Partikkelfysikk Læren om universets minste byggestener Maiken Pedersen 15 mars 2013

Vi skal lære Om partikkelfysikk, hvordan vi kan forstå universet basert på helt fundamentale byggestener Med denne nye kunnskapen skal dere gjøre det vi gjør Analysere data fra LHC kollisjonene og måle en grunnleggende egenskap blant annet ved en partikkel vi kaller Z bosonet Si her: grupperte/klassifiserte de forskjellige type partiklene i materiepartikler og kraftformidlende partikler. Leptonene og kvarkene hører til under materiepartiklene, mens fotonet gluonet, z og w partiklene tilhører de kraftformidlende partiklene. Fordi de forskjellige partiklene kjenner de forskjellige kreftene forskjellige oppfører de seg også forskjellig

Elementærpartikler Elementærpartikler er det enkleste av det enkle kan ikke deles opp i mindre indre deler Hvorfor forske på elementærpartikler? Vil forstå universte ”fra innside ut”. Partikkelfysikk er nøkkelen til å forstå ... hva universet består av ... hvordan alt startet ... hvordan at vil utvikle seg

Ut ifra universets byggestener prøver vi å forstå hvordan alt henger sammen – vi må blande universets ingredienser til akkurat den riktige ”virkelighetsstuingen” Det vi har til rådighet er materie Leptoner, kvarker Krefter Elektromagnetisme, svake og sterke kjernekrefter Gravitasjon Det er kvantefysikken beskriver denne mikroverdenen Ble først kjent på begynnelsen av 1900-tallet Revolusjonerende teori – mikroverdenen var ikke som vår vanlige makroverden Partiklene fulgte statistiske lover, hvor utfallet i en eller annen gitt prosess ikke kunne forutsies eksakt, men kun gjennom sannsynligheter!

Standardmodellen tar form partikkelfysikkens periodetabell På 1970-tallet begynner en modell å ta form Standardmodellen for partikkelfysikk Man kunne matematisk beskrive de forskjellige elementærpartiklene og kreftene som virker mellom dem Leptoner Kvarker Materiepartikler Kraftformidlende partikler

Standardmodellen tar form partikkelfysikkens periodetabell På 1970-tallet begynner en modell å ta form Standardmodellen for partikkelfysikk Man kunne matematisk beskrive de forskjellige elementærpartiklene og kreftene som virker mellom dem Leptoner Kvarker Materiepartikler Kraftformidlende partikler Materiepartikler Leptoner – kan kjenne elektromagnetiske og/eller svake kjernekrefter`(lepto gresk for tynn,liten) Kvarker – kjenner elektromagnetiske, svake og sterke kjernekrefter

Standardmodellen tar form partikkelfysikkens periodetabell På 1970-tallet begynner en modell å ta form Standardmodellen for partikkelfysikk Man kunne matematisk beskrive de forskjellige elementærpartiklene og kreftene som virker mellom dem Leptoner Kvarker Materiepartikler Kraftformidlende partikler Materiepartikler Leptoner – kan kjenne elektromagnetiske og/eller svake kjernekrefter`(lepto gresk for tynn,liten) Kvarker – kjenner elektromagnetiske, svake og sterke kjernekrefter Krefter og kraftpartikler Elektromagnetiske: Fotonet Svake kjernekrefter: Z og W Sterke Kjernekrefter: gluonet

Standardmodellen tar form partikkelfysikkens periodetabell På 1970-tallet begynner en modell å ta form Standardmodellen for partikkelfysikk Man kunne matematisk beskrive de forskjellige elementærpartiklene og kreftene som virker mellom dem Leptoner Kvarker Materiepartikler Kraftformidlende partikler Materiepartikler Leptoner – kan kjenne elektromagnetiske og/eller svake kjernekrefter`(lepto gresk for tynn,liten) Kvarker – kjenner elektromagnetiske, svake og sterke kjernekrefter Krefter og kraftpartikler Elektromagnetiske: Fotonet Svake kjernekrefter: Z og W Sterke Kjernekrefter: gluonet I tillegg har hver partikkel et speilbilde – en antipartikkel

Materiepartiklene All vanlig materie består av Opp (up) og ned (down) kvarker i tillegg til elektroner Atomer – og dermed dere! er bygget opp av nettopp dette Nøytrinoet sørger for at en type materie kan forvandles til en annen Si her: at det er nettopp Z henfall vi skal studere senere idag

Materiepartiklene All vanlig materie består av I tillegg eksisterer tyngre varianter av kvarkene og leptonene All vanlig materie består av Opp (up) og ned (down) kvarker i tillegg til elektroner Atomer – og dermed dere! er bygget opp av nettopp dette Nøytrinoet spiller inn når en type materie forvandles til en annen – som ved fusjon i sola Si her: at det er nettopp Z henfall vi skal studere senere idag

Materiepartiklene All vanlig materie består av I tillegg eksisterer tyngre varianter av kvarkene og leptonene All vanlig materie består av Opp (up) og ned (down) kvarker i tillegg til elektroner Atomer – og dermed dere! er bygget opp av nettopp dette Nøytrinoet spiller inn når en type materie forvandles til en annen – som ved fusjon i sola Si her: at det er nettopp Z henfall vi skal studere senere idag Disse er ustabile (bortsett fra nøytrinoene) - de går raskt over til en annen lettere partikkeltype – de ”henfaller” Fantes like etter Big Bang – i dag sees de bare i kosmisk stråling og i partikkelakseleratorer

