YEN FZE DORU. Yüksek Enerji Fizii ndeki son gelimeler Fizik Bilimi nin gelecei

Transkript

1 YEN FZE DORU Yüksek Enerji Fizii ndeki son gelimeler Fizik Bilimi nin gelecei Ör.Gör.Dr. Ahmet BNGÜL Gaziantep Üniversitesi Fizik Mühendislii Bölümü 21 Kasım /11/2007 YFD Sayfa 1

2 çerik Parçacık Fizii Kısa Tarihçesi Kuram Standart Model ve Ötesi Deney Hızlandırıcılar ve Detektörler Veri Analizi Bilgisayarla son tahlil Gelecek? Bu seminer aaıdaki adreste yeniden izlenebilir: 16/11/2007 YFD Sayfa 2

3 Fizik Madde ve Enerjinin doasını inceler! Mekanik Elektrik ve Manyetizma Termodinamik Atom ve Molekül Fizii Youn Madde Fizii Çekirdek Fizii (Nuclear Physics) Yüksek Enerji Fizii Parçacık Fizii Astrofizik 16/11/2007 YFD Sayfa 3

4 Parçacık Fizii nin Kısa Tarihçesi M.Ö. 450 lk atom kavramı Democtitus 1807 Elementler ve Atom J. Dalton 1895 X-ıınları W.C. Röntgen 1896 Radyoaktivite H. Becquerel, M.Courie 1898 Atom: üzümlü kek modeli J. J. Thompson 1899 Elektron J. J. Thompson 1911 Atom Çekirdei E. Rutherford 1913 Bohr Atom Modeli N.Bohr 1920 Isotoplar E.W. Aston 1932 Nötron J. Chadwick 1932 Pozitron C.D. Anderson 1947 Muon ve Pion C. Powell 1947 Kaon Rochester Dier Parçacıklar???? 16/11/2007 YFD Sayfa 4

5 Parçacık Fizii Uygulamaları ı ı 16/11/2007 YFD Sayfa 5

6 Parçacık Fiziindeki Birimler Enerji, E SI birim sisteminde, Joule, 1J = 1 kg.m 2 /s 2 elektron-volt, ev: 1 ev = 1.6x10 19 J 1 MeV = 10 6 ev 1 GeV = 10 9 ev 1 TeV = ev Kütle, m SI birim sisteminde, kg. Doal birim sisteminde: c = 1 m = 1 ev 1.8 x kg m = 1 GeV1.8 x kg E = mc 2 16/11/2007 YFD Sayfa 6

7 Atom Maddeyi oluturan temel parçacıklar: Elektron Proton Nötron? 16/11/2007 YFD Sayfa 7

8 En Küçüü Görmek HÜCRE Mikroskop 50 m 2 nm DNA Elektron mikroskopu 2 fm Atom Çekirdei Kuarklar Parçacık Hızlandırıcıları < fm 16/11/2007 YFD Sayfa 8

9 Büyük Patlama Evrenin bugünkü duruma nasıl geldiini açıklayan kozmolojik model Genileyen evren 1924: Hubble kırmızıya kayma (red shift) yasası 1964: Kozmik artalan gözlemleri Evrenin yaı: t10-15 milyar yıl Evrenin sıcaklıı: T3 K 16/11/2007 YFD Sayfa 9

10 Büyük Patlama buyuk-patlama.mpg 16/11/2007 YFD Sayfa 10

11 Kozmik Iınlar %90 p, %9, %1 e p Doal hızlandırıcı 0 < E < ev Pozitron, Muon, Pion ve Kaon ilk kez kozmik ıınlarda bulundu kozmik-saganak.mpg Parçacık saanaıeklinde sotropik daılım Yeryüzündeki Kozmik muon akısı= 180 m 2 s 1 16/11/2007 YFD Sayfa 11

12 Karı-Madde 1928 Dirac pozitif elektron (pozitron) önerisi 1932 Anderson gözlem: Kozmik ıınlar Her parçacık kendi karı-parçacıına sahiptir. Yüklü paçacıklar: proton (+) karı-proton ( ) Yüksüz paçacıklar: foton = karı-foton Madde ve karı-madde birbirleri ile karılaınca madde enerjiye dönüür. e + + e + E = mc 2 Tıp uygulaması: PET 16/11/2007 YFD Sayfa 12

