VYPRACOVALA: MGR. VIERA KOVÁČOVÁ

Stredná odborná škola, Ostrovského 1, Košice

ČO BY SOM MAL VEDIEŤ O CERNE ?

Táto prezentácia vznikla preto, lebo sa chcem podeliť o svoje zážitky z pobytu slovenských a českých učiteľov v CERNe.

Pobyt sa konal v dňoch 1.6. 2013 – 9.6. 2013. Prezentácia je vytvorená hlavne pre žiakov našej školy, aby

pochopili čo je to CERN a prečo je aj pre bežného človeka, nie len pre vedca, či fyzika, dôležitý. Samozrejme budem rada, keď si ju prečítajú aj ostatní.

ČO JE CERN ?

Učiteľ: „Sen každého učiteľa fyziky“

Žiak: „ ??? “

Conseil Européen pour la Recherche

Nucléaire

European Organization for Nuclear Research

Európsky ústav časticovej fyziky

KDE JE CERN?

Vo Švajčiarsku neďaleko Ženevy Blízko francúzskej hranice

CERN ZBLÍZKA

6

• Založený v r.1954 – pôvodne 12 krajín • Československo od r. 1990• Slovensko od r. 1993

2004: 20 členských štátov

CERN – V ZAČIATKOCH

7

36 členských štátov 608 participovaných inštitútovViac než 10 000 užívateľov z celého sveta

CERN - DNES

113 národností 2400 zamestnancov

CIELE CERNU Hľadá odpovede na

fundamentálne otázky o vesmíre – ako vznikol a funguje

Výchova a vzdelávanie vedcov Posúvanie hraníc technológií –

vývoj a prenos Spájanie národov a národností

cez vedu

• Odkiaľ sa berie hmotnosť častíc, prečo je práve taká, akú ju pozorujeme?

• Prečo okolo nás prevláda hmota a nie antihmota?

• Ako vyzerala hmota tesne po Veľkom Tresku?

• Bude sa vesmír naveky rozpínať alebo sa začne zmršťovať?• Má náš priestor viac rozmerov než tri?

ČÍM SA ZAOBERAJÚ FYZICI V CERNE?

10

Časticová fyzika skúma hmotu v jej najmenších rozmeroch

Urýchľovače Mikroskopy

Teleskopyďalekohľady

ČÍM SA ZAOBERAJÚ FYZICI V CERNE?

Grécky filozof Demokritos

460-371 pr.n.l. zaviedol pojem atóm

– najmenšia nedeliteľná častica

ATOMOS = NEDELITEĽNÝ

CESTA DO MIKROSVETA

Tento názor prevládal až do konca 19 storočia.

Koľko to je rokov?

• 1895 – W. Röntgen: paprsky X

• 1896 – H. Becquerel: rádioaktivita uránu

• 1897 – J.J. Thomson: elektróny

• 1898 – M. + P. Curieovi: paprsky (rádium)

W. Röntgen

Marie a Pierre Curie H. Becquerel J.J. Thomson

CESTA DO MIKROSVETA

RUTHERFORDOV EXPERIMENT

ScintilátorOdrazenáα

časticaZlatá fólia

Zdroj α častíc

Rozptýlené α

častice

Comptonov model

jadra

Rutherfordov model

jadra

Ernest Rutherford(1871-1937)

Nobelova cena za chémiu 1908

•Hans Geiger and Ernest Marsden pod vedením E. Rutherforda pozorovali rozptyl α častíc pod veľkým uhlom•Rutherford tento fakt interpretoval tým, že hmotnosť atómu musí byť sústredená v jeho jadre•V experimente bol použitý scintilátor, záblesky boli pozorované pod mikroskopom a registrované ručne

Teória, ktorá objasňuje z čoho pozostáva svet a čo ho drží pokope. Je to jednoduchá a obsažná teória, ktorá opisuje stovky častíc a vysvetľuje ich vzájomné spolupôsobenie (interakciu). Potrebuje k tomu len niekoľko elementárnych častíc:

• 6 kvarkov,• 6 leptónov - najznámejší leptón je elektrón,• Častice prenášajúce silu – nosiče síl, ako

napríklad fotón.Všetky známe materiálne častice sú zložené z kvarkov a leptónov. Vzájomne na seba pôsobia prostredníctvom častíc, ktoré sprostredkúvajú silové pôsobenie.Štandardný model je dobrá teória. Veľký počet experimentov potvrdil predpovede s neuveriteľnou presnosťou a všetky častice, ktoré teóriou boli dodnes predpovedané, boli tiež objavené. A predsa táto teória nedokáže všetko vysvetliť. V štandardnom modeli nie je zahrnutá napríklad gravitácia.

