Tip:
Highlight text to annotate it
X
Vă voi spune despre descoperirea în sine,
dar trebuie să vă spun multe altele înainte
și trebuie să rezum într-un timp foarte scurt.
Vom trece în revistă toată teoria câmpurilor cuantice,
toată fizica particulelor, în 18 minute.
(Râsete) Nu-i puțin – va fi bine.
La sfârșit vom da un examen.
Deci, iată experimentul nostru, experimentul CMS.
Am numit discursul
„În căutarea codului genetic al universului nostru”.
Ceea ce facem noi în fizica particulelor, într-un fel e analog cu asta
și sper să vă demonstrez de ce.
*** am spus, e teoria câmpurilor cuantice,
câmpul lui Higgs, mecanismele Higgs,
așa că putem ajunge la ceva foarte obscur, foarte repede,
dar voi încerca cu ajutorul multor imagini și a unor analogii foarte simple,
precum și printr-o sper drăguță conceptualizare a unora dintre aceste lucruri,
să vă dau o idee a ceea ce facem, de ce o facem și *** funcționează,
de ce e interesant ce facem, sperând că veți rămâne cu ceva.
Titlul e chiar un pic pretențios, aș zice,
dar asta depinde și de perspectivă.
Am întrebat o prietenă fizician ce studiază teoria corzilor
dacă ar fi interesată de ce am putea afla cu LHC.
Mi-a răspuns: „Nu prea”.
„De ce nu?”, am întrebat-o și mi-a zis: „Pentru că se referă doar la universul nostru
și știi...”
Deci, într-un fel, va fi un discurs foarte modest,
voi vorbi doar de universul nostru aici, OK.
Vă dau câteva date de referință.
Există acum ceea ce se numește Model Standard de fizică a particulelor
și ne-au trebuit cam 100 de ani pentru a-l încropi,
au trebuit formulate multe teorii
și descoperite o mulțime de particule subatomice.
Și e ceva de genul unui nou sistem periodic al elementelor,
al particulelor elementare.
Arată așa.
Un faimos laureat al premiului Nobel
a derulat odată acest diapozitiv și la un moment dat,
după decenii și miliarde de dolari de cercetare, a zis:
„E tot ce știm”.
Dar într-un fel asta e bine, asta vrem,
să găsim o explicație foarte simplă a Universului.
Am descoperit că există trei moduri de formare
a acestor tipuri de particule, a quarcilor și leptonilor;
există fermioni care au un spin pe jumătate,
nu trebuie să vă bateți capul cu asta.
Aceste particule formează de fapt structurile,
atomii și celelalte.
Există apoi particule purtătoare de forță,
în mod simplist, un fel de lipici pentru celelalte particule,
și mai există un component-cheie pe care nu l-am găsit.
Să vă mai arăt o dată –
e una din marile realizări ale științei secolului XX.
Sunt aceleași particule,
dar vedeți că masele lor sunt foarte diferite,
cu o diferență mare între cea mai ușoară și cea mai grea,
poate de ordinul unui milion de ori.
De fapt vedem doar aceste particule,
ce formează de exemplu protonii și atomii.
Dar toate celelalte, deși nu le putem vedea,
sunt esențiale în structura Universului
și manifestarea tuturor fenomenelor, de aceea facem ce facem și accentuez asta.
Există un element lipsă, particula Higgs,
mai exact lipsea.
Aici vedeți masele quarcilor, ce variază de la foarte mici la foarte mari
și nu știm de ce.
E unul dintre lucrurile pe care am dori să le înțelegem.
OK, deci ce e particula lui Higgs?
În timp ce elaboram
teoria modernă a forțelor fundamentale
în aceste direcții, ne-am lovit de ceva neașteptat.
Particulele purtătoare de forță
ar trebui să fie fără masă, știm asta din ecuațiile noastre,
dar datele păreau să indice altceva.
De fapt nu înțelegeam de ce unele particule au masă
sau ce este masa, de fapt.
Particulele fără masă se deplasează cu viteza luminii.
Și teoreticienii au venit cu o idee ingenioasă:
presupunem că există un câmp de forțe care umple universul,
care încetinește cumva particulele la viteze sub viteza luminii.
