Физика элементарных частиц на пороге новых открытий МФТИ 7 июля 2011

МФТИ
7 июля 2011
Физика элементарных частиц на
пороге новых открытий
M.B.Данилов
Инст ит ут т еорет ической и эксперимент альной
физики
Зав. Кафедрой физики элемент арных част иц
МФТИ
МАТЕРИЯ
Атом
uud
ядро
udd
e
Взаимодействия
e
n
udd
e
γ -переносчик
uud
e¯
э/м взаимодействия
γ
P
e¯
g
- глюон переносчик сильного
взаимодействия
g
q
e
q
W, Z - бозоны переносчики слабого
взаимодействия
W
d
Бозон Хигса Н дает частицам
массы. Он еще не найден
n {d
u
e¯
νе
u
d
u
}p
МАТЕРИЯ
Десятки «элементарных» частиц открыто в 50е – 60е годы
Большинство из них адроны –
так Л.Окунь назвал сильно взаимодействующие частицы
барионы (спин полуцелый (фермионы)) – p, n,…
мезоны (спин целый (бозоны)) π+ , π- , ρ + ,…
Гелл-Манн, Цвейг (1964)
Все адроны состоят из трех кварков (барионы)
n = udd
p = uud
или кварка – антикварка (мезоны)
π+ =ud
π- =ud
Кварки имеют спин s=1/2, дробный электрический заряд
qu=+2/3qe+
qd=-1/3 qe+ и три цвета,
Цвет это аналог электрического заряда для сильного взаимодействия
Конфайнмент - невылетание кварков
g
u
→

d
g
g
u
С ростом расстояния между
кварками энергия струны
глюонов растет
→

d
d

Энергетически выгоднее родить
пару qq и разорвать струну
d
Вместо свободных кварков при натяжении
глюонной струны возникает пучок частиц
Константа сильного взаимодействия уменьшается с
ростом энергии из-за поляризации вакуума
Объединение Взаимодействий
Константы слабого и
электромагнитного
взаимодействий
сравниваются при больших
энергиях (данные ер
коллайдера ГЕРА)
 Электро-слабая теория!
Рассеяние электрона на кварке
Transverse
view
(R-Phi)
e
e
X
Энергии в
калориметре
X
Side view
(R-z)
Кварк “наблюдается” как пучок частиц
Установка сделанного в ИТЭФ калориметра в детектор Н1
для изучения структуры протона
ПОКОЛЕНИЯ КВАРКОВ И ЛЕПТОНОВ
Все, что нас окружает состоит из 2 кварков u, d ,
νe
e
u
d
ν