ŠTANDARDNÝ MODEL

Elektromagnetická, slabá a silná sila sú sprostredkovávané výmenou bozónov a sú generované základnými symetriami, ktoré sú vzťahované k zákonom zachovania. Nekonečný dosah elektromagnetickej sily je sprostredkovaný nehmotným fotónom a elektrický náboj sa zachováva. Silnú interakciu medzi kvarkami, ktorá má krátky dosah sprostredkuje nehmotné bezfarebné gluóny, pričom sa zachováva farebný náboj.Pri vysokých energiách sú slabá a elektromagnetická interakcia popisované ako jednotná elektroslabá sila. Ťažké W a Z bozóny sú kompatibilné s povahou slabej interakcie, ktorá ma krátky dosah. Slabý náboj, ktorý je pred nami schovaný, na rozdiel od elektrického náboja, sa nezachováva.Sily sú sprostredkované cez výmenu častíc nazývaných bozóny: fotóny pre elektromagnetickú (EM) silu, W a Z bozóny pre slabú silu a gluóny pre silnú “farebnú” silu.Keďže hmotnosti častíc sú veľmi malé, gravitačná sila je zanedbateľná v porovnaní s ostatnými troma silami. Leptóny sú voľné častice. Môžu byť buď nabité (e-, μ-, τ-), teda cítia obidve sily, elektromagnetickú aj slabú, alebo neutrálne (neutrína: νe, νμ, ντ), ktoré interagujú len slabo.Kvarky sú častice citlivé na všetky tri interakcie. V prírode neexistujú voľné kvarky: Pozorujeme len zložené stavy kvarkov nazývané hadróny, z ktorých najznámejšie sú protón a neutrón.Akékoľvek zavedenie hmotnosti častíc by porušilo elektroslabú symetriu a urobilo by teóriu nepredvítateľnou. Aby sa tomu vyhlo, Higgsov mechanizmus spontánne narúša symetriu postulovaním, že vákum je naplnené novým poľom, ktoré prenáša iba slabý náboj. Častice, ktoré prenášajú slabý náboj (W a Z bozón, kvarky, leptóny a Higgsova častica, H je asociované s Higgsovým poľom) sú spomaľované pri interakcii s Higgsovým poľom a získavajú hmotnosť. Hmotnosť Higgsovho bozónu, mH, nie je predpovedaná Higgsovým mechanizmom, ale desaťročiami precíznych meraní, ktoré obmedzili mH na približne stonásobok hmotnosti protónu.Experimenty ATLAS CMS na urýchľovači LHC pozorovali novú časticu, ktorá je kompatibilná s Higgsovým bozónom.

ŠTANDARDNÝ MODEL

ŠTANDARDNÝ MODEL

Ženeva, 8. október 2013

CERN blahoželá Petrovi Higgsovi a Francoisovi Englertovi k udeleniu Nobelovej ceny za fyziku “za teoretický objav mechanizmu, ktorý prispieva k nášmu porozumeniu pôvodu hmotnosti elementárnych častíc”, a ktorý bol nedávno potvrdený objavom predpovedanej fundamentálnej častice experimentami ATLAS a CMS2 na Veľkom hadrónovom urýchľovači (LHC) v CERNe. ATLAS a CMS oznámili objav 4. 7. 2012. 

HIGGSOV BOZÓN

AKO PREBIEHA DETEKCIA (OBJAVOVANIE) ČASTÍC?

• Pri vyšetrovaní nehody často nemáme očitých svedkov, napriek tomu dokážeme s veľkou dôveryhodnosťou zrekonštruovať čo sa stalo

• Na pomoc si berieme stopy, ktoré vznikli pri nehode:– Brzdné stopy na ceste – Poškodené kríky– Vyvrátené kandelábre– Otery farieb, úlomky skla...

• Podobné techniky sa používajú pri detekcii častíc, všímame si stopy, ktoré zanechali v prostredí po svojom prechode

Pri vyšetrovaní nehody často vidíme len jej dôsledok

Po zhodnotení stôp ...

... a aplikácii fyzikálnych zákonov, poznatkov o stave a vybavení vozidla, stave vozovky...

... dokážeme zistiť príčinu

Detekcia častíc vychádza z podobných

myšlienok

LHCA Large Ion Collider

Experiment

ZÁKLADNÉ ÚDAJE O LHC Obvod: 26 659 m Počet magnetov:

9593 / 1232 Dipólov / 392 quadrupólov

Magnetické pole: 8T Pracovná teplota

magnetov: 1,9K (-271,3C)

Energia urýchlených častíc: 7TeV pre protóny, 1150TeV jadrá

olova (2,7 6TeV/u) Počet zväzkov: 2

Energia každého zväzku ekvivalent energie 400 t vlaku idúceho rýchlosťou 150 km/h