Care le dă, de fapt, masă.
Așadar, așa *** a zis predecesorul meu, există ceva de genul acesta.
Există acest câmp ce umple Universul
și, pe măsură ce-l străbat, particulele cumva se prind în el.
Unele mai mult decât altele.
Și astfel devin purtătoare de masă, în principiu sunt încetinite.
Acesta e câmpul Higgs.
Dar care e diferența între un câmp și o particulă?
Aici devine mai puțin intuitiv
și e greu de înțeles fără a studia teoria câmpurilor cuantice.
Câmpurile au asociate particule;
le numim cuante de câmp, din mecanica cuantică,
și ele poartă forța acelui câmp.
Particulele interacționează prin schimburi între acești purtători de forță.
Aici, de exemplu, vă dau un singur caz
în care avem electroni
care se resping schimbând un foton.
Astfel funcționează aceste forțe.
Există și alte căi, alte procese mult mai complexe,
devenind neintuitive, dar am merge prea departe.
Am menționat teoria câmpurilor cuantice.
Ideea de bază e că energia și masa sunt echivalente.
Așa că și în teoria câmpurilor cuantice se pot întâmpla lucruri ciudate.
Puteți obține o particulă și o antiparticulă
ce se nasc din spațiu gol.
Ceva de genul
aveți 2 quarci superiori și ei pot să dispară.
Se numește fluctuație cuantică, iar acestea sunt particule virtuale.
Sună a magie, dar de fapt e esențial
în tot ce înțelegem.
Și are consecințe profunde.
Datorită acestor particule virtuale care sunt peste tot,
reiese că structura universului nostru
pare să depindă de niște particule care nu există în sensul obișnuit al cuvântului.
Unele dintre ele au existat în trecut,
când universul era mult mai fierbinte și mai tânăr.
De asta facem ce facem, încercăm să găsim aceste particule
pentru a înțelege *** ne definesc ele universul.
Aici de pildă se vede un eveniment,
primii quarci top văzuți vreodată,
în anii '90, la Fermilab.
De ce suntem atât de siguri de existența acestor particule Higgs?
Pentru că teoria are consecințe predictibile.
De pildă, prezice particulele W și Z,
acești purtători ai forței weak,
particulele W și Z.
W ar trebui să aibă o masă de circa 80 GeV.
Voi reveni la asta într-o clipă.
Z ar trebui să aibă o masă de circa 91 GeV,
iar protonul are o masă de 0,9 GeV.
Deci W și Z sunt mult mai grele [energice] decât protonii,
deși sunt mult mai mici.
Când se formează sunt foarte instabile
și se dezintegrează aproape instantaneu.
Înregistrăm urmele elementelor în care se descompun
și energia ce rezultă, în detectoarele noastre,
și le folosim pentru a reconstitui masa particulei inițiale
și multe alte proprietăți ale sale.
Iată, de exemplu, ce presupunem că am vedea
dacă am observa descompunerea particulelor Z în muoni.
Înregistrăm numărul de evenimente la valori diferite ale masei
la care ne așteptăm să apară un maxim.
Așa arată rezonanța unei particule,
cu un maxim la 91,1.
Se observă și un fundal de muoni proveniți din alte dezintegrări decât din Z.
Să vă arăt ce vedem de fapt. Iată !
Punctele negre reprezintă măsurătorile noastre.
Deci particulele Z și W au fost exact precum le-am prezis
și asta ne-a făcut să considerăm foarte serios ideea particulelor Higgs.
Există legături fundamentale între particule
și aici devine treaba interesantă.
Particulele fundamentale interacționează tot timpul între ele
prin interacțiuni de gen realitate virtuală pe care le-am amintit.
Masa particulei W, de pildă, depinde mult de masa
particulei quark top și puțin de masa particulei Higgs.
Printr-un asemenea proces
W se descompune într-un quarc top și un quarc bottom,
aceștia putând fuziona din nou, devenind iar W.
W poate emite un Higgs și apoi reabsorbi devenind iar W.
Astfel de fenomene se întâmplă tot timpul.
