hiukkasfysiikan kokeet 39 / 54 Santeri Laurila, Helsinki 18.5.2017

Ulompi jälki-ilmaisin Ulompi osa jälki-ilmaisimesta: piinauhailmaisimia N. miljoona pii nauhaa ; n. 200 m 2 piitä Varatut hiukkaset tuottavat piissä elektroni-aukkopareja Mittaa varattujen hiukkasten jälkiä n. 10 µm tarkkuudella, ~10 mittauspistettä kullekin radalle Signaali perustuu ionisaatioon: hiukkanen irrottaa atomien elektroneja 512/768 nauhaa 80/140 µm välein 12 cm Asennettu Piinauhailmaisin jälki-ilmaisin ilman piipikseleitä Rekonstruoituja jälkiä kosmisista myoneista Hiukkasfysiikan kokeet 40 / 54 Santeri Laurila, Helsinki 18.5.2017

Sähkömagneettinen kalorimetri N. 80.000 PbWO 4 (lyijyvolframaatti)kristallia Pysäyttää elektronit/positronit sekä fotonit Signaali perustuu tuikevaloon: hiukkanen virittää atomeita, viritystilan purkautuminen tuottaa fotonin, valon kokonaismäärä verrannollinen hiukkasen energiaan Valo johdetaan valonmonistimiin, jotka muuttavat signaalin sähköiseksi Yksittäisiä Valmiiksi PbWO asennettu 4 -kristalleja kalorimetri 400:n PbWO 4 -kristallin moduuli Hiukkasfysiikan kokeet 41 / 54 Santeri Laurila, Helsinki 18.5.2017

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 42 / 54 Santeri Laurila, Helsinki 18.5.2017

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 43 / 54 Santeri Laurila, Helsinki 18.5.2017

Myoni-ilmaisimet Kolme eri ilmaisinteknologiaa perustuu myonin aiheuttamaan ionisaatioon n. miljoona mittauskanavaa n. 25000 m 2 mittauspinta-alaa Mahdollistaa myoneiden tunnistamisen sekä niitä sisältävien törmäysten nopean valinnan Mittauspisteitä kosmisesta myonista Asennettuja ilmaisimia Hiukkasfysiikan kokeet 44 / 54 Santeri Laurila, Helsinki 18.5.2017

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 45 / 54 Santeri Laurila, Helsinki 18.5.2017

Pienet kohteet - isot laitteet CERN, Building 40 CMS ATLAS Hiukkasfysiikan kokeet 46 / 54 Santeri Laurila, Helsinki 18.5.2017

Materia vs antimateria Kaikissa tunnetuissa reaktioissa syntyy lähes täysin sama määrä ainetta ja antiainetta: varatut hiukkaset syntyvät vastapareittain leptoniluku säilyy (e, μ, τ, ν e, ν μ, ν τ ) baryoniluku (kolmen kvarkit hiukkaset kuten protoni ja neutroni) säilyy Kun hiukkanen ja antihiukkanen kohtaavat, syntyy puhdasta energiaa Hiukkasfysiikan kokeet 47 / 54 Santeri Laurila, Helsinki 18.5.2017

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 48 / 54 Santeri Laurila, Helsinki 18.5.2017

Massaa lainaamassa a) Kuinka Higgsin bosoni voi hajota kahteen W tai Z bosoniin, vaikka sen massa on alle puolet näiden massoista? m H = 125 GeV, m Z = 91.2 GeV, m W = 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 49 / 54 Santeri Laurila, Helsinki 18.5.2017

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 50 / 54 Santeri Laurila, Helsinki 18.5.2017

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 51 / 54 Santeri Laurila, Helsinki 18.5.2017

Globaali yhteistyö CERNin tutkimuksessa mukana olevat maat kattavat lähes koko kehittyneen maailman Hiukkasfysiikan kokeet 52 / 54 Santeri Laurila, Helsinki 18.5.2017

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 Simulaatio kvarkki-gluoni-plasmasta Hiukkasfysiikan kokeet 53 / 54 Santeri Laurila, Helsinki 18.5.2017

Kohti tulevaa LHC:ltä on lupa odottaa lisää mielenkiintoisia tuloksia Mm. pimeän aineen etsinnät jatkuvat Vakuumin metastabiilisuus yllätävä tulos Hiukkasfysiikan kokeet 54 / 54 Santeri Laurila, Helsinki 18.5.2017