1 Jan KalinowskiFizyka cząstek poza LHC Sesja dla nauczycieli: O fundamentalnych problemach fizyki Jan Kalinowski Fundamentalne problemy fizyki cząstek elementarnych do rozstrzygnięcia poza LHC

2 Jan KalinowskiFizyka cząstek poza LHC Sesja dla nauczycieli: O fundamentalnych problemach fizyki Jan Kalinowski Fundamentalne problemy fizyki cząstek elementarnych do rozstrzygnięcia poza LHC

3 Jan KalinowskiFizyka cząstek poza LHC Jakie są podstawowe cegiełki materii i ich oddziaływania? Skąd się wzięliśmy i dokąd zmierzamy? – pytania fascynujące ludzkość od wieków Interesujące jest prześledzenie ewolucji stawianych sobie celów badawczych i udzielanych odpowiedzi na powyższe pytania na przestrzeni dziejów Ale podstawowe cele tych badań pozostają bez zmian:  poznanie struktury materii na coraz mniejszych odległościach  poznanie struktury wszechświata na coraz większych odległościach i odtworzenie jego historii

4 Jan KalinowskiFizyka cząstek poza LHC Obecnie znamy cztery typy oddziaływań elementarnych: grawitacyjne elektromagnetyczne silne słabe długozasięgowe, dostępne bezpośrednio naszym zmysłom i stąd znane od wieków krótkozasięgowe, ich poznanie zostało zapoczątkowane XIX/XX odkryciem promieniotwórczości i jadra atomowego Pytanie: czy są to istotnie różne typy oddziaływań, czy tylko inne przejawy bardziej fundamentalnej teorii ? występują jedynie na poziomie kwantowym

5 Jan KalinowskiFizyka cząstek poza LHC Wiek XVII – unifikacja fizyki,,ziemskiej’’ i,,niebieskiej’’ w jednolitą teorię grawitacji Historia nauki pokazuje sukcesy idei unifikującej pozornie różne zjawiska: Wiek XIX – unifikacja zjawisk świetlnych, elektrycznych i magnetycznych w jednolitą teorię elektromagnetyzmu Wiek XX – badania rozpoczęte odkryciem promieniotwórczości zostały uwieńczone sformułowaniem jednolitej teorii oddziaływań silnych, elektromagnetycznych i słabych zwanej skromnie oddziaływań fundamentalnych. Wiek XXI – może będziemy świadkami unifikacji wszystkich oddziaływań łącznie z grawitacją ?

6 Jan KalinowskiFizyka cząstek poza LHC

7 Jan KalinowskiFizyka cząstek poza LHC Zgodnie z zasadą nieoznaczoności Heisenberga energii rzędu 100 GeV odpowiada rozdzielczość przestrzenna rzędu 10 –18 m opisuje oddziaływania fundamentalne na odległościach do 10 –18 m i historię wszechświata od 10 -8 s po wielkim wybuchu. Jak dotąd nie stwierdzono odstępstw przewidywań teoretycznych tej teorii od obserwacji doświadczalnych. Początki sięgają czasów Fermiego, który podał pierwszą teorię rozpadu beta neutronu. Konstrukcja tego modelu zajęła ponad 40 lat, gdyż doświadczalnie nie dysponowaliśmy skalą energetyczną rzędu kilkuset GeV. Dopiero LHC pozwoli zbadać obszar powyżej 1000 GeV = 1 TeV.

8 Jan KalinowskiFizyka cząstek poza LHC Cząstki trwałe: protony, elektrony, neutrina, fotony neutrony - czas życia ~887 s cząstki długożyciowe: mion ~10 -6 s piony ~10 -8 s kaony ~10 -8 -- 10 -10 s Setki innych cząstek badamy obserwując ich produkty rozpadu 100 GeV ~ 10 -18 m ~ 10 -27 s ~ 10 15 K Skala oddz. elektrosłabych v=2 -1/4 G F -1/2 = 246 GeV 10 -9 s po wielkim wybuchu

9 Jan KalinowskiFizyka cząstek poza LHC

10 Jan KalinowskiFizyka cząstek poza LHC q g q q q W p n e e  e e e elektromagnetyczne silne słabe Podstawową ideą jest symetria cechowania fermiony bozony spin: ½ 0 1 determinuje typy oddziaływań