Identitatea fiecărei particule elementare
nu e separabilă de ce pot deveni prin dezintegrare.
Așa funcționează universul la nivel fundamental.
*** e posibil? Iată o metodă bună de a vizualiza asta.
Vidul spațiu-timp e un loc foarte interesant.
Imaginați-vă un fel de țesătură invizibilă
ce învăluie toate particulele existente
și codifică modul lor de interacțiune.
În asta constă dimensiunea spațiu-timp.
Nu orice se poate întâmpla în spațiu-timp, doar acest gen de fenomene.
Aceste particule virtuale pândesc
oportunitatea de a interacționa cu particule reale.
Deci dacă e furnizată suficientă energie într-un spațiu foarte mic,
se pot absorbi particule din această țesătură în realitatea noastră.
Și, într-o anumită măsură, exact asta facem.
De fapt, dacă energia e suficient de mare, putem absorbi particule foarte grele,
pe care nu le-am mai văzut niciodată.
Și acestea sunt cheia înțelegerii codului care stă la baza universului nostru.
Dar *** obținem o energie foarte mare într-un spațiu foarte mic?
O facem cu ceea ce numim: „Marele Accelerator de Hadroni” (LHC).
Să vi-l arăt, am o poză drăguță cu el.
În principiu, niște inele magnetice focalizează niște fascicule și le accelerează.
De fiecare dată când fac o tură, le tot accelerăm cu un câmp electric.
Când au suficientă energie, le trecem în inelul mai mare,
le accelerăm la energiii și mai mari
și, în final, le trecem în inelul galben, Marele Accelerator de Hadroni.
Se vede scara, 100 de metri sub pământ.
Ne-a luat mult timp să vopsim acele dungi.
Iată-l din alt unghi,
realizați cât e de mare, se vede alăturat
aeroportul din Geneva. LHC e o instalație imensă.
E imensă fiindcă particulele sunt accelerate
la energii atât de mari încât magneții
sunt limitați în capacitatea de a le ține pe traiectorie.
Deci a trebuit să construim un aparat imens. În el se desfășoară patru experimente.
Despre două vă voi vorbi azi: experimentele mele de la CMS,
de fapt fac și eu parte din echipă, nu sunt ale mele, și ATLAS.
Dar mai sunt și altele, LHCb și ALICE,
foarte specifice, dar nu mă voi ocupa de acestea.
E un pic ca ciocolata elvețiană; vă voi lăsa să vă gândiți o secundă.
Magneții LHC care țin particulele pe traiectorie
înmagazinează o energie uriașă.
Suficientă să topească 12 tone de cupru,
atât e de uriașă energia din acești magneți,
egală cu energia cinetică a unui A380 la 700 de km/h.
Câtă energie e înmagazinată în acele fascicule?
Echivalentul a 90 kg de TNT sau 15 kg de ciocolată.
Pariez că n-ați știut că ciocolata are mai multe calorii decât TNT-ul.
Și acum să vă spun despre experimente.
Experimentele sunt la scară foarte mare
fiindcă izbim acești protoni între ei la energii foarte mari.
Diverse particule apar la energii foarte mari și noi dorim să le măsurăm.
Trebuie să realizăm experimente extrem de mari
pentru a putea curba traiectoriile particulelor în câmpul magnetic
și a le măsura momentul mecanic.
Aici e ATLAS și vă arăt *** arăta pe măsură ce se construia.
Sunt la 30 de etaje sub pământ
și vedeți acolo și un om.
Multă lume e implicată
și vă voi arăta mai multe când voi vorbi de CMS.
ATLAS seamănă cu CSM în sensul că sunt implicate vreo 40 de țări,
sute de instituții și mii de fizicieni.
Acum despre CSM,
a trebuit să-l construim la suprafață și apoi să-l coborâm sub pământ.
Piesa de aici, piesa centrală a experimentului,
are 2000 de tone
și a trebuit coborâtă 30 de etaje cu doar, vedeți aici,
3 inchi (7,6 cm) toleranță; a fost foarte greu.
