a higgs-bozon felfedezése: a nagyenergiás ﬁzika

A Higgs-bozon felfedezése: anagyenergiás fizika negyvenéves

kalandjaTIT József Attila Szabadegyetem, Budapest,

2014.12.17.

Horváth [email protected]

MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont, Részecske- és Magfizikai Intézet, Budapest

és MTA Atommagkutató Intézet, Debrecen

Horváth Dezso: A Higgs-bozon felfedezése TIT, 2014.12.17. – p. 1/40

Vázlat

Kvantumfizika

Részecskék és kölcsönhatások

A standard modell diadala és problémái

Elveszett szimmetriák keresése

A CERN és gyorsítói

A nagy hadron-ütközteto(Large Hadron Collider, LHC)

A Compact Muon Solenoid (CMS) kísérlet

A Higgs-bozon felfedezése

A részecskefizika haszna


Eloszó

A (részecske)fizika egzakt tudomány:

A fizika univerzális nyelve a matematika, pontosmatematikai formalizmuson alapszik.

Egy elmélet érvényes, ha kiszámítható, és eredményeegyezik a kísérlettel.

Az igazi fogalmak mérheto mennyiségek, a szavakcsak mankók.

Szavak mögött pontos matematika és kísérleti tapasztalat

Alapkérdés: milyen pontossággal adja vissza az elméletiszámítás a mérések eredményét?

Számítás nélkül nincs fizika, csak spekuláció....de a fizika kísérleti tudomány!


Kvantumfizika: valószínuségi leírás

Einstein: Isten nem dob kockát! De mégis...

Minden kísérleti tény igazolja, pedig nem szemléletes

Egyetlen pontszeru elektron egy fésu minden résénegyszerre átmegy

A csillagból jövo fénysugár gömbfelületen terjed, mégisegészében a távcsoben végzi.

Az atomi elektron gömbfelületi pályáján nemmozoghat, mert sugározna, csak egyszerre mindenpontjában ott van bizonyos valószínuséggel.

Nem tudjuk, egyetlen bomlékony részecske mikor fogelbomlani, csak azt, hogy adott idon belül mekkoravalószínuséggel bomlik.

A matematika minden adatot szépen visszaad!


Kvantumtérelmélet

A kvantummechanika leírja a részecskék mozgását, de abomlását, ütközés közbeni átalakulását nem kezeli

Egy részecskébol nem lehet másik részecske

Térelmélet: részecskék helyett eroterek hullámcsomagjaimozognak

Kölcsönhatás: energiát, lendületet (impulzust), töltést, stb.cserélnek

Ezt közvetíto részecskék (bozonok) viszik át


LHC = idogép??

Kezdet: osrobbanás 13,7 milliárd éveHogyan mehetünk vissza idoben, az Osrobbanás

közelébe?

Távcso: 4 milliárd év a Nagy Bumm után (Európai DéliObszervatórium, Chile, Very Large Telescope)

Mikrohullámú kozmikus háttérsugárzás: Párszázezerév (amikor az Univerzum átlátszó lett).

Nagyenergiájú részecskeütközés: Milliomodmásodperc (mielott az atomok kialakultak volna)

Ükanyánkkal nem találkozunk...


A mikrovilág vizsgálata: nagy energia

1 eV = kinetikus energia, amelyet 1 V

átszelésekor szerez egy elektron

1 keV = 103 eV

1 MeV = 106 eV;

1 GeV = 109 eV

1 TeV = 1012 eV

Tárgy méret, m energia

kicsi 10−3

baktérium 10−5

λ(fény) 10−7 1 eV

atom 10−10 1 keV

atommag 10−14 1 GeV

elektron 10−18 1 TeV

Nagyobb energia ⇒ kisebb távolság ⇒ mélyebb szerkezet


Otthon is van (volt ,) gyorsítónk


Fermionok és bozonokLegfontosabb tulajdonság: spin (perdület) =

saját impulzusmomentum h = h/(2π) egységbenPlanck-állandó (hatáskvantum): h = 6,626 ·10−34 Js

Tulajdonság fermion bozonSpin feles (1

2, 3

2. . .) egész (0, 1, 2, . . .)

Részecskeszámmegmaradása van nincs

ψ(1,2) =±ψ(2,1) − +Pauli-kizárás van nincs

Kondenzációnincs van


Spontán szimmetriasértés ⇒ tömeg

Szabadfermion

Higgs-bozon

David J. Miller és CERN: http://www.hep.ucl.ac.uk/∼djm/higgsa.html


A standard modell állatkertje

A Higgs-részecskén kívül mind régen megvolt!


A Fizikai Szemle melléklete (2008 aug.)


A CERN 22 tagországa

Izrael2014

Románia2015

Szerbiafelvéve

Ciprus, Ukrajna, Töröko., Pakisztántagjelöltek

Brazília, Szlovénia, Oroszo.jelentkeztek, tárgyalnak


A CERN és környéke


A CERN kutatói (felhasználói)

2800 alkalmazott + 10500 kutató + 440 diák(Olasz > német > orosz > amerikai > francia)


A CERN gyorsítói: múlt és jelenLEP: 1989–2000 LHC: 2009–2025?


Higgs-keresés az LHC-nál: megvan!


Az LHC eltéríto-mágnesei

1232 szupravezeto mágnes (beszerelés elott)(L = 15 m, M = 35 t, T = 1.9 K, B = 8.3 T)


Az LHC eltéríto-mágnese: keresztmetszet


Az LHC mágnesei összeszerelve


Az LHC CMS–detektora

Compact Muon Solenoid: 14000 tonnás digitális kamera100 M pixel, 20 M kép/mp, 1000 GB/mp adat

Tárolás: 100 . . .400 kép/mp ⇒ szurés!!Horváth Dezso: A Higgs-bozon felfedezése TIT, 2014.12.17. – p. 21/40

A CMS-együttmuködés, 2012

41 ország 179 intézménye

3275 fizikus (közülük 1535 diák)

790 mérnök és technikus

Résztvevok intézmény országa szerint:USA: 1149, Olaszo.: 439, Németo.: 298, Oroszo.: 234

Útlevél szerint:USA: 707, olasz: 554, német: 315, orosz: 305

Magyar intézménybol: 40, magyar útlevéllel: 44


Munka 160 müonkamrán

Béni Noémi és Szillási Zoltán (Debrecen)Horváth Dezso: A Higgs-bozon felfedezése TIT, 2014.12.17. – p. 23/40

HF: kvarcszálak acélban

Minden CERN-es magyar fuzte Szálkalibráció kész darabon


A CMS mágnese


Worldwide LHC Computing GridA CMS-kísérlet fo WLCG-állomásai

Magyar Tier-2: BUDAPEST (RMKI)

(550 CPU, 260 TB tároló a CMS és ALICE VO számára)

ATOMKI Tier-3: átadva 2012 nov.

2013: LHC Tier-0 egy része Wigner FK-ba települt!Horváth Dezso: A Higgs-bozon felfedezése TIT, 2014.12.17. – p. 26/40

Viccek a Higgs-bozonról, elotte

A bárba besétál egy Higgs-bozon.Azt mondja neki a csapos: Vigyázzon, magát sokankeresik!

A bárba besétál egy Higgs-bozon. A csapos nemérti...

Szeretnék végre látni egy jó Higgs-bozonos viccet.Biztosan létezik, de évekbe telhet, amíg rátalálunk

A templomba besétál egy Higgs-bozon. Azt mondjaneki a pap: Magát nem szívesen látjuk itt.. Mire o:Pedig nélkülem itt soha nem lesz tömeg!Angolul: But without me how can you have mass?(Mass: súlyos tömeg, embertömeg, mise)

A tárgyak tömege NEM a BEH-mechanizmustól van,csaknem tiszta energia!


Az LHC vezérloterme, 2008.09.10


CMS-esemény: H → γγ jelölt


2012 július 4: valami van!

ATLAS és CMS, 7 és 8 TeV ütközési energián, H → γγ ésH → ZZ → ℓ+ℓ−ℓ+ℓ− csatornában, m ≈ 126 GeV tömegnél

statisztikusan jelentosen (a kísérleti bizonytalanságötszörösével kiemelkedve a háttérbol) lát egy új H

részecskét a SM Higgs-bozonjának megfelelotulajdonságokkal.

François Englert és Peter Higgs elso találkozásaHorváth Dezso: A Higgs-bozon felfedezése TIT, 2014.12.17. – p. 30/40

CMS: H → ZZ∗→ ℓ+ℓ−ℓ+ℓ−

CMS : H→ ZZ∗→ ℓ+ℓ−ℓ+ℓ− animated


CMS_HZZ4l_animated.gif

Hogyan jutottunk idáig?

