Přednáška na gymnáziu v Třebíči r. 2008

2. Úvod Atomová idea - řečtí atomisté Demokritos a Leukipos 5. století př. n. l. pouze filosofické úvahy Od Adama ne! ale od řeckých atomistů ano ! Atomová hypotéza - konec 17. století , experimentální náznaky pro její budování testovatelné předpovědí Atomová teorie - 18. a 19. století chemie a fyzika poskytla experimentální data pro její experimentální potvrzení 20. století - vybudování teorie popisu hmoty a tří ze známých interakcí - „standardního modelu“ a její experimentální potvrzení 21. století - dokončení sjednoceného popisu hmoty a všech interakcí (možná ve strunové teorii) Pozorujeme náznaky 1) možnosti sjednocení popisu všech interakcí 2) možnosti, že „fundamentální“ částice nejsou bodové ale „struny“ s konečným rozměrem Začátek zkoumání hmoty v 17. století Zkoumání hmoty dnes experiment ALEPH v CERNu

3. Fyzika mikrosvěta – jaké má metody? Mikrosvět – neobvyklé vlastnosti popisované kvantovou fyzikou Přiblížení pomocí analogie – tato zjednodušení je třeba je brát velmi opatrně Věda hledá popis reálného světa Pravdivost různých interpretací lze řešit jen experimentálním pozorováním Každá vědecká teorie i hypotéza musí být falzifikovatelná - testovatelná „ Jediné, co mě zajímá, je najít soubor pravidel, která by souhlasila s chováním přírody, a nezkoušet jít příliš daleko za to. Zjistil jsem, že většina filozofických diskusí je psychologicky užitečná, ale nakonec, když se podíváte zpátky do historie, zjistíte, že to, co bylo kdysi řečeno s takovou pádností, je téměř vždy -- do jisté míry -- nesmyslné! “ R. Feynman v rozhovoru v knize P. Daviese a J. Browna „Superstrings: A Theory of Everything? “ Nalezené zákonitosti umožňují dělat testovatelné předpovědi Úplné pochopení teorie ↔ úplné osvojení fyzikálního i matema- tického aparátu -> spočtení předpovídaných fyzikálních veličin Richard Feynman Karl Popper v Praze v r. 1994 Použití pojmů z makrosvěta na vlastnosti mikrosvěta ↔ pozor opatrně při interpretaci

4. Složení hmoty Hmota je složena z částic - mezi nimi působí interakce Důležité nástroje pro popis mikrosvěta: 1) Speciální teorie relativity - rychlosti blízké rychlosti světla, kinetická energie srovnatelná s klidovou 2) Kvantová fyzika - velmi malé hodnoty veličin  kvantový a pravděpodobnostní charakter, Heisenberg ů v princip neurčitosti Atomová fyzika, fyzikální chemie Jaderná fyzika Fyzika elementárních částic Superstrunové teorie? (rozměr 10 -35 m)? Hustota vody 10 3 kg/m 3 Hustota jádra ~10 18 kg/m 3 R ATOM /R J ÁDRO ~ 10 5 -> V ATOM /V J ÁDRO ~ 10 15

5. Počátek – objev radioaktivity Objev radioaktivity Henri Becquerelem počátkem roku 1896 . Horké téma té doby byl objev rentgenového záření Wilhemem Röntgenem v listopadu 1895 na univerzitě ve Würzburgu. H. Becquerel zkoumal luminiscenci solí uranu. Nové pronikavé záření podobné rentgenovému. – Nezávisí na osvícení. Vlastnost všech látek s uranem i bez luminiscence. -> -> Radioaktivita je nová vlastnost uranu. Podrobné zkoumání radioaktivity M. Curie a P. Curie : radioaktivita je vlastnost tzv. radioaktivních prvků . Kvantitativní měření. Objev radioaktivity thoria , dva nové radioaktivní prvky – rádium a polónium . Existují různé typy radioaktivního záření (různé chování v elektrickém a magnetickém poli, různá míra absorpce v materiálech). W. Röntgen Irene a Frederic Joliot-Curie L. Meitnerová a O. Hahn se podílely na objevu štěpení