Aici se vede scara, dacă ne întoarcem la această poză,
se văd magneții, e greu de descris cât de mare e acest gigantic magnet solenoid,
dacă veniți, puteți vedea, e uriaș, cel mai mare magnet construit vreodată.
Pentru a-l construi, am reciclat
caroserii uzate ale armatei ruse
în experimentul nostru.
Aici se vede ce se întâmplă când introducem sistemul central de monitorizare.
OK, asta e poza pe care am arătat-o la început,
făcută când detectorul era gata de a fi închis,
pe aici trece fasciculul.
Acolo sunt dirijați protonii care apoi se izbesc în coliziune
în centrul detectorului care e puțin mai la stânga.
OK, sunt implicate multe persoane,
aici sunt 1/8 din echipa implicată în experimentul CSM.
Așa *** a menționat prezentatorul înaintea mea,
au fost implicați în total vreo 4000.
OK, *** reconstituim ce se întâmplă într-o coliziune?
Acesta e detectorul văzut din spate
și observați mai mulți cilindri.
Dacă vă arăt pe o schiță, veți înțelege.
Toți acești cilindri sunt diferite detectoare
pentru diferite proprietăți ale particulelor când acestea trec prin ele.
Când adunăm informațiile de la toate aceste straturi,
știm dacă ele sunt pioni, muoni, kaoni etc.
Așa analizăm aceste particule.
Izbim cele două fascicule
fiecare având 1380 de mănunchiuri, fiecare mănunchi 160 de miliarde de protoni.
Enorm de mulți, intră în coliziune în 4 locuri diferite
și pe unde trec,
chiar dacă sunt 160 de miliarde în fiecare mănunchi,
doar circa 20-30 de perechi de protoni se ciocnesc.
De obicei se descompun.
Protonul se dezintegrează, quarcii zboară afară
și astfel se formează noi particule, dar nu e prea interesant.
Uneori, însă, devine foarte interesant.
Să vă arăt un simplu eveniment, e primul nostru eveniment din era 2012.
S-a întâmplat cu-adevărat, tot ce vedeți acum e simulare,
veți vedea chiar ce se întâmplă când cele două fascicule se ciocnesc...
Aici sunt 30 de perechi de electroni ce se descompun
și acelea sunt traiectoriile particulelor ce rezultă,
albastrul reprezentând acumulări de energie,
măsurarea energiei fiind parte a experimentului.
OK, suntem gata, dă-i drumul!
Aha, bine, nu văd că am trecut de asta.
Ah, foarte bine. Dacă doi quarci din interior se izbesc foarte tare,
poate rezulta atât de multă energie, încât produce ceva foarte interesant.
De pildă, iată o diagramă a interacțiunii a doi quarci
rezultând în formarea unui gluon foarte energizat care apoi se descompune în quarci top.
Nu ați mai văzut astfel de diagrame,
dar ca să vă arăt masele implicate,
vă spun că e ca și *** am ciocni două mingi se ping-pong
și ar rezulta două bile de popice,
quarcii top fiind cu mult mai grei.
Să vă arăt coliziunea plumb-plumb, e interesant.
Ciocnim 2 atomi de plumb,
adică 400 de protoni și neuroni.
Așa arată.
Adesea comparăm acești detectori cu o cameră foto.
Au circa 80 de milioane de pixeli, dar nu sunt camere obișnuite.
Pot face până la 40 de milioane de poze pe secundă, destul de dificil,
iar pozele sunt tridimensionale, de o precizie extrem de ridicată,
de ordinul unui micron.
Detectoarele sunt de 7.000 și 14.000 de tone fiecare,
deci nu prea sunt portabile.
Una din problemele pe care le avem e că aceste ciocniri sunt foarte frecvente.
Acum sunt vreo 16 milioane pe secundă,
iar ceea ce căutăm noi se întâmplă foarte rar.
Evenimentele Higgs pe care le vânăm sunt 1 la o mie de miliarde.
Deci trebuie să lucrăm în foc continuu,
să colectăm foarte multe ciocniri.
Păstrăm circa 1000 dintre aceste 16 milioane pe secundă,
dar și așa sunt foarte multe date.