13 Hayalet Parçacık: Nötrino Beta Bozunumu Cs n p + Ba + e + e + υ e + υ e Nötrino: kütlesiz ve yüksüz parçacık Nötrino kaynakları Radyoaktif bozunmalarda Reaktörlerde Güne ve dier yıldızlardaki çekirdek tepkimeleri Nötrino akısı: > 50 x s 1 / insan 16/11/2007 YFD Sayfa 13

14 Parçacık Çiftlii Parçacık Ailesi Liste Kütle (MeV) Foton 0 Leptonlar e ( e + ) µ ( µ + ) ( + ) ν e ( ν e ) τ τ ν µ ( ν µ ) ν τ ν ) ( τ Mezonlar π 0 0, π +, π +, K K +, K ρ, ρ, ρ, B, D, 0, Baryonlar p, n, Σ, Λ, Ξ, Ω, /11/2007 YFD Sayfa 14

15 Standart Model Parçacıkları ve temel etkilemeleri açıklayan imdilik en iyi kuram. Kararlı maddeyi oluturan parçacıklar u ve d kuarkları ve elektronlar u u d + 2 / / 3 1/ proton u d + 2/3 +1/ 3 +1 pion 16/11/2007 YFD Sayfa 15

16 Dört Temel Kuvvet Kuvvet Geçerlilik Menzil iddet Kütle çekim Düen cisimler Gezegenler 1 kuvvet-tasiyicilari.mpg Gökadalar Zayıf Beta bozunumu Güne füzyon m Atomlar Elektromanyetik Moleküller Optik Elektronik Sürtünme Güçlü Nükleonlar Kuarklar m /11/2007 YFD Sayfa 16

17 Standart Model Deneylerle örtüüyor 3 kuvveti ve temel etkilemeleri açıklıyor Yeni Periyodik Tablo Temel Parçacıklar Kuarklar Leptonlar Cevaplayamadıı sorular var Tabloda delikler tıkanmalı Kuvvet Taıyıcılar Gözlenmedi 16/11/2007 YFD Sayfa 17

18 Yeni Parçacıklar Higgs Bozonu (Higgs Boson) Elektrozayıf Kuvvet 1960larda elektromanyetik ve zayıf kuvvet kuramsal olarak birletirildi. (A.Salam, S.Weinberg, S.Glashow) 1983 de W ve Z bozonları bulundu. Bu kurama göre, bütün parçacıkların çıplak kütlesi sıfırdır. Sual: Parçacıklar nasıl kütle kazanıyor? Cevap: P. Higgs: Higgs mekanizması Higgs Alanı Büyük patlamadan hemen sonra oluan ve parçacıklara kütle kazandıran alan. Alan taıyıcısı: Higgs Bozonu (H) Kütle: m(h) > 114 GeV 16/11/2007 YFD Sayfa 18

19 Yeni Parçacıklar Dördüncü Aile (Forth Family) Önceki deneylerden toplanan verilere göre sadece N = 3 aile var SM ye göre N < 9 olabilir! Saleh Sultansoy 16/11/2007 YFD Sayfa 19

20 SM Ötesi Karanlık Madde (Dark Matter) em radyasyon yaymıyor ve yansıtmıyor Görünür madde ile kütle-çekim etkilemesine girebiliyor Gözlemler var olduunu gösteriyor! Dark matter Karanlık madde kanıtları v r 16/11/2007 YFD Sayfa 20

21 SM Ötesi Yeni Parçacıklar Süpersimetri (Supersymmetry = SUSY) 3 temel kuvveti açıklıyor. Normalden aır, süper parçacık elerini öngörüyor. En hafifleri, karanlık maddeyi açıklıyor. Yanlı olmayacak kadar güzel bir kuram. Parçacık quark(6 tane), q lepton(6 tane), l photon, gluon, g W ± Z 0 Spin ½ ½ Sparçacık skuark, slepton, photino, gluino, ~ q ~ l ~ g~ ~ ~ wino, W ± zino, Z 0 Spin 0 0 ½ ½ ½ ½ H 0 Higgsino, H 0 12, H± ½ 16/11/2007 YFD Sayfa 21

22 SM Ötesi Yeni Parçacıklar Sicim Kuramı = Hereyin Kuramı (String Theory = Theory of Everyting) Amaç: Bütün parçacıkları (kuarklar ve leptonlar) ve dört temel kuvveti (kütleçekim, elektromanyetik, zayıf ve güçlü) bir çatı altında toplamak. Kuram ek boyutların (extra dimensions) varlıını öngörüyor: 4+6 = 10 boyut veya 4+22 = 26 boyut! 16/11/2007 YFD Sayfa 22