c
s
ντ

t
b
e и νe
Лептоны
Кварки
Природа создала еще два набора (поколения)
кварков и лептонов
Массы и константы связи кварков сильно различаются
Третье поколение связано слабее со вторым чем второе с первым
Третье с первым еще слабее
В эксперименте ARGUS обнаружена связь кварков
третьего и первого поколений
Обнаружение адронов, содержащих 4 (анти)кварка
(Р.Мизюк (ИТЭФ), А.Бондарь, А.Гармаш (БИЯФ))
Июнь 2011
Новые мезоны
содержат b, анти-b,
d и анти-u кварки
Масса hbπ±
МНОГО ВОПРОСОВ:
Почему массы кварков т ак различают ся?
mu~2 МэВ
md~5 МэВ
mc~1250 МэВ
ms~100 МэВ
mt~175000 МэВ
mb~4200 МэВ
От куда возникает иерархия конст ант связей ?
Vud ≈ Vcs ≈ Vtb ≈ 1
Vus ≈ Vcd ≈ 0.2 Vbc ≈ Vts ≈ 0,04
Vub ≈0.5 Vtd ≈ 0.004
Зачем нужны т ри поколения?!
Кобаяши-Маскава (1973) – для нарушения
симметрии между материей и антиматерией
Зачем нужно эт о нарушение? –
А.Сахаров – для барионной асимметрии Вселенной
Константы связи кварков образуют
треугольник на комлексной плоскости
Vub
α
Vtd
γ
β
V ·V
us
bc
Углы этого треугольника определяют различие
в распадах частиц и античастиц
Γ(t)(B°→Ј/Ψ Κ°s) - Γ(t)( B°→ Ј/Ψ Κ°s)
Γ(t)(B°→Ј/Ψ Κ°s) + Γ(t)( B°→ Ј/Ψ Κ°s)
~ sin2β · sin ΔΜ.t
Кобаяши и Маскава предложили свою теорию,
когда трерье поколение еще не было открыто!
так распадается прелестные мезоны
а вот так антипрелестные мезоны
СР нарушение в распадах прелестных мезонов открыто Belle
(с участием БИЯФ и ИТЭФ) в 2001 году в распаде B0→J/ψ K0.
Практически одновременно такой же результат получен BaBar
Сегодня сотрудничество Belle измерило параметр нарушения с точностью
5%, а также исследовало десятки других распадов...
1974 – Теоретическое предсказание механизма
различия свойств Материи и Антиматерии –
нарушения СР-симметрии
Нобелевская премия 2008
ТЕМНАЯ МАТЕРИЯ
Астрофизики показали что более 80% материи
во Вселенной имеет неизвестную природу!
Первые указания получены в 1933 г. (Zwicky)
Свидетельства существования темной материи
Скорости звезд, облаков газа не зависят от R до R
во много раз больших видимых размеров галактик
Согласно Законам Ньютона
VR~√ M(r‹R)/R
VR=const  M(r<R) ~ R 
Eсть невидимая – «темная материя»,
там где уже нет звезд
Суперсимметричная Холодная Тёмная Материя?
Теория Суперсимметрии (SUSY) (Гольфанд и Лихтман (1971))
фермионы
бозоны
электрон
бозе-двойники
ферми-двойники
сэлектрон
кварк
скварк
фотон
фотино
нейтрино
снейтрино
гравитон
гравитино
…
…
Частица ТМ не должна участвовать в сильном и
электромагнитном взаимодействиях, только в слабом и
гравитационном: WIMP - (Weakly Interacting Massive Particle)
Нейтралино  является наиболее
обоснованным кандидатом в WIMP
Регистрация WIMPа
Мишень (вещество детектора)


Атомное
ядро
Екин
в кэВной области
Ядро может регистрироваться детектором:
Величина сигнала ~ выделившейся энергии
Прототип детектора ZEPLIN III
(ИТЭФ)
Поиски ТМ по продуктам аннигиляции нейтралино
χ
χ
W+
χ-
W-
W+
μ+ ν
ν регистрируется АНТАРЕСом
Подводный нейтринный телескоп АНТАРЕС
Моделирование События в Антаресе
Чувствительность к ТМ
ИТЭФ, КИ, МГУ участвуют в создании эксперимента АМS на МКС
для нового поиска антиматерии и Темной материи во Вселенной
Будущий вид детектора
Самый крупный ускоритель LHC создан в Женеве
Одна из основных задач на нем –
поиски суперсимметрии т.е. и ТМ
~100 m
ИТЭФ участвовал в создании всех четырех
детекторов на LHC
Большой Адронный Коллайдер
достиг энергии 7 ТэВ
LHCb
CMS
ALICE
БАК :27 км
ATLAS
l'Université
deleGenève
ans 2009
/2009
1 avril 2009
La France
France
et
CERN
et CERN
/450
octobre
/ Mai
24
Изготовленный ИТЭФ электромагнитный калориметр LHCb
e
h

Руководитель коллаборации из 700 ученых со всех
стран мира - А.Голутвин (ИТЭФ)
Сборка Компактного
детектора (CMS)
на LHC
Разработанный в ИТЭФ и США радиационно стойкий
калориметер нового типа – кварцевый калориметр CMS
Моделирование распада
бозона Хиггса