6. Radioaktivita -> v ysoká produkce energie – tepla -> posun stáří Země. (bez radioaktivity by Země vychladla z několik desítek milionů let) Biologické účinky radioaktivity Walkhof , Giesel , Becquerel a P. Curie – radioterapie. F. Joliot-Curie , L. Kowarski ( 1939 ) objevují uvolnění dvou neutronů po absorpci neutronu 235 U a jeho štěpení – cesta k řetězové reakci a jejímu využití – jaderný reaktor a bomba. Sopka Rinjani v Indonesii Irene a Marie Curie ve vojenské nemocnici a moderní kobaltová ozařovna v nemocnici v Ostravě

8. http://www.aip.org/history/lawrence/larger-image-page/epa-20.htm Historické stránky Americké fyzikální společnosti (AIP) Potřeba urychlovat částice na vyšší energie – produkce a hledání nových částic Existence kosmického záření – jeho doplnění umělým zdrojem Princip urychlovače typu cyklotron První urychlovač – E.O. Lawrence v roce 1930 typ – cyklotron zdroj částic magnetické pole – kruhová dráha částice elektrické VF pole pro urychlení Nobelova cena za fyziku 1939 nyní více než 10 000 urychlovačů různých typů !!! Potřebujeme urychlovač !!!

9. Původní patentový nákres a model prvního urychlovače (průměr okolo 11 cm, V = 1800 V) Současné urychlovače – obrovské množství různých typů. Od malých produkčních pro medicínu (japonský R = 1 m) až po giganty v CERNu (R = 4 km)

10. Z čeho se urychlovač skládá: Iontový zdroj – produkce nabitých částic Elektrostatické nebo proměnné elektrické pole – urychlení částice – urychlovací systém Magnetické pole – určuje dráhu částice, provádí fokusaci svazku – magnetické čočky vedou svazek a snaží se co nejvíce jej zúžit Radiační ochrana – zajištění bezpečnosti pomoci stínění Vakuový systém – částice se při urychlování musí pohybovat ve vysokém vakuu – nutný systém vývěv Zdroj plazmy – elektrický výboj Dipólové magnety LHC Chlazení – supravodivé magnety potřebují heliové teploty Řídící centrum urychlovače LHC Kryogenní systém pro LHC Řídící systém – ovládání, řízení a kontrola práce urychlovače Urychlovací prvky LHC

11. V současnosti se dokončil největší urychlovač na světě

12. 1700 supravodivých magnetů z nich 1232 největších dipolových 200 teplých magnetů Tedy 1700 kryogenních propojení. Tedy 50000 kryogenních svarů 200 000 m 2 vícevrstevné izolace Obvod 27 km – slušná linka metra - čtyři experimenty  čtyři zastávky  čtyři křížení dvojice rour Spouštění magnetu do podzemního tunelu Spojovací část mezi jednotlivými sekcemi 120 tun supravodivého a supratekutého helia

13. LHCb CMS ALICE ATLAS

14. Experimentální pozorování je rozhodujícím kritériem pro uznání platnosti hypotézy a její přeměnu v teorii Větší detaily, energie a teploty, produkce těžších částic Stěžejní nástroj – srážka urychlených částic Nárůst energie -> větší detaily Zatím největší urychlovače E ~ 1 00 GeV -> 10 -18 m Produkce částic s vyšší klidovou energií (hmotností) Energie už přímo makroskopické – pád 0,02 g z výšky 1 m  srážka dvou menších much nebo větších komárů Klidová hmotnost protonu: ~ 1 GeV /c 2 LHC – srážka protonů s energiemi 7000 GeV Jádra olova (208 nukleonů) na každý 2700 GeV  1 123 200 GeV = 1,8 ∙10 -4 J Hmotnost 1 g se stejnou rychlostí  5  10 17 J (10 000 hirošimských bomb) Stejná energie Rozdíl rozměrů 10 14 V současné době se připravují ke startu 1 eV = 1,602 ∙10 -19 J

15. Budovaný urychlovač LHC Proč: Studium hmoty existující ve vesmíru Pochopení vlastností sil, které v přírodě působí Dosažená teplota: ~ 2,1×10 12 K Dosažená hustota: ~ 4 ρ 0 = 10 18 kg/m 3 Jak: Urychlovač – produkce husté a horké hmoty (možnost prokázal urychlovač BEVALAC) Experimentální zařízení – studium této hmoty Soustava s neutronovou hvěz- dou v představách malíře RHIC a LHC jsou kuchyně pro vaření velmi horké polévky 80. léta – začátek studia horké a husté jaderné hmoty Začátek 21. století – studium extrémně horké hmoty Jak získat nejhustší a nejteplejší hmotu v laboratoři

17. Jeden z posledních snímků ALICE před letošním uzavřením jeskyně (nejmladší „fyzik“ na obrázku pochází z české ALICE komunity) !!! Velký experiment – potřeba hodně lidí !!!