23 Cevap Bekleyen Sorular Neden temel parçacıkların kütlesi var? Bu kütleler neden farklı? 4. Aile, 5. Aile Nötrino kütlesi ve salınımı Madde karı-madde neden dengesiz? Karanlık madde ve karanlık enerji nedir? Süpersimetrik parçacık eleri Ek boyutlar mevcut mu? 16/11/2007 YFD Sayfa 23

24 CERN Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire European Council for Nuclear Research European Laboratory for Particle Physics Avrupa Nükleer Aratırma Merkezi sviçre-fransa sınırı, Cenevre kentinde kurulu dünyanın en büyük Parçacık Fizii Aratırma Laboratuvarı 16/11/2007 YFD Sayfa 24

25 CERN 1949: L. De Broglie tarafından teklif edildi. 1952: 11 kurucu ülke ile kuruldu : 9 ülke daha katıldı. 2007: 20 tam üye ülke 8 gözlemci Türkiye Hindistan Japonya ABD UNESCO AB srail Rusya 16/11/2007 YFD Sayfa 25

26 Parçacık Hızlandırıcıları Hızlandırıcı (Accelerator) Temel yüklü parçacıkları elektrik alan ile hızlandıran (ivmelendiren) donanımlardır. Çarpıtırıcı (Collider) Parçacık demetlerini belli bir kütle merkezi (KM) enerjisi çarpıtıran hızlandırıcılar. E E E KM = 2E 16/11/2007 YFD Sayfa 26

27 Parçacık Hızlandırıcıları Dorusal Hızlandırıcı (Linear Accelerator: LINAC) SLAC - Standford Linear Accelerator Center 1966 yılında kuruldu 3.2 km uzunluk 50 GeV elektron-pozitron hızlandırıcısı 16/11/2007 YFD Sayfa 27

28 Parçacık Hızlandırıcıları Dairesel Hızlandırıcı (Circular Accelerator) Parçacıklar, eici mıknatıslar aracılıı ile kapalı bir yörüngede defalarca geçirilerek hızlandırılırlar. LEP (Large Electron Positron Collider) 27 km çevre uzunluu yaklaık 100 m toprak altında yıllarında W ± ve Z bozonları incelendi. 16/11/2007 YFD Sayfa 28

29 Büyük Hadron Çarpıtırıcısı (LHC: Large Hadron Collider) Büyük : çarpıtırıcı çevre uzunluu yaklaık 27 km Hadron: çarpıtırılacak parçacıklar: E KM = 14 TeV enerjili protonlar E KM = 1150 TeV enerjili kurun (Pb) çekirdekleri 4.3 km LHC projesi: Fikir Aralık 1994 yılında baladı. LEP tüneli LHC ye devredildi. Mayıs 2008 de hizmete girecek? Maliyet: 3 milyar (5.5 milyar YTL) 16/11/2007 YFD Sayfa 29

30 16/11/2007 YFD Sayfa 30

31 Büyük Hadron Çarpıtırıcısı 16/11/2007 YFD Sayfa 31

32 Büyük Hadron Çarpıtırıcısı lhc-olay.mpg 16/11/2007 YFD Sayfa 32

33 Büyük Hadron Çarpıtırıcısı Çapımalar tehlikeli mi? Mini karadelikler ve Hawking radyasyonu Evrenin en souk yeri! LHC, T = 1.9 K ( o C) sıcaklıkta çalıacak (Evren sıcaklıı T = 2.7 K) 16/11/2007 YFD Sayfa 33

34 Büyük Hadron Çarpı tırıcısı p-p çarpı ması hakkında Enerji: E = 7 TeV Hız: v = c ~ 300,000 km/sn 2808 x 2808 küme (bunch) Proton sayısı, N = 1011/küme Küme çapı = 16 m (saç teli 50 m) Parlaklık, L = 1034 cm 2s Kom u iki küme arası uzaklık: 7.5 m (25 ns) zı a nk e a m pı r Ça Küme çarpı ma frekansı f = 1/25 ns = 40,000,000 Hz = 40 MHz E = m c2 16/11/ Proton çarpı ma frekansı f = 109 çarpı ma/s küme ba ına 20 kafa-kafaya/s YFD Sayfa 34