11 Jan KalinowskiFizyka cząstek poza LHC q g q q q W p n e e  e e e elektromagnetyczne silne słabe Podstawową ideą jest symetria cechowania fermiony bozony spin: ½ 0 1 determinuje typy oddziaływań

12 Jan KalinowskiFizyka cząstek poza LHC Ścisła symetria cechowania powoduje, że wszytkie cząstki – fermiony i bozony – muszą być bezmasowe Symetria musi być złamana pole skalarne: 0 jeśli Stan o najniższej energii – próżnia – nie ma symetrii potencjału: kwarki, leptony i bozony oddziaływań słabych W i Z uzyskują masę śladem tego mechanizmu jest konieczność istnienia nowej cząstki bozonu Higgsa o nieznanej masie próżnia

13 Jan KalinowskiFizyka cząstek poza LHC q g q q q W p n e e  e e e elektromagnetyczne silne słabe fermiony bozony spin: ½ 0 1 Podstawową ideą jest symetria cechowaniadeterminuje typy oddziaływań Słabe i elektromagnetyczne  elektrosłabe Jedyna brakująca cząstka – bozon Higgsa

14 Jan KalinowskiFizyka cząstek poza LHC Dlatego tak usilnie poszukujemy cząstki Higgsa. Wszystkie jej sprzężenia do innych cząstek są jednoznaczną funkcją jej masy. Bezpośrednie poszukiwania LEP: m H >114.4 GeV Tevatron: Pośrednie przez poprawki kwantowe Pomiary pośrednie wskazują na lekką cząstkę Higgsa – w zasiegu LHC

15 Jan KalinowskiFizyka cząstek poza LHC possible due to precision measurements known higher order electroweak corrections LEP Test of the SM at the Level of Quantum Fluctuations indirect determination of the top mass prediction of the range for theHiggs mass R. Heuer, CERN DG

16 Jan KalinowskiFizyka cząstek poza LHC  renormalizowalna teoria => moc przewidywania  18 parametrów (+ parametry neutrin): stałe sprzężenia masy kwarków i leptonów kąty mieszania kwarków (+ neutrin) masa bozonu Z masa cząstki Higgsa  ponad 20 lat trwają dośw. próby obalenia tego modelu  model doskonale zgadza się z danymi dośw. do skali elektrosłabej ~ 200 GeV (10 –18 m)  najdoskonalsza teoria fizyczna

17 Jan KalinowskiFizyka cząstek poza LHC Pomimo swoich sukcesów nie może być ostateczną teorią masa elementarnej cząstki Higgsa nie jest stabilna ze względu na poprawki kwantowe cząstki modelu standardowego stanowią niewielką część widzialnego wszechświata promieniowanie reliktowe pokazuje obraz wszechświata 380 tys. lat po wielkim wybuchu WMAP promieniowanie ciała doskonale czarnego o T~ 2.7 K, z fluktuacjami  T ~ 100  K oscylacje neutrin asymetria materia-antymateria

18 Jan KalinowskiFizyka cząstek poza LHC To, że czegoś brakuje stwierdził już Zwicky w 1933 Ciemna materia

19 Jan KalinowskiFizyka cząstek poza LHC Model Standardowy tego nie wyjaśnia !

20 Jan KalinowskiFizyka cząstek poza LHC Co jest źródłem mas cząstek ? Czy mechanizm Higgsa? Co jest źródłem skali elektrosłabej ? Dlaczego M ew

21 Jan KalinowskiFizyka cząstek poza LHC

22 Jan KalinowskiFizyka cząstek poza LHC Szczęśliwie, większość nowych pomysłów teoretycznych rozwiązujących problem Higgsa rozwiązuje też problem ciemnej materii. Przypadek?? Wiele nowych pomysłów teoretycznych Nowe wymiary fermionowe – supersymetria (SUSY) bozonowe – wymiary przestrzenne Nowa dynamika mały Higgs, tłusty Higgs, bliźniaczy Higgs, no Higgs, … Nowa filozofia landscape…. Każdy scenariusz teoretyczny ma swoje specyficzne przewidywania

23 Jan KalinowskiFizyka cząstek poza LHC Bozonowe: dodatkowe wymiary przestrzenne (ED) muszą być skończonego rozmiaru wzbudzenia w tym wymiarze skwantowane (podobnie do drgań struny) nieskończona seria wzbudzeń Kaluzy- Kleina Fermionowe: supersymetria (SUSY) każdej cząstce odpowiada superpartner różniący się spinem o ½ konsystentna teoria pola do ~10 16 GeV Nowe cząstki stabilizują problem związany z Higgsem masa ….. foton** foton* foton fotino foton stany KK supersymetria