De fapt la sfârșitul anului se strâng 22 de peta baiți.
Un petabait cred că e un milion de gigabaiți, corect?
Deci sunt tone de date pe care trebuie să le distribuim în toată lumea,
în esență pentru a fi procesate, fiind foarte multe
pentru a fi ținute într-un singur loc. Deci pleacă în 34 de țări,
fiind implicate vreo 100.000 de calculatoare.
Bine, vă arăt acum, în sfârșit, cercetările pentru Higgs.
Aici e un eveniment Higgs, credem noi,
sau un posibil candidat, și ceea ce vedeți
sunt multe traiectorii de energie joasă. Sunt rămășițele descompunerii protonilor.
Nu sunt prea interesante, dar vedeți cele două benzi roșii?
Sunt de fapt doi fotoni ce rezultă în plus;
au extrem de multă energie.
E un eveniment foarte rar și asta ne interesează pe noi.
Norul de particule Higgs se poate descompune în 2 fotoni și asta ar arăta așa.
Dar sunt multe alte posibilități de a se forma 2 protoni,
așa că se ajunge la niște premise de evenimente,
care sunt foarte fine, ca acesta.
Dar dacă se constată un excedent în oricare punct la o anumită valoare a masei, OK,
acesta indică o posibilă particulă nouă.
De fapt această mică ridicătură e dată doar de câteva sute de evenimente, OK,
e un excedent ce corespunde câtorva sute de evenimente,
la aproximativ 125 GeV. Și câte ciocniri au trebuit să se producă ca să îl găsim?
10 la puterea 15.
Deci a trebuit să meargă mult experimentul
și foarte multă cernere a datelor ca să dăm de tipii ăștia.
Dar această mică ridicătură reprezintă o descoperire majoră.
Aici la ATLAS ne interesează un alt eveniment pe care îl vânăm.
Particulele Higgs se pot descompune și în două particule Z, după *** am spus,
și se pot descompune și în electroni sau în muoni.
Acesta e un eveniment cu 4 electroni.
Se reconstituie particulele Z, apoi ce rezultă din cei doi Z
și se constată, de fapt, multe din lucrurile prevăzute.
Acesta e un program ce citește rezultatele și datele ce se potrivesc cu ce s-a prevăzut,
dar într-un punct datele înregistrate sunt peste așteptări.
Se întâmplă pe la 150, 125 și dacă priviți la CMS
pe scara mărită, se observă deasemenea un excedent la 125.
Aceste mici indicații, de fapt,
ne spun că avem aici ceva nou
și suntem la începutul observărilor.
E ceva foarte nou. Indică o descoperire majoră.
Ambele experimente indică excedente la masa de 125,
pe diferite piste. E ceva ce nu v-am arătat.
După studii sofisticate și verificări detaliate
ce au durat luni și au implicat sute de persoane,
a fost totul pus cap-la-cap și știm că așa ceva nu a mai fost observat.
Totul se potrivește cu comportamentul particulei Higgs prevăzută teoretic
și semnificația statistică e suficientă pentru a declara o descoperire.
Dar e doar începutul.
Aici e coperta publicației
celor două rezultate, ce a ieșit în iulie.
Au trecut 48 de ani – mai am doar 2 diapozitive –
de când a fost lansată ideea Modelului Standard al bosonului Higgs.
A fost nevoie de 20 de ani
pentru a gândi și construi acest accelerator complex și experimentele,
cele mai complexe experimente din istoria fizicii realizate vreodată.
Obținerea datelor a durat trei ani
și a fost nevoie de efortul unei generații întregi,
a sute de fizicieni, ingineri și tehnicieni pentru a se putea ajunge aici.
Ce urmează?
Trebuie să ne dăm seama ce este.
Suntem destul de siguri că e Higgs, aș spune chiar sigur: e Higgs,
dar trebuie să-i studiem proprietățile pentru că există probabilitatea
să nu fie modelul de Higgs standard, simplu.
Caz în care se va produce o revoluție în fizică
ce ne va ajuta să înțelegem multe lucruri.
Și asta ne poate duce pe noi tărâmuri.
Rămneți pe fază.
(Aplauze)