1. No category

MasterClass ’14
Hiukkasfysiikan kokeet
Mikko Voutilainen
Helsingin yliopisto
osa kalvoista: Lauri A. Wendland
Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä
1 / 54
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
Koe ja teoria kohtaavat
Kokeet
Teoria
Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä
2 / 54
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
Suuret kiihdyttimet
Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä
3 / 54
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
Valtaisat ilmaisimet
Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä
4 / 54
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
2000 triljoonaa törmäystä
Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä
5 / 54
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
Satoja petatavuja dataa
Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä
6 / 54
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
“Uusi Apollo-ohjelma”
Ensimmäinen
kierros
10.9.2008
klo 10:28
Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä
7 / 54
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
Innostuneita tutkijoita
3.5+3.5 TeV fysiikka-ajon alku 30. maaliskuuta, 2010 klo 12:57
Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä
8 / 54
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
Tiedettä reaaliajassa
In science, we expect new discoveries to be
confirmed by independent experiment, then
accepted by scientific community after scrutiny
On July 4th, this all took place in a single seminar:
discovery by acclamation!
A new boson was found, with mass 125.7±0.5 GeV,
and with properties consistent with the SM Higgs
Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä
9 / 54
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
MasterClass ’14
Osa 3: kiihdyttimet
* Kiihdytys sähkökentällä
* Magneetit
* LHC/CERN: status ja tavoitteet
* Törmäykset: E=mc2
Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä
10 / 54
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
Kiihdytinkompleksi
• Maailman suurin kiihdytinkompleksi: LHC-kiihdytinrengas
27 km, neljä suurta koeasemaa, lukuisia esikiihdyttimiä
Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä
11 / 54
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
Esikiihdyttimet
• Kiihdytin toimii parhaiten tietyllä energia-alueella (LHC 0.45—7 TeV)
• Todella suureen energiaan pääsyyn tarvitaan ketju esikiihdyttimiä
• LINAC (LINear Accelerator):
50 MeV
• PSB (Proton Synchrothron
Booster, 1972): 1.4 GeV
• PS (Proton Synchrotron,
1959): 26 GeV
• SPS (Super Proton
Synchrotron, 1976): 450 GeV
• LHC (Large Hadron Collider,
2008, LEP 1989—2000): 7 TeV
Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä
12 / 54
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
Potentiaaliero: eV
• Hiukkaskiihdyttimet
perustuvat varauksen
kiihdyttämiseen sähkökentällä
• Yksinkertaisin kiihdytin on
kondensaattori
• Hiukkasfysiikan energian
yksikkö on 1 eV eli
elektronivoltti: elektronin
saama liike-energia sen
ylitettyä 1 V:n potentiaaliero
• Aiemmin esikiihdyttimenä
käytetyllä Cockcroft-Walton
generaattorilla eli
jännitteenkertaajalla päästään
miljooniin voltteihin
Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä
13 / 54
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
Liukuputki
• Läpilyönti rajoittaa levyn suurinta mahdollista jännitettä (vrt. salamat)
• Ratkaisuna käyttää pientä jännitettä ja vaihtaa putkien polariteettia
• Matalan energian
malleissa käytetään
liukuputkia (drift tube),
joiden välissä on
sähkökenttä. Putken
polariteetti vaihdetaan,
kun hiukkanen on
putken sisällä
Fermilab 200 MeV
linac drift tube
CERN SPS RF cavity
• Kiihdytys toimii, kun
hiukkaset kimpuissa
Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä
14 / 54
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
Radiotaajuusresonaattori
• Lähellä valonnopeutta tarvittava
kytkentänopeus on mikroaaltotaajuudella
• Kiihdytinputket vaihdetaan
radiotaajuusresonaattoreihin (RF)
• Resonaattoriontelossa on seisova
radioaalto, jonka sähkökenttä värähtelee
kiihdytyssuunnassa
Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä
15 / 54
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
Rengaskiihdytin
• Suuriin energioihin pääsy vaatii todella
pitkän kiihdytyksen
• Laitteiston pienentämiseksi hiukkaset
kierrätetään ympyrää ja yhtä kiihdytinjaksoa
käytetään uudelleen ja uudelleen
off-beam
collimator
kiihdytinjakso
beam
abort
beam halo
collimator
Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä
16 / 54
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
Hiukkanen magneettikentässä
• Varatun hiukkasen rata kaareutuu magneettikentässä:
• F=qvxB
• 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 = v2 / R ja p = mv:
• p = qRB eli suurempi liikemäärä vastaa suurempaa kaarevuussädettä
Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä
17 / 54
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
Radan kääntäminen
• Ensimmäiset “rengaskiihdyttimet”
käyttivät kestomagneetteja, jolloin
hiukkasten kiertorata laajenee
energian kasvaessa (syklotroni)
• Nykyisin käytössä sähkömagneetteja
(tavallisia tai suprajohtavia), joiden
virtaa voidaan muuttaa
• Hiukkanen ja sen antihiukkanen
kaartuvat magneettikentässä eri
suuntiin, joten ne voivat kulkea samaa
putkea vastakkaisiin suuntiin
• LHC:ssä molemmat suihkut
koostuvat protoneista, joten
magneetteja tarvitaan kaksi
Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä
18 / 54
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
Vahva fokusointi
• Hiukkassuihkussa on
pienessä tilassa suuri määrä
saman varauksen omaavia
hiukkasia, jotka pyrkivät
erilleen
kvadrupolimagneetti
• Suihkun fokusointi tapahtuu
kahdella poikittaisella
kvadrupolimagneetilla, jotka
taivuttavat harhautuneita
hiukkasia kohti tyhjiöputken
keskipistettä
• Tyypillisessä kiihdyttimessä
on nk. FODO-ketju, jossa F
fokusoi pystysuunnassa, D
vaakasuunnassa ja O:t
kääntävät rataa
Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä
“testivarauksia”
19 / 54
dipolimagneetti
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
LHC-kompleksi (video)
CERN-MOVIE-2013-121-001.mov
3:30
Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä
20 / 54
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
Törmäys: E=mc2
• Törmäyksessä liike-energiaa muuttuu uusien hiukkasten massaksi Einsteinin kaavan E=mc2 mukaisesti
•
Liikemäärä ja kokonaisenergia säilyvät törmäyksessä:
• Kiinteällä kohtiolla vain √Esuihku on käytettävissä uusien hiukkasten massaaan
• Protoni-protonitörmäyksessä koko 2Esuihku on käytettävissä uusien hiukkasten massaan
kiinteä kohtio
Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä
törmäytin
21 / 54
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
Suhteellisuusteoria
• Törmäyksissä syntyvät hiukkaset relativistisia eli suhteellisuusteorian mukaan E2 = m02c4 + p2c2:
• Nopeus v lähes valonnopeus c: v~c
• Energia E ja liikemäärä p paljon suurempia kuin lepomassa m0: E>>m0c2, p~E/c
• Käytännössä hiukkasfyysikot asettavat c=1 ja käyttävät energiasta (GeV), liikemäärästä (GeV/c) ja
massoista (GeV/c2) samaa energiayksikköä GeV (vastaa noin protonin massaenergiaa)
Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä
22 / 54
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
Materia vs antimateria
• Kaikissa tunnetuissa reaktioissa syntyy lähes täysin sama määrä ainetta ja antiainetta:
• varatut hiukkaset syntyvät vastapareittain
• leptoniluku säilyy (e, μ, τ, νe, νμ, ντ)
• baryoniluku (kolmen kvarkit hiukkaset kuten protoni ja neutroni) säilyy
• Kun hiukkanen ja antihiukkanen kohtaavat, syntyy puhdasta energiaa
Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä
23 / 54
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
MasterClass ’14
Osa 4: ilmaisimet
* Ilmaisinten perustyypit
* Koeaseman rakenne
* Varatut hiukkaset magneettikentässä
* Energian mittaus ja muunnos signaaliksi
* Hiukkasten tunnistaminen
Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä
24 / 54
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
Pari koeasemaa
D0-koe, Fermilab
Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä
CMS-koe, CERN
25 / 54
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
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: 38
Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä
26 / 54
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
Biimiputki - hiukkasten moottoritie
• Protonikimput kulkevat koelaitteiston läpi ohuessa
(n. 300 μm Be) biimiputkessa
–Protonit kulkevat siis tyhjiössä
–Törmäystuotteet lentävät yleensä vaivatta putken läpi
• Putkessa vastakkaisiin suuntiin
liikkuvat protonikimput
kulkevat toistensa läpi
n. 20 μm x 20 μm x 10 cm
kokoisella alueella
keskellä koeasemaa
20µm
lue
a
s
y
ä
törm
1 0 cm
Asennettu biimiputki
Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä
27 / 54
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
Jälki-ilmaisin - varattujen hiukkasten radat
• Sisin osa jälki-ilmaisimesta: piipikseli-ilmaisimia
–70 milj. piipikseliä, joiden koko 100 μm x 150 μm
–Toimintaperiaate: varatut hiukkaset tuottavat
piissä elektroniaukkopareja
–Vähintään kolme mittauspistettä kullekin radalle
–Mahdollistaa epästabiilien hiukkasten
hajoamispaikan rekonstruoimisen (lentomatka
tyypillisesti satoja μm)
Kaaviokuva piipikseli-ilmaisimesta
Puolikas piipikselimoduuli
Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä
Rekonstruoitu neutraalin epästabiilin hiukkasen
(D0) hajoamispiste
28 / 54
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
Ulompi jälki-ilmaisin
• Ulompi osa jälki-ilmaisimesta: piinauhailmaisimia
–N. miljoona piinauhaa; n. 200 m2 piitä
–Varatut hiukkaset tuottavat piissä elektroni-aukkopareja
–Mittaa varattujen hiukkasten jälkiä n. 10 µm
tarkkuudella; antaa n. 10 mittauspistettä kullekin radalle
aa
h
u
a
n
8 n välei
6
7
/
m
512 40 µ
1
80/
12
cm
Rekonstruoituja jälkiä kosmisista
myoneista
Piinauhailmaisin jälki-ilmaisin ilman piipikseleitä
Asennettu
Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä
29 / 54
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
Fysiikkaa: ionisaatio
•
Jälki-ilmaisinten toiminta perustuu
ionisaatioon:
•
varattu hiukkanen irrottaa atomien
elektroneja
•
sähkökenttä tai puolijohdediodi
kerää varauksen
•
Nykyaikainen jälki-ilmaisin toimii kuin
digikameran kenno: tarkka paikannus
•
Vanhoissa kupla- ja pilvikammioissa
syntynyt varaus toimi kiehumis- tai
tiivistymiskeskuksena, joista otettiin
valokuva
•
Hiukkasen radan kaarevuussäde
kertoo hiukkasen liikemäärän
(p=qRB) ja varauksen merkin
•
Ionisaatiota hyödynnetään myös
kalorimetreissä, joissa syntynyt
varaus lasketaan yhteen
Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä
30 / 54
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
SM kalorimetri - elektronit ja fotonit
• N. 80.000 PbWO4 –kristallia
• Pysäyttää elektronit(/positronit) sekä fotonit
–Perustuu sähkömagneettiseen vuorovaikutukseen
–Valon määrä kristallissa vastaa hiukkasen energiaa
Yksittäisiä
PbWO
4-kristalleja
Valmiiksi
asennettu
kalorimetri
Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä
400:n PbWO4-kristallin moduuli
31 / 54
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
Fysiikkaa: tuikevalo
• Tuikevalo on kuin epätäydellinen ionisaatio:
• elektroni virittyy, mutta ei irtoa
• virityksen purkaantuminen vapauttaa
fotonin
• valon kokonaismäärä verrannollinen
hiukkasen energiaan
Lyijyvolframaattikristalli, CMS, CERN
• Valo johdetaan valonmonistimiin, jotka
muuttavat signaalin sähköiseksi
Kamland, Japani:
valonmonistimia
nestetuikeainetankissa
Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä
Tuikemuovia,
CDF, Fermilab
32 / 54
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
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
Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä
Kierrätettyä messinkiä Venäjän laivastolta
33 / 54
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
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 CERNissä
34 / 54
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
Kalorimetrejä
• Näytteistävässä kalorimetrissa
absorboiva materiaali (usein
metallilevy) tuottaa ryöpyn
sekundäärihiukkasia, jotka
aktiivinen materiaali mittaa
• Absorbaattori ja aktiivinen aine
vuorottelevat => näytteistys:
• E = c1*E1 + c2*E2 + c3*E3...
• Levyjen välissä kuuro esim.
ionisoi neste-argonia tai tuottaa
valoa tuikemuovissa
• Aktiivinen kalorimetri sekä
absorboi että aktivoituu
• esim. lyijyvolframaattikristallit
Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä
35 / 54
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
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
Al alloy
Insert Pure Al
EB welds
Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä
Mallikappale käämityksestä
36 / 54
Asennettu magneetti
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
Myoni-ilmaisimet
• Kolme eri ilmaisinteknologiaa
–perustuu myonin aiheuttamaan ionisaatioon
–n. miljoona mittauskanavaa
–n. 25000 m2 mittauspinta-alaa
• Mahdollistaa myoneiden tunnistamisen sekä niitä
sisältävien törmäysten nopean valinnan
Mittauspisteitä kosmisesta myonista
Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä
37 / 54
Asennettuja ilmaisimia
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
Hiukkasten tunnistaminen
• Törmäystapahtuman
selvittäminen on kuin
palapeli
neutriinot
• Yhdistetään erilaisten
ilmaisintyyppien informaatio:
–Jälki-ilmaisin (varattujen
hiukkasten jäljet)
–Kalorimetri (energia)
neutraalit
–Tiettyjä hiukkasia
hadronit
mittaavat ilmaisimet
–Asetetaan ilmaisimet
varatut
hadronit
magneettikentän sisään
fotonit
elektronit/
positronit
myonit
Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä
38 / 54
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
Hiukkasten tunnistaminen
Hiukkaset vuorovaikuttavat
aineen kanssa eri tavoin
Elektroni ja fotoni tuottavat
sähkömagneettisen ryöpyn
Raskaat muonit tunkeutuvat
aineen läpi tehokkaasti
Varatut hiukkaset ionisoivat,
joten niiden radat havaitaan
Hadronit tuottavat pitkän
hadronisen ryöpyn
Neutronit havaitaan
epäsuorasti liike-määrän
säilymisen kautta: tiiviys!
http://cms.web.cern.ch/news/detector-overview
Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä
39 / 54
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
Liipaisu ja tiedonkeruu
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
• 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)
~250 Hz (=250 MB/s)
Valittujen törmäystapahtumien tallennus
Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä
40 / 54
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
Törmäys (video)
CERN-MOVIE-2012-096.avi
0:30
Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä
41 / 54
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
MasterClass ’14
Osa 5: data-analyysi
* Signaali ja tausta
* Menetelmät: lukumäärät, massapiikit
* Tilastotiede ja virhearviot
Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä
42 / 54
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
Signaali ja tausta
• Tavoite: löytää Higgsin bosoni
• Higgsin bosoni hajoaa toisinaan W-bosoniin, H->W+W• Tämä on etsimämme signaali
• W+W- pareja syntyy protoni-protonitörmäyksissä myös ilman Higgsin bosonia
• Tämä on taustaa etsinnöillemme
• Lukumäärät
Events / 10 GeV
• Kuinka erottaa nämä toisistaan?
4.9 fb-1 (7 TeV) + 19.4 fb-1 (8 TeV)
CMS
1000
data
top
H → WW
DY+jets
W+jets
WW
mH = 125 GeV
eµ 0-jet
WZ+ZZ+VVV
• Massapiikit
500
• Kinemaattiset leikkaukset
• Tilastotiede!