24 Jan KalinowskiFizyka cząstek poza LHC W obu podejściach są naturalni kandydaci na cząstki ciemnej materii masa ….. foton** foton* foton fotino foton stany KK supersymetria najlżejsza cząstka KK lub supersymetryczna są trwałe mają masy i oddziaływania w zakresie koniecznym do wyjaśnienia ciemnej materii Wiele przesłanek za obecnością nowych cząstek w zasięgu LHC Pełne zrozumienie obserwacji LHC będzie zapewne wymagało konfrontacji Informacji z wszelkich źródel: akceleratorowych, nieakceleratorowych, astrofizycznych itp..

25 Jan KalinowskiFizyka cząstek poza LHC 10 września 2008 Ale 9 dni później nastapiła awaria

26 Jan KalinowskiFizyka cząstek poza LHC Pytania, na które LHC powinno udzielić odpowiedzi  Czy jest cząstka Higgsa  jaka jest jej masa  czy jest to cząstka elementarna czy złożona  co stabilizuje hierarchię skal M ew /M Pl  czy jest realizowana SUSY  czy cząstki ciemnej materii są produkowane  czy są dodatkowe wymiary przestrzenne  a może coś zupełnie niespodziewanego czas Jaki jest mechanizm generacji mas – naruszenia symetrii cechowania? Po raz pierwszy nie wiemy, co nas czeka. LHC nam powie, jaka jest fizyka przy skali 1 TeV

27 Jan KalinowskiFizyka cząstek poza LHC

28 Jan KalinowskiFizyka cząstek poza LHC Initial Phase of LHC will tell the way to go Possible ways beyond LHC hadron - hadron collider (sLHC / DLHC) lepton - lepton collider (ILC / CLIC) lepton - hadron collider (LHeC) The next decades R. Heuer, CERN DG

29 Jan KalinowskiFizyka cząstek poza LHC The International Linear Collider 2009. The Large Hadron Collider I

30 Jan KalinowskiFizyka cząstek poza LHC Coraz silniej fizyka cząstek splata się z astrofizyką i kosmologią Konieczna będzie analiza danych ze wszystkich źródel

31 Jan KalinowskiFizyka cząstek poza LHC czas Bezpośrednie poszukiwania cząstek ciemnej materii

32 Jan KalinowskiFizyka cząstek poza LHC Pośrednie poszukiwania cząstek ciemnej materii czas

33 Jan KalinowskiFizyka cząstek poza LHC Promienie kosmiczne

34 Jan KalinowskiFizyka cząstek poza LHC  Model Standardowy: trzy „rodziny” kwarków i leptonów siły oddz.: foton, W,Z, gluony  Najdoskonalsza teoria fizyczna oddz. fundamentalnych  Wiele przesłanek na nową fizykę powyżej ~ 200 GeV  Już w tym roku ma zacząć działać LHC  Teoria powyżej skali elektrosłabej? SUSY, ED?  A może coś zupełnie nowego?  Prawdziwe wyzwanie dla nowych eksperymentów !  LHC powinno udzielić odpowiedzi wraz z ILC => teleskop do skali Wielkiej Unifikacji  wiek XIX – unifikacja elektryczności i magnetyzmu  wiek XX – unifikacja oddz. elektromagnetycznych i słabych  wiek XXI – ???

35 Jan KalinowskiFizyka cząstek poza LHC

36 Jan KalinowskiFizyka cząstek poza LHC Planck – następca COBE i WMAP Herschel Detektory na satelitach

37 Jan KalinowskiFizyka cząstek poza LHC

38 Jan KalinowskiFizyka cząstek poza LHC Particle Physics Astrophysics Double Beta Dark Matter LAGUNA KM3NeT Auger CTA E.T. proton decay astronomy dark matter accelerator beam oscillations (hierarchy?) Cosmology SUSY, KK, … Majorana nature (  leptogenesis) mass Astrophys. Indirect DM Q.G, … Astrophysics Q.G., TD, … GZK physics cross sections Test Relativity Extreme objects astronomy oscillations Q.G., TD, … indirect DM and other exotic particles