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 2007 16/11/2007 YFD Sayfa 1
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: http://www1.gantep.edu.tr/~bingul/seminar/yef 16/11/2007 YFD Sayfa 2
Fizik Madde ve Enerjinin doasını inceler! 1600-1900 Mekanik Elektrik ve Manyetizma Termodinamik 1900- Atom ve Molekül Fizii Youn Madde Fizii Çekirdek Fizii (Nuclear Physics) Yüksek Enerji Fizii Parçacık Fizii Astrofizik 16/11/2007 YFD Sayfa 3
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 1955-1995 Dier Parçacıklar???? 16/11/2007 YFD Sayfa 4
Parçacık Fizii Uygulamaları ı ı 16/11/2007 YFD Sayfa 5
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 = 10 12 ev Kütle, m SI birim sisteminde, kg. Doal birim sisteminde: c = 1 m = 1 ev 1.8 x 10 36 kg m = 1 GeV1.8 x 10 27 kg E = mc 2 16/11/2007 YFD Sayfa 6
Atom Maddeyi oluturan temel parçacıklar: Elektron Proton Nötron? 16/11/2007 YFD Sayfa 7
En Küçüü Görmek HÜCRE Mikroskop 50 m 2 nm DNA Elektron mikroskopu 2 fm Atom Çekirdei Kuarklar Parçacık Hızlandırıcıları < 0.001 fm 16/11/2007 YFD Sayfa 8
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
Büyük Patlama buyuk-patlama.mpg 16/11/2007 YFD Sayfa 10
Kozmik Iınlar %90 p, %9, %1 e p Doal hızlandırıcı 0 < E < 10 20 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
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
Hayalet Parçacık: Nötrino Beta Bozunumu 137 55 Cs n 0 137 56 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 10 12 s 1 / insan 16/11/2007 YFD Sayfa 13
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 0 1800 Mezonlar π 0 0, π +, π +, K K +, K ρ, ρ, ρ, B, D, 0, 140 2000 Baryonlar p, n, Σ, Λ, Ξ, Ω, 1000-2000 16/11/2007 YFD Sayfa 14
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 + 2 / 3 1/ 3 + 1 proton u d + 2/3 +1/ 3 +1 pion 16/11/2007 YFD Sayfa 15
Dört Temel Kuvvet Kuvvet Geçerlilik Menzil iddet Kütle çekim Düen cisimler Gezegenler 1 kuvvet-tasiyicilari.mpg Gökadalar Zayıf Beta bozunumu Güne füzyon 10 17 m 10 25 Atomlar Elektromanyetik Moleküller Optik 10 36 Elektronik Sürtünme Güçlü Nükleonlar Kuarklar 10 15 m 10 38 16/11/2007 YFD Sayfa 16
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
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
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
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
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 1 1 1 1 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
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
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
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
CERN 1949: L. De Broglie tarafından teklif edildi. 1952: 11 kurucu ülke ile kuruldu. 1959-1999: 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
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
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
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 1989-2000 yıllarında W ± ve Z bozonları incelendi. 16/11/2007 YFD Sayfa 28
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
16/11/2007 YFD Sayfa 30
Büyük Hadron Çarpıtırıcısı 16/11/2007 YFD Sayfa 31
Büyük Hadron Çarpıtırıcısı lhc-olay.mpg 16/11/2007 YFD Sayfa 32
Büyük Hadron Çarpıtırıcısı Çapımalar tehlikeli mi? Mini karadelikler ve Hawking radyasyonu Evrenin en souk yeri! LHC, T = 1.9 K ( 271.3 o C) sıcaklıkta çalıacak (Evren sıcaklıı T = 2.7 K) 16/11/2007 YFD Sayfa 33
Büyük Hadron Çarpı tırıcısı p-p çarpı ması hakkında Enerji: E = 7 TeV Hız: v = 0.999999991 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 16/11/2007 1 Proton çarpı ma frekansı f = 109 çarpı ma/s küme ba ına 20 kafa-kafaya/s YFD Sayfa 34
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
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
Parçacık Detektörleri LHC de çalıacak 4 detektör CMS 16/11/2007 YFD Sayfa 37
16/11/2007 YFD Sayfa 38
Parçacık Detektörleri ATLAS Detektörü (http://atlas.ch) 22 m 44 m 16/11/2007 YFD Sayfa 39
Parçacık Detektörleri atlas-tanitim.mpeg 16/11/2007 YFD Sayfa 40
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
Parçacık Detektörleri 16/11/2007 YFD Sayfa 42
Parçacık Detektörleri 16/11/2007 YFD Sayfa 43
Parçacık Detektörleri atlas-olay.mpeg 16/11/2007 YFD Sayfa 44
Veri Analizi Analiz Zinciri 16/11/2007 YFD Sayfa 45
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
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
Veri Analizi LHC de toplanacak bilgi: yılda 15 PetaBayt 1 PB = 10 15 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 10-15 yıl hizmet verecek. Toplam veri ~ 200 PB! Veri kontrolü çok zor! ı ı ııı! " 16/11/2007 YFD Sayfa 48
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
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
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
Önemli Linkler CERN http://cern.ch LHC ALICE ATLAS CMS LHCb TOTEM CLIC ILC GRID http://lhc.web.cern.ch http://aliceinfo.cern.ch http://atlas.web.cern.ch http://cms.cern.ch http://lhcb.web.cern.ch http://totem.web.cern.ch http://clic-study.web.cern.ch http://www.linearcollider.org http://www.gridcomputing.com Faaliyetteki mevcut bütün deneylerin listesi: http://www.slac.stanford.edu/spires/experiments/online_exp.shtml 16/11/2007 YFD Sayfa 52