0
0
100
200
300
ml l [GeV]
Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä
43 / 54
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
Lukumäärät
•
Teoria ennustaa, kuinka usein Higgsin bosoneita syntyy: 4200
•
Teoria ennustaa, kuinka usein Higgsin bosoni hajoaa W+W-: 10%
•
Teoria ennustaa, kuinka usein W+W- syntyy ilman Higgsin bosonia: 5000
•
Kokeessa havaitsemme 5306 W+W- paria. Löytyikö Higgs?
•
Tilastotiede kertoo, kuinka todennäköistä on
•
a) Saada vähintään 5306 W+W- paria ilman Higgsiä: P(NB>5306; μ=5000, σ=71) = 4.3σ
•
•
On siis noin 1:120.000 todennäköisyys, että vähintään noin monta W+W- paria syntyi sattumalta taustasta
b) Saada korkeintaan 5306 W+W- paria Higgsin kanssa: P(NS+B<5306; μ=5420, σ=74) = 1.5σ
•
•
P(N > z σ)= (1 - erf(z/√2)) / 2
On siis noin 1:15 todennäköisyys, että W+W- lukumäärä jäi näin pieneksi, vaikka Higgs onkin olemassa
c) Mikäli molemmat otaksumat alunperin yhtä todennäköisiä, Higgs löytyi 1:8000 todennäköisyydellä
Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä
44 / 54
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
Massapiikit
• Signaalin ja taustan erottamista helpottaa, jos signaali on kapeassa massapiikissä
• Hiukkasten yhteenlaskettu energia massakeskipistekoordinaatistossa
• MKP on hajonneen hiukkasen lepokoordinaatisto, jolloin E = mc2
• käytännössä massa lasketaan suoraan neliliikemäärien summasta
• Kvanttimekaniikassa massa ei ole tarkka, vaan se vaihtelee sitä enemmän, mitä lyhytikäisempi hitu
Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä
45 / 54
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
Kaksi fotonia (γγ)
"Fotoniparin massa"
Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä
46 / 54
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
Neljä leptonia (ZZ)
"Leptonikvartetin massa"
Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä
47 / 54
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
Massaa lainaamassa
• a) Kuinka Higgsin bosoni voi hajota kahteen W tai Z
bosoniin, vaikka sen massa on alle puolet näiden
massoista?
• mH = 125 GeV, mZ = 91.2 GeV, mW = 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 CERNissä
48 / 54
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
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 CERNissä
49 / 54
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
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 CERNissä
50 / 54
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
MasterClass ’14
Osa 5: tutkimuksen organisointi
* Kansainvälinen yhteistyö
Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä
51 / 54
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
Globaali yhteistyö
• CERNin tutkimuksessa mukana olevat maat
kattavat lähes koko kehittyneen maailman
Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä
52 / 54
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
Datankäsittely
• Myös CERNin data 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 CERNissä
53 / 54
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
Globaali datankäsittely
http://cds.cern.ch/record/1541893
Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä
54 / 54
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
Varakalvot
Varakalvot
Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä
55 / 54
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
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
Raskasionifysiikkaa
PS-törm
äytin
ATLAS
+LHCf
ALICE
Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä
56 / 54
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
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 CERNissä
57 / 54
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
Pienet kohteet - isot laitteet
CERN, Building 40
ATLAS
CMS
Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä
58 / 54
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
Esimerkki: top-kvarkkipari
g
g
g
t
b
b
t
W-
Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä
59 / 54
e+
W+
νe
q
q
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
Nobel 2013: Higgs (+Englert)
Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä
60 / 54
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
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 CERNissä
61 / 54
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014
Kohti tulevaa
• LHC:ltä on lupa
odottaa lisää
mielenkiintoisia tuloksia
• Mm. pimeän aineen
etsinnät jatkuvat
• Vakuumin
metastabiilisuus
yllätävä tulos
Hiukkasfysiikan kokeet CERNissä
62 / 54
Mikko Voutilainen, HY, 7.4.2014