18. Účast našich studentů na instalaci křemíkových driftových detektorů a jejich elektroniky Čekání na ALICI – čekají i čeští fyzikové

19. Standardní model Hmota je tvořena částicemi (fermiony s=1/2), mezi kterými působí interakce, které jsou zprostředkovány výměnou částic (bosony s=celé číslo) Tři druhy interakcí: 1) Silná - kvantová chromodynamika (působí pouze na kvarky a z nich složené hadrony – baryony a mezony) 2) Elektromagnetická - kvantová elektrodynamika 3) Slabá - elektroslabá teorie + antičástice Gravitace stojí mimo standardní model – je velmi slabá a v mikrosvětě se neprojevuje tvoří běžnou hmota za normálních podmínek výměnný charakter interakcí baryony – tři kvarky mezo ny – kvark a antikvark elektrický náboj barevný náboj

20. Jak vidět kvarky? 1) Lze pomocí nich vysvětlit všechny pozorované hadrony (jejich hmotnosti a další vlastnosti: 3) Rozptyl elektronů (50. léta) – rozložení náboje a magnetického momentu -> hadrony nejsou bodové 4) Hluboce nepružný rozptyl (70. léta) – produkce výtrysků -> důkaz existence partonů, které lze spojit s kvarky a gluony (případy s třemi výtrysky prokazují existenci gluonů) Kvarky nelze z hadronů uvolnit – lze je však pozorovat uvnitř nich Problémy – komplikovaná struktura silné interakce, interpretace měření je závislá na teorii

21. Odkud pochází hmotnost částic – může za to Higgs !!! Generace hmotnosti Peter Higgs před detektorem CMS Stav s vyšší energií – symetrie existuje Vakuum (stav s nižší energií) – symetrie je narušena Higgsův mechanismus – předpověď existence Higgsovi částice Yoichiro Nambu Nobelova cena 2008 ! Nobelova cena …. ?

22. Proč vzniklo ve vesmíru více hmoty než antihmoty? Přebytek hmoty nad antihmotou = baryonová asymetrie = poměr mezi počtem baryonů a fotonů reliktového záření (předpoklad: reliktní fotony vznikly při anihilaci) n b /n γ = 10 -9 . Důležité zkoumání základních symetrií P – symetrie -> šup za zrcadlo – asymetrie při výletu elektronu během rozpadu beta neutrina jen levotočivá C – symetrie -> zaměnit částice za antičástice – většina asymetrií se kompenzuje T – symetrie -> obrátit tok času Pochopení zmíněných symetrií a jejich narušení klíčové pro pochopení rozdílu mezi hmotou a antihmotou (Tři podmínky A. Sacharova) Nutné pro pochopení vzniku našeho světa (hvězd, planet i lidí)

23. Pozorováno v rozpadu K 0 mezonů Evidence narušení CP symetrie: Liší se pouze podivností – podivnost se ve slabých interakcích nezachovává -> oscilace mezi stavy K 0 a anti-K 0 . Podle rozpadu dostaneme pro systém K 0 , anti-K 0 : Ještě větší efekt nastane pro B 0 a anti-B 0 mezony a některé jiné rozpady spojené s B mezony Složka K 0 L -> π + π + π 0 (τ = 5.17∙10 -8 s, CP = -1) K 0 S -> π + π (τ = 0 .89∙10 -10 s, CP = 1) Slabá příměs rozpadu K 0 L -> π + π, který nezachovává CP symetrii Makoto Kobajaši Tošihide Maskawa Vysvětlení narušení Nobelova cena 2008 Jak poznáte mimiozemšťana z antihmoty?

24. Vyřeší jak vznikl přebytek hmoty nad antihmotou? Experiment LHCb na největším urychlovači čeká na své B mezony

26. Ústav jaderné fyziky AVČR

27. Nový tandetrom v ÚJF AVČR