CMS szándéknyilatkozat: 1992 (475 szerzo)

Technikai tervek (8 többszázoldalas mu): 1995–2005

Detektor jórészt felépítve a felszínen: 2000-2006

Leeresztés darabokban, összerakás, befejezés:2006-2008

LHC elindul: 2008 (katasztrófa, javítás), majd 2009.

2010 → 2011: 7 TeV energia, 140-szeresadatmennyiség!

2011 → 2012: 7 → 8 TeV, ötszörös adatmennyiség!

2012: A Higgs-bozon felfedezése.


CMS-vezérlo, 2012 május 2, 15h 45p

http://cms.web.cern.ch/content/cms-control-room-webcams

DCS-koordinátor: Szillási Zoltán, ATOMKI; DQM-felügyelo: HDÜgyelet: Spanyol, holland, orosz, kínai, francia, magyar


http://cms.web.cern.ch/content/cms-control-room-webcams

Fizikai Nobel-díj, 2013A fizikai Nobel-díjat François Englert and Peter W. Higgskapta „azon mechanizmus elméleti felfedezéséért, amely

hozzájárul ahhoz, hogy megértsük a szubatomi részecskéktömegének eredetét, és amelyet mostanában megerosített

a megjósolt alapveto részecske felfedezésével a CERNNagy hadron-ütköztetojénél az ATLAS és CMS kísérlet”.

Rolf-Dieter Heuer, a CERN foigazgatója, bejelenti aNobel-díjat az ATLAS és CMS közös irodaépületében.


Viccek a Higgs-bozonról, utánaA bárba besétál egy Higgs-bozon. Csapos: Mi van? mire o: Én!!

A Higgs-bozon felfedezése rossz viccek osrobbanásához vezetett.

A Higgs-bozon felfedezését a fizikusok tömegesen ünnepelték.

A Higgs-mezo szabályozása valóban lehetové tenné a tömegpusztító

fegyvereket.

Nem tudom, mi a csuda az, de klassz, hogy felfedezték!

Gondosan ellenorizni kell. A múltkor is azt hittem, Higgs-bozont

találtam az ágyam alatt, de csak egy üveggolyó volt.

Összeveszett a top-kvark a Higgs-bozonnal. A kvark elrohant, mert a

bozon csak a súlyát emlegette, semmi mást nem mondott magáról.

Jó, hogy megvagy, Isten-részecske. Én csak egy átlagember vagyok,

aki nem ért téged.


Részecskefizikai módszerek haszna

Világháló: CERN, 1989 ⇒ nagyvilág: 1994–

Müonspin-rezonancia módszere (kémia,szilárdtestfizika)

Pozitronemissziós tomográfia az orvosidiagnosztikában

Gyorsítók fele (cca. 7000!) gyógyászatban:hadronterápia

Grid-hálózatok a számítástechnikában


Éljen a kísérleti részecskefizika!Alapkutatás, közvetlen gyakorlati haszna nem várható.

De élesíti az elmét, pedagógiai haszna óriási:

Technika élvonala, gyári szervezettség

Kreatív gondolkodásra serkent

Az órási méretek miatt komoly technikai fejlesztéseketindukál: 100000 egyforma muszerre tender!

Óriási apparátus ⇔ munka kis csoportokban

Élenjáró programozástechnikai gyakorlat: bankokeloszeretettel alkalmaznak részecskefizikai doktorátustszerzett fizikusokat (rossz nyelvek szerint ennekköszönheto a jelenlegi világválság)

Rengeteget dolgozunk, érdekes dolgokat csinálunk, világotlátunk (és van, aki haza is jön idovel...)

Meg van, aki Nobel-díjat kapHorváth Dezso: A Higgs-bozon felfedezése TIT, 2014.12.17. – p. 37/40

Konklúzió helyett

"Van egy elmélet, miszerint, ha egyszer kiderülne, hogy miis valójában az Univerzum, és mit keres itt egyáltalán, akkorazon nyomban megszunne létezni, és valami más, mégbizarrabb, még megmagyarázhatatlanabb dolog foglalná ela helyét"

"Van egy másik elmélet, amely szerint ez már be iskövetkezett"

Douglas Adams: Vendéglo a világ végén (Nagy Sándor fordítása)


Köszönöm a figyelmet


Köszönetnyilvánítás

Néhai Nemzeti Kutatási és Technológiai Hivatal

Magyar Tudományos Akadémia

OTKA K-103917 and K-109703

Megérto és segítokész együttmuködo partnereink


a higgs-bozon felfedezése: a nagyenergiás ﬁzika

Documents