1 TeV ekvivalent energie letiaceho komára

~~~~

1,9K10-14 atm

2,7K10-12 atm

ZÁKLADNÉ ÚDAJE O LHC Počet zhlukov vo zväzku:

2808 Priemer zhluku: 16um Vzdialenosť medzi 2

zhlukmi: 25ns, 7m Počet protónov v zhluku:

1,1x1011

Luminozita: 1034 cm-2s-1

Počet zrážok za sekundu: 600 miliónov

Tlak v trubiciach: 10-14 atm Životnosť zväzku: 10

hodín, teoreticky až 100 hodín 10 milárd kilometrov

Počet obehov za sekundu: 11245

Hmotnosť: 37600 ton Ročná spotreba prúdu: asi

700GWh

Energia každého zväzku ekvivalent energie 400 t vlaku idúceho rýchlosťou 150 km/h

1 TeV ekvivalent energie letiaceho komára~~~~

1,9K10-14 atm

2,7K10-12 atm

SUPRAVODIVÉ MAGNETY LHC Pole v dipóloch 8,3T Prúd v dipóloch 11 700 A Dĺžka 16m Hmotnosť 36 ton Vinutie vytvárané Nb Ti vláknami Úhrnne 270 000 km prameňov

tvorených vláknami s priemerom 7 mikrometrov

Chladiaci systém LHC obsahuje 10 000 ton kvapalného dusíka a 120 ton tekutého héliA

LHC kvadrupól LHC dipól

1. Zdrojom protónov je fľaša vodíka.

2. Atómy vodíka z vodíkovej fľaše – žlté častice

3. Protóny – vznikli odstránením elektrónov z atómov vodíka – fialové častice

LHC – URÝCHĽOVANIE PROTÓNOV1 2

3

LHC – URÝCHĽOVANIE PROTÓNOV

55.PS Booster

4. Protóny lineárne urýchľované - Linac 1

LHC – URÝCHĽOVANIE PROTÓNOV

Stupne urýchľovačov

6. PS

7. SPS

8. LHC

6

7

8

LHC

1. World Wide Web

OBJAVY V CERNE

Bol založený v CERNe aby pomohol časticovým fyzikom z celého sveta

navzájom komunikovať

V r. 1989 Tim Berners-Lee navrhol informačný systém pre

CERN

ČO JE TO WEB ?

Internet + HypertextHypertext - text zobrazovaný na počítači alebo inom elektronickom

zariadení.1991: Prvé www v

Cerne pre potreby výskumu

1993: Prvý prehliadač v Cerne - 500 serverov

The LHC Computing Grid – Marian Babik (orig. by Rafal Otto, GridCafe), CERN

PREČO BOL WEB VYTVORENÝ V CERNE?• Vedci sú závislí od voľného prístupu k informáciám a

vymieňajú si nápady . CERN je spoločenstvo celosvetovej komunity pozostávajúcej z 6500 vedcov v 80 krajinách.

• CERN má dlhú existenciu a prvenstvo vo vedeckých výpočtoch a sieťach

• Počas prípravy projektu LEP potrebovali zdieľať dokumenty v globálnom rozmere

31

2. CERN a výpočtová technika – projekt GRID

OBJAVY V CERNE

Experimenty LHC produkujú enormné množstvo dát a ich spracovanie vyžiada ohromnú výpočtovú techniku.

Každý z experimentov generuje 1miliardu udalostí za sekundu, čo predstavuje prílev dát ekvivalentný 20 simultánnym telefónnym hovorom realizovaným každým človekom tejto planétyPočítačové centrum každý deň pracuje s 1 PB dát – čo je ekvivalent 210 000 DVD - ečiek. Centrum obsahuje 10 000 serverovs. Každú sekundu tam prichádza 6000 informácií.

32

GRID-projekt EÚ

Cieľom projektu GRID je počítačová infraštruktúra, ktorá je schopná poskytnúť intenzívne výpočty a analýzy

Projekt GRID

33

3.Positron-Emission Tomography –Pozitrónová Emisná Tomografia

•Detekuje anomálne zmeny v tkanivách a orgánoch ešte dávno pred objavením serióznych symptómov ochorenia•Rádiofarmaká emitujúce pozitróny sa umiestnia do tela pacienta. Keď dôjde k emisii pozitrónov, rýchlo anihilujú s elektrónmi v pacientovom tele za súčasnej produkcie dvoch fotónov žiarenia, ktoré sú zachytené v detektoroch, čím sa dá určiť, kde k anihilácii došlo. •Na základe obrazu, vytvoreného počítačom, lekár vie, aký orgán je v zobrazovanom mieste v tele pacienta a ako momentálne pracuje.

OBJAVY V CERNE

34

Positron-Emission Tomography

4. EXPERIMENT CLOUDExperiment CLOUD v CERNe vrhá nové svetlo na klimatické zmenyŽeneva, 6 október 2013.V článku publikovanom dnes v časopise Nature (http://dx.doi.org/, DOI number 10.1038/nature12663), CLOUD experiment v CