Tag Archives: LHC

elementarne čestice, fenomeni u fizici, Fizika elementarnih čestica, Moderna fizika, Najnovija istraživanja i otkrića, Sva Fizika

Kako otkriće “Božje čestice” može značiti kraj fizike čestica – Sabine Hossenfelder

Leave a comment

Veliki hadronski sudarač (LHC) nedavno je završio svoj drugi eksperiment. On sada prolazi kroz planiranu nadogradnju na nešto višu energiju, na kojoj će se prikupljati više podataka. Osim Higgsovog bozona, LHC nije pronašao nikakvu novu elementarnu česticu.

Moguće je da se u podacima koji se tek pojavljuju pojavljuje neka nova čestica. Ali fizičari čestica su nervozni. Ne izgleda dobro – osim nekoliko anomalija koje nisu statistički značajne, nema dokaza za bilo šta izvan normalnog. A ako LHC ne nađe ništa novo, nema razloga za razmišljanje o sljedećem većem sudaraču U tom slučaju, zašto izgraditi još jedan?



Ako LHC pronađe Higs i ništa drugo, nazvali su ga “scenarij noćne more” sa razlogom. Već 30 godina, fizičari čestica su nam rekli da LHC treba da pronađe nešto osim toga, nešto uzbudljivo: česticu za tamnu materiju, dodatne dimenzije prostora, ili možda novi tip simetrije. Nešto što bi dokazalo da standardni model nije sve što postoji. Ali to se nije dogodilo.

Sva ta predviđanja za novu fiziku bila su zasnovana na argumentima prirodnosti. Argumenti prirodnosti nisu matematički zdravi i ne treba im vjerovati.

Fizičari koji imaju problema sa fizičkim problemima sada imaju u vidu da je prirodnost bila jedini razlog da se misli na novu fiziku na LHC-u. Zato postaju nervozni. Bez prirodnosti, ne postoji argument za novu fiziku na energijama koje su čak i veće od LHC-a. (Ne do 15 redova veće, što je onda kada bi kvantna struktura prostor-vremena trebala postati primjetna. Ali energije tako velike će ostati nedostupne u doglednoj budućnosti.)



Kako su fizičari čestica reagovali na situaciju? Uglavnom se pretvarajući da se ništa nije dogodilo.

Jedna polovina se i dalje nada da će se na kraju nešto pojaviti u podacima. Možda je prirodnost samo komplikovanija nego što smo mislili. Druga polovina prefinjeno izrađuje argumente zašto bi sljedeći veći kolajder trebao vidjeti nove čestice.

Nekolicina nije primjetila da su prošli kraj ivice litice. Nedavni izvještaj o fizičkom stanju izvan standardnog modela na LHC-u, još uvijek ponavlja da je „prirodnost glavna motivacija za očekivanje nove fizike“.

Bez obzira na njihovu strategiju suočavanja, mnogi fizičari čestica vjerojatno sada žele da nikada nisu napravili ta predviđanja.

Izvor:
https://backreaction.blogspot.com/2018/12/how-lhc-may-spell-end-of-particle.html?m=1

Eksperimentalna fizika, Fizika elementarnih čestica, String teorija

Postoji li način da odvojimo kvarkove od njihovih čestica? Ako da, zar ih ne možemo sudariti u LHC – u da bi provjerili da li je string teorija ispravna ili ne?

Leave a comment





Ne, ne možemo odvojiti kvarkove. Oni imaju zanimljivu osobinu da ako primjenite dovoljno energije na njih da ih odvojite primjeniti ćete dovoljno energije da ih spojite s drugim kvarkovima. Ono što dobijete jest da mijenjate čestice, ali nema slobodnih kvarkova. Čini se da je nemoguće dobiti kvark odvojeno od drugih kvarkova. Čak kad bi i mogli, testiranje string teorije ne bi bilo toliko lahko. Trebali bi imati predviđanje prema kojem string teorija predviđa nešto drugačije od drugih teorija, morali bi znati šta tražite. Takvu razliku bi teško bilo naći jer je najvjerojatnije nema na nivou kvarkova.

Eksperimentalna fizika, Eksperimentalne metode fizike, Fizika elementarnih čestica, Moderna fizika, Najnovija istraživanja i otkrića

Šta je to veliki hadronski sudarivač čestica?