35 Büyük Hadron Çarpıtırıcısı Pb-Pb çarpıması E KM = 1150 TeV E = 2.76 TeV/u Kuark-gluon plazması Pb 208 Pb 208 p π + π 16/11/2007 YFD Sayfa 35

36 Parçacık Detektörleri Detektörler ile çarpıma enkazında oluan parçacıkların yükü konumu uçu zamanı momentumu enerjisi kimlii belirlenir. parçacıının kefi (1964) 16/11/2007 YFD Sayfa 36

37 Parçacık Detektörleri LHC de çalıacak 4 detektör CMS 16/11/2007 YFD Sayfa 37

38 16/11/2007 YFD Sayfa 38

39 Parçacık Detektörleri ATLAS Detektörü ( 22 m 44 m 16/11/2007 YFD Sayfa 39

40 Parçacık Detektörleri atlas-tanitim.mpeg 16/11/2007 YFD Sayfa 40

41 Parçacık Detektörleri ATLAS birlii Platformu 34 ülke 1850 fizikçi 175 enstitü Türkiye: Boaziçi Üniversitesi Dou Üniversitesi Gaziantep Üniversitesi Ankara Üniversitesi 16/11/2007 YFD Sayfa 41

42 Parçacık Detektörleri 16/11/2007 YFD Sayfa 42

43 Parçacık Detektörleri 16/11/2007 YFD Sayfa 43

44 Parçacık Detektörleri atlas-olay.mpeg 16/11/2007 YFD Sayfa 44

45 Veri Analizi Analiz Zinciri 16/11/2007 YFD Sayfa 45

46 Veri Analizi Higgs Bozonu Bozunma Kanalları 114 < m(h) < 130 GeV: H 130 < m(h) < 600 GeV: H ZZ * 4 ± ; = e, µ 600 < m(h) < 1000 GeV: H ZZ jj 16/11/2007 YFD Sayfa 46

47 Veri Analizi Deimez kütle: M 2 2 = E k k k p k 2 10 trilyon çarpımada 1 Higgs gözlenmesi bekleniyor 16/11/2007 YFD Sayfa 47

48 Veri Analizi LHC de toplanacak bilgi: yılda 15 PetaBayt 1 PB = B = 10 6 GB ~ 1.5x10 6 CD 15 PB ~ 22 x 10 6 CD 20 km CD yıını LHC 2008 de veri alımı balayacak ve yıl hizmet verecek. Toplam veri ~ 200 PB! Veri kontrolü çok zor! ı ı ııı! " 16/11/2007 YFD Sayfa 48

49 Veri Analizi LHC veri analizleri, en azından 100,000 tane GHz hızında mikroilemci içeren bilgisayarla yapılabilecek. CERN %20 sine sahip. Çözüm: Bilgisayar kümeleri kullanmak. Yeni teknoloji: GRID Distributed Computing GRID, bilgisayarların hesaplama ve veri depolama kaynaklarını Internet üzerinden paylamak amacı ile oluturulan bir servistir. 16/11/2007 YFD Sayfa 49

50 Veri Analizi CERN Web in doduu yer 1990: CERN bilim adamlarından Tim Barners- Lee (Internet) http için HTML, URL, Web sunucu ve Web tarayıcı tanımlamalarını yaptı. 1991: CERN (Avrupa) fizikçileri ile SLAC (Amerika) fizikçileri arasında ilk kez Web balantısı ile bilgiler aktarıldı. Web2 Yeni bilgi aktarım protokolü 2004: CERN California (11,000 km) aktarım hızı: 6.25 GB/s 16/11/2007 YFD Sayfa 50

51 Kabus Senaryoları Ya Higgs bulunamazsa 20 ülke, milyarlarca dolar masraf Bütün yeni kuramlar yanlı Planck ölçeine kadar (10 35 m) yeni fizie ihtiyaç yok Sadece Higgs bulunursa Kuramcılar: Hiç bulunmasın daha iyi Deneyciler: Higgs bulunursa bu bir zafer 16/11/2007 YFD Sayfa 51

52 Önemli Linkler CERN LHC ALICE ATLAS CMS LHCb TOTEM CLIC ILC GRID Faaliyetteki mevcut bütün deneylerin listesi: 16/11/2007 YFD Sayfa 52