Рождение и смерть черной дыры
на Большом Адронном Коллайдере
Дополнительные измерения пространства
•Быть может, мы зажаты на
трехмерной пространственной
мембране
•Гравитация распространяется в
дополнительных измерениях
Дополнительные измерения
могут быть и большими и
маленькими
Поиск измерений дополнительных измерений
Прямые поиски – Z-бозон и потерянная энергия
Гравитон
Дополнительные измерения
Наш мир
Косвенные поиски – изменения в сечении рассеяния
Гравитон
Доп. измерения
Наш мир
LHC может открыть SUSY
с массой до ~1ТэВ
Однако определить все
свойства этих частиц
будет сложно
Частица Тёмной Материи
Для этого планируется
создать е+е- коллайдерILC c энергией 0.5-1ТэВ
Международный е+е- линейный коллайдер (ILC)
Обсуждается возможность его строительства в Дубне
ИТЭФ, МИФИ и МГУ участвуют в создании калоримера
для ILC на основе Российских технологий
Калориметр ILC на основе российских технологий
Свет собирает спектросмещающее волокно и SiPM
SiPM
3х3 cm2 счетчик с SiPM
Электронный чип
Заключение
Мы знаем из чего состоит Материя и её взаимодействия
Скоро на LНС поймём механизм возникновения массы
Но возможно мы знаем только половину фундаментальных частиц
Есть надежда прояснить это в ближайшие 10 лет
Мы выяснили основной механизм различия свойств Материи и
Антиматерии в случае кварков (механизм КМ)
Но он не объясняет доминирование Материи во Вселенной
Нужны новые механизмы нарушения СР-инвариантности
Их поиски ведутся
Астрофизики показали, что ТМ в 6 раз больше чем барионной
Но природа её не известна
Есть надежда выяснить это в ближайшие 10 лет
,...
Природа и астрофизики
не устают нас удивлять
Барионная и Темная Материя составляют
лишь 30% плотности Вселенной
Остальное – Темная Энергия
Состав Вселенной
Вопросы вместо Заключения
Что определяет иерархию масс и констант связи кварков?
Зачем нужны 3 поколения кварков и лептонов?
Каков механизм возникновения массы?
Существует ли Суперсимметрия?
Каковы новые механизмы нарушения симметрии между Материей
и Антиматерией?
Почему Материя доминирует во Вселенной над Антиматерией?
Из чего состоит Тёмная Материя?
Что такое Тёмная Энергия?
Точечны ли фундаментальные частицы?
Сколько измерений в нашем Пространстве?
...?
m = 0.3
 = 0.7
 =1
Ещё одно важнейшее открытие последних лет:
отклонение от закона Хаббла –
Вселенная расширяется с ускорением!
Сверхновые в удалённых галактиках
были выбраны в качестве
"стандартных свечек"
яркость
время
Оказалось, что
яркость
сверхновой и
время затухания
хорошо
коррелируют
между собой.
Измерив время
затухания,
можно узнать
яркость, а
значит, и
расстояние
Сравнив расстояние и скорость (определённую по красному
смещению) увидели - Вселенная расширяется с ускорением
МАТЕРИЯ (1932)
атом
электрон
γ- квант
ядро
протон
нейтрон
Силы
Электромагнитные – удерживают e в атомах
Сильные – удерживают протоны и нейтроны в ядрах
Слабые
– n → p + e +νe - бета распад
(НЕЙТРИНО придумал В. Паули
для объяснения спектра электронов)
Гравитационные – много слабее
АНТИМАТЕРИЯ (1932)
• Уравнение Дирака (1928)
- замечательно описывает поведение электронов в
атоме,
но имеет решения с отрицательной энергией
• Дирак (1930) – это протон
(для положительно заряженной частицы решения
будут иметь положительную энергию)
• Опенгеймер и Тамм (1930) – не годится.
Слишком велика разница масс e¯и p
• Дирак (1931) –
Значит есть новые частицы тождественные
электронам, но имеющие противоположный
заряд – антиэлектроны Революционная идея т.к.
никаких признаков антиматерии вокруг нас
– Паули(1932) – эта идея не серьезна
В этом же 1932 году Андерсон открыл
антиэлектрон e+
Всеобщая вера в идентичность законов
физики для материи и антиматерии
– зарядовая симметрия (С).
АНТИМАТЕРИЯ (1956-67)
Ли и Янг (1956) – зеркальная симметрия нарушена в слабых
взаимодействиях (P)
Иоффе, Окунь, Рудик (1956) – если Р то и С
Ву и др. (1957) – Р
Гаврин, Ледерман,Вайнрич, Фридман, Телегди (1957) – С
Ландау (1956) – сохраняется СP,
т.е. одновременное изменение зарядов и отражение в зеркале.
Переход от материи к антиматерии это СР-преобразование.
Снова не можем сказать можно ли пожать руку подлетающему
инопланетянину (вдруг он из антиматерии!)
Кронин и Фитч (1964) – СР (~0.1%)
Сахаров (1967) – СР необходимо для доминирования материи во
Вселенной, т.е. для нашего существования!
Численные расчеты разрыва глюонной струны на
крупнейших суперкомпьютерах включая Российский
(DESY-ITEP-Kanazawa Collaboration)
Сила притяжения кварков – 12 тонн!