Kraftpartiklene 100*proton Kraftpartiklene kan også henfalle Z og W (massive) er ustabile, fotonet og gluonet (masseløse) er stabile De ustabile kraftpartiklene henfaller til lettere partikler - materiepartikler masseløse masse ~ 100*proton masseløse masse ~ 100*proton Si her: at det er nettopp Z henfall vi skal studere senere idag

Men ... Standardmodellen kan ikke være det endelige teorien Standardmodellen gir oss en veldig god forståelse for hvordan naturen er bygget opp Vi kan stort sett forklare hvordan universet henger sammen ved hjelp av en håndfull partikler og krefter Denne vil jeg kanskje endre litt på, kanskje kombinere med forrige slide? Men ... Standardmodellen kan ikke være det endelige teorien Den er fortsatt endel uløste mysterier

Uløste mysterier Hvorfor kan vi ikke inkludere gravitasjonskraften i partikkelfysikk teorien vår? Hvorfor er gravitasjonen så mye svakere enn alle de andre kreftene? Hvorfor finnes det mer enn en kraft, og hvorfor har de forskjellig styrke? Standard Modellen beskriver bare 4 % av universets bestanddel (!!!) Resten er mørk materie og mørk energi Hva er dette, og hvorfor har vi ikke observert det? Hvorfor eksisterer vi i det hele tatt når vi vet at partikler og antipartikler annihilerer, og at vi må anta at ved Big Bang var det like mye av begge deler? Vi observerer og måler at noen partikler har masse, og andre ikke Hvorfor er det slik? og enda flere spørsmål ……..

Vi må se utover Standardmodellen Standardmodellen er ikke feil, men den er ikke komplett Smarte fysikere har kommet opp med en rekke ideer på hvordan man kan komplimentere standardmodellen Men, for å kunne bekrefte nye teorier må vi utføre eksperimenter Dersom teorien forutsier en ny partikkel kan vi bygge eksperimenter som skal kunne observere disse nettopp som ATLAS ved LHC

Eksempel på nye teorier Vi introduserer: Z’ partikkelen Z-merket (på engelsk Z prime) er en hypotetisk partikkel Den dukker opp i en håndfull (ubekreftede) teorier som supplerer Standardmodellen Oppdages en Z’ kan det være bevis på at det finnes noe mer enn Standard modellen der ute i naturen Z´ har fått dette navnet fordi partikkelen ligner på Standardmodellens kjente Z boson, men er mye tyngre

Hva er Z´ god for? Dersom en partikkel som Z´ eksisterer er den et bevis på et helt ny type vekselvirkning mellom partikler, og dermed også en helt ny type kraft! Men da er verden ganske annerledes enn det vi til nå har trodd: Vi må da leve i en 10 dimensjonal verden hvor all materie er bygget opp av såkalte superstrenger Alle de 4 kreftene vi kjenner : gravitasjon, elektromagnetisme, og de svake og sterke kjernekrefter er forent i en eneste superkraft Ingen Z’ har så langt blitt funnet ved partikkel eksperimentene

Den siste biten i Standard modellen: Vi introduserer: Higgs partikkelen (H) Standardmodellens mekanisme for å gi masse til elementærpartikler innebærer at det er ett felt til i naturen: Higgs feltet For å kunne oppdage feltet trenger vi en partikkel: Higgs partikkelen (Higgs bosonet) Inntil nylig var ikke denne partikkelen oppdaget enda Men 4. juli 2012 annonserte de to store eksperimentene på CERN (CMS og ATLAS) at de hadde funnet en partikkel som lignet veldig! Massen:126 GeV Dersom dette er Higgs, er det beviset på at Higgs feltet eksisterer

Dersom vi leter etter nye partikler – hvordan vet vi at de er nye? Ganske enkelt prinsipp: Vi må kjenne egenskapene til partiklene vi allerede vet eksisterer Dersom vi observere en partikkel som ikke passer inn har vi oppdaget noe nytt! Hva er en partikkels egenskaper? Eksempler er: Masse Elektrisk ladning I dag skal dere lære hvordan dere finner ”vanlige” og velkjente partikler som Z og andre partikler som henfaller som Z (J/Psi og Upsilon) Jakten på Z´ helt identisk! Også Higgs kan vi finne med samme teknikk selv om den henfaller på en annen måte

Observasjon av elementærpartikler Av alle elementærpartiklene er det bare 3 som kan observeres direkte Elektronet Muonet Fotonet Resten er enten Så tunge at de henfaller med en gang og vi rekker ikke å observere de Eller kan ikke eksistere i naturen alene kvarkene – de eksisterer i naturen i form av hadroner, f.eks. protoner, nøytroner  Disse kan vi observere! Eller er usynlige for oss nøytrinoer

Hvordan finne partikler som henfaller? Dvs blir borte??? Proton-kollisjonene i LHC kan produsere veldig tunge partikler som f.eks. Z bosonet, et Higgs boson, eller helt nye hittil ukjente partikler LHC kalles ofte for et ”tidsmikroskop” fordi den bringer oss tilbake til tilstander som eksisterte rett etter Big Bang. Tunge partikler en utfordring : De henfaller gjerne umiddelbart (fordi de er tunge er de ustabile) Men ved å kjenne til reglene for henfall – altså hvilke partikler de henfaller til - kan vi gjette oss frem til hva som opprinnelige var der! Oppskriften: Standard Modellen (eller nye teorier) Detektoren registrerer henfallsproduktene – da har vi det vi trenger! Det er akkurat dette detektiv-arbeidet dere skal gjøre idag Eirik skal fortelle mye mer om den biten!

Dere skal idag bruke ekte data fra LHC og ATLAS og finne Standard Modell partikler – og kanskje noe mer?