Leave a comment

Veliki hadronski sudarivač ili supersudarivač (engl. Large Hadron Collider, LHC) je najveći svjetski akcelerator čestica. Očekuje se da će se njime razriješiti temeljna pitanja fizike, te unaprijediti ljudsko znanje o zakonima prirode.
LHC se nalazi u kružnom tunelu dugačkome 27 km koji se nalazi 175 metara ispod francusko-švicarske granice u blizini Ženeve, Švicarska. Akcelerator je namijenjen za sudaranje usmjerenih čestica protona pri energiji od 7 elektronvolta (1,2 mikrodžula) po čestici ili jezgri olova pri energiji od 574 TeV(92 μJ) po jezgri. Termin hadron se odnosi na čestice sastavljene od više kvark čestica.
LHC je izgradio CERN s namjerom testiranja različitih predviđanja fizike elmentarnih čestica uključujući teorijsko postojanje Higgsova bozona. Osnovan je i izgrađen u suradnji s više od 10 000 znanstvenika i inženjera iz preko 100 država kao i sa stotinama instituta i laboratorija.
Dne 10. rujna 2008., prva zraka protona uspješno je prošla čitavim glavnim prstenom, ali devet dana poslije sve je zaustavljeno zbog ozbiljnog kvara. Dana 20. studenog 2009. nova zraka protona je uspješno prošla kroz sudarivač te je tri dana kasnije zabilježen sudar protona pri energiji od 450 GeV po zraci. Nakon gašenja u zimi 2009., ponovno je pokrenut te su zrake puštene pri energiji od 3,5 TeV. Dne 30. ožujka 2010., dogodio se prvi planirani sudar dviju zraka protona od kojih je svaka bila energije 3,5 TeV. Tada je postignut svjetski rekord ljudski napravljenog sudara čestica najveće energije.

Svrha
Fizičari se nadaju da će LHC pomoći u rješavanju većine temeljnih pitanja fizike: pitanja u vezi osnovnih zakona međudjelovanja i sila između elemantarnih tijela, strukture vremena i prostora, posebice u vezi križanja kvantne mehanike i opće relativnosti gdje su trenutačne teorije i potpuno znanje nerazumljive i neslagajuće. Ova pitanja uključuju barem:
Je li Higgsov mehanizam za stvaranje masa elemantarnih čestica električki slabim slomom simetrije zbilja ostvaren u prirodi? Očekuje se da će sudarivač dokazati ili isključiti postojanje Higgsova bozona, te tako dopuniti ili u potpunosti oboriti Standardni model.
Je li supersimetrija produžetak standardnog modela i Poincaréove simetrije, ostvarena u prirodi te time pokazuje da sve poznate čestice imaju simetričnog superpartnera?
Postoje li dodatne dimenzije kako predviđaju različiti modeli nadahnuti teorijom struna, i možemo li ih očitati?
Koje su svojstva tamne tvari koja čini 23% Svemira?

Način rada
LHC će omogućiti proton – proton sudare na energiji centra mase 14 TeV. Protoni nisu elementarne čestice, pa će energija sudara njihovih sastavnih dijelova (kvarkova i gluona) biti nešto manja, ali još uvijek u području TeV-a, što je za red veličine više nego za CERN-ov Large Electron Positron (LEP) ili Fermilabov Tevatron sudarivač. Nuklearni udarni presjeci na LHC za zanimljive procese su najmanje 10 puta veći nego na Tevatronu. Predviđeni udarni presjeci za produkciju Higgsovog bozona su, međutim, i dalje nekoliko redova veličina manji nego za pozadinske procese, što traženje ovog bozona čini vrlo izazovnim.
Na LHC-u će se također sudarati i teški ioni (olova), s energijom u centru mase većom od 1,150 TeV, što je 30 puta veća energija nego trenutno na RHIC-u (engl. Relativistic Heavy Ion Collider), u Brookhaven National Labaratory u SAD-u. LHC će biti vrelo zanimljive fizike zbog visoke energije koju će dosegnuti, a koja je na mogućim granicama valjanosti Standardnog modela. Primarni cilj je traženje mehanizma odgovornog za lomljenje simetrije u elektroslabom području. Druga zanimljiva pitanja su potraga za supersimetričnim česticama, testovi Standardnog modela, CP narušenje i potraga za kvark-gluon plazmom.
LHC je izgrađen u 26,7 km dugom tunelu koji se prethodno koristio za LEP eksperiment. Protoni će se ubrzavati u nekoliko koraka korištenjem CERN-ovog kompleksa ubrzivača. Kako bi se moglo ubrzavati čestice u sinkrotronskom akceleratoru do vrlo visokih energija, poput onih na LHC-u, potrebni su vrlo jaki magneti i složeni sustav ubrzavanja. LHC koristi najnaprednije supravodljive magnete i ubrzivačke tehnike.
Dva važna parametra, koji određuju eksperimentalne uvjete u točkama sudara gdje su smješteni detektori, su visoki luminozitet i kratko vrijeme između sudara paketa. U početnom razdoblju, LHC će raditi luminozitetom 1033 cm−2s−1, a kasnije nazivnim luminozitetom od 1034 cm−2s−1. Tijekom jedne kalendarske godine, prosječno vrijeme rada LHC-a na visokom luminozitetu procjenjeno je na oko 100 dana (107 s).
Nuklearni udarni presjek za neelastične proton – proton sudare na LHC je σneel = 60 mb, dok se za totalni udarni presjek očekuje σtot = 100 mb. To znači da će biti oko 20 proton – proton sudara po sudaru paketa, što će rezultirati velikom množinom tragova nabijenih i neutralnih čestica. Spomenuta činjenica, zajedno s kratkim intervalom između sudara od 25 ns postavlja sljedeće kriterije na konstrukciju eksperimenata:
finu zrnatost kako bi se razlučilo veliko mnoštvo čestica,
brzi odgovor detektora kako bi se izbjeglo nagomilavanje signala (engl. signal pile-up),
brzi i učinkovit sustav za okidanje i sakupljanje podataka,
veliku radijacijsku otpornost komponenti detektora, posebno u prednjim dijelovima.
Na prstenu ubrzivača postavljena su četiri detektora. Dva su općenite namjene, kompaktni mionski solenoid ili CMS, i ATLAS (engl. A Toroidal LHC Apparatus), zatim detektor namijenjen za fiziku b kvarkova, LHCb (engl. Large Hadron Collider beauty) i detektor za fiziku teških iona, ALICE (engl. A Large Ion Collider Experiment).

Kompaktni mionski solenoid ili CMS

Kompaktni mionski solenoid ili CMS (engl. Compact Muon Solenoid) projektiran je kako bi omogućio otkrivanje i proučavanje prvenstveno Higgsovog sektora Standardnog modela. Ustvari, on ima za cilj, kao i Veliki hadronski sudarivač ili LHC, odgovoriti na jedno od glavnih pitanja moderne fizike elementarnih čestica: pitanje o porijeklu spontanog lomljenja simetrije u Standardnom modelu. Vidljiva posljedica tog modela bila bi skalarna čestica — Higgsov bozon, ili, u slučaju da Standardni model nije potpuni opis prirode, mnoštvo novih čestica kao: nekoliko Higgsovih bozona, supersimetrične čestice, novi baždarni bozoni, tehnikolor stanja ili leptokvarkovi. 
Za precizno mjerenje količine gibanja nabijenih čestica potrebno je jako magnetsko polje, što povlači korištenje supravodljive tehnologije. Srce detektora čini supravodljivi solenoid, koji je 13 m dugačak, unutrašnjeg promjera 6 m i jakosti polja 4 T. Povratno vanjsko magnetsko polje dovoljno je da zasiti sloj od 1,5 m željeza, u kojem su integrirana četiri sloja mionskih stanica. Svaka mionska stanica sastoji se od nekoliko slojeva aluminijskih driftnih cijevčica ili DT (eng. drift tubes), u središnjem dijelu (eng. barrel region), te komora s katodnim trakama ili CSC (eng. cathode strip chambers) i komora s otpornim pločama ili RPC (eng. resistive plate chambers) u prednjem dijelu (eng. endcap region).
Unutarnji detektor tragova i kalorimetrijska oprema smješteni su u šupljinu supravodljivog magneta duljine 5,8 m i promjera 2,6 m. Višestrukost tragova u uvjetima eksperimenta će biti jako velika, pa je vrlo važna visoka razlučivost i preciznost, zbog čega detektor tragova ima 10 slojeva silicijevih detektora s mikrotrakama (eng. silicon microstrip detector). Detektor takoder ima 3 sloja silicijskih piksel detektora, koji su smješteni neposredno oko točke interakcije, kako bi se omogućilo precizno mjerenje parametra raspršenja ili IP (eng. impact parameter) za tragove nabijenih čestica, te pozicija sekundarnog vrha (eng. secondary vertex).
Elektromagnetski kalorimetar ili ECAL (engl. electromagnetic calorimeter) sadrži kristale olovnog volframata (PbWO4). Scintilirajuće svijetlo detektira se silicijevim lavinskim fotodiodama ili APD (eng. silicon avalanche photodiode) u središnjem dijelu, te s vakuumskim fototriodama ili VPT (eng. vacuum phototriode) u prednjem dijelu. Sustav za odbijanje dogadaja s π0 česticama smješten je ispred ECAL-a, na prednjem dijelu.

Izvor: Wikipedia

Eksperimentalna fizika, Eksperimentalne metode fizike, Fizika elementarnih čestica, Moderna fizika, Najnovija istraživanja i otkrića

Šta se desi kada se dva snopa protona sudare gotovo brzinom svjetlosti?

Leave a comment

Large Hadron Collider (LHC) – najveći stroj koji su ljudi ikada sagradili – specijaliziran je da baca protone jedne na druge pri gotovo brzini svjetlosti. Nova i poboljšana inačica LHC-a stvarat će energetske sudare jače nego što su ikad prije postignuti na Zemlji. To čini tako što stvara snopove protona – pozitivno nabijenih čestica u atomu – i baca ih oko petnaest milja kako bi postigli gotovo brzinu svjetlosti. Kad se protoni međusobno sastave u direktnim sudarima, eksplodiraju u vruće oblake prepuno egzotičnih subatomskih čestica:

Evo kako fizičari čine ove nevjerojatne sudare:

Prvi korak je pretvaranje vodika u protrone. Vodik je poseban element jer je jedan od najmanjih atoma i sadrži samo dvije čestice: elekrone i proton. Većina drugih čestica ima višekratnike i također imaju neutralne čestice nazvane neutronima. Zato je jednostavnije izolirati protone na ovaj način: Jednostavno upotrijebite električno polje da privučete elektrone od atoma vodika, ostavljajući samo protone. Ova zraka izoliranih protona potom se šalje ubrzano u smjeru kazaljke na satu oko divovskog tunela LHC dužine od 27 kilometara, dok se druga protonska zraka šalje u smjeru suprotnom od smjera kazaljke na satu. LHC ima niz akceleratorskih cijevi koje povećavaju brzinu protonskog snopa dok ne budu putovali samo djelić sekunde ispod brzine svjetlosti. Superohlađeni magneti usmjeravaju tunel i ponašaju se poput upravljača kako bi snopove držali na stazi.

Svaka protonska zraka sadrži 2.000 do 3.000 skupova protona, a samo jedan skup je napravljen od oko 100 milijardi protona. Prije no što se snopovi sudare, svi ti protoni stisnuti su u tok koji je manji od širine dlake.

“Čestice su toliko malene da je zadatak da ih se sudari sličan tome da se dvije igle stave 10 kilometara udaljene tako precizno da se one susretnu na pola puta”, piše CERN u svom opisu LHC.

Kad se zrake sudaraju, njihova kombinirana energija dovoljna je da se rastopi oko 550 kg bakra. LHC stvara oko 600 milijuna sudara u sekundi kada radi punom snagom. Sudari se događaju na četiri točke duž pruge od 27 km. Detektor čestica čeka na svakoj točki kako bi izmjerio sve subatomske čestice koje izbijaju iz sudara. Znanstvenici smatraju da će drugo pokretanje LHC – a otkriti čitav niz novih čestica, iza Higgsova bozona.

Tuneli LHC-a kroz koje prolaze protoni imaju uvjete slične vakuumu- u vanjskog svemira. Kada se dvije zrake sudaraju, sva ta energija upakirana u takav mali prostor vakuuma eksplodira i stvara masu u obliku subatomskih čestica (misli na Einsteinovu poznatu jednadžbu: energija je jednaka masi pomnoženoj s brzinom svjetlosti na kvadrat). Čestice koje izranjaju iz tih sudara postoje samo djelić sekunde, ali to je dovoljno vremena da detektori čestica obavljaju svoje poslove – izmjere položaj, brzinu, naboj, masu i energiju svih subatomskih čestica koje su stvorene.

Sudari su toliko visoke energije da većina čestica koje izbijaju u postojanje ostavljaju iza sebe stazu svjetla pa je moguće utvrditi njihov položaj. Većina detektora također ima snažan magnet koji uzrokuje da čestice putuju na zakrivljenom putu na temelju njihovog  električnog naboja. Fizičari također mogu izračunati masu i energiju čestica na temelju ove zakrivljene staze. Stavite sve zajedno i detektori čestica mogu ponovo stvoriti ono kako sudari izgledaju odmah nakon što se dogode. Slike poput onih od Higgsova bozona zapravo su samo računalne rekreacije staza koje čestice zauzimaju tijekom njihovog vrlo kratkog postojanja. To je gdje imamo nevjerojatne slike poput ove iz nekih od prvih sudara unutar LHC-ovog ALICE detektora čestica:

I ova iz LHC-ovih CMS detektora čestica koja pokazuje više od 100 subatomskih čestica koje su izbijale iz proton – proton sudara:

I legendarna slika Higgs bozona:

Izvor: https://www.businessinsider.com.au/what-happens-inside-a-particle-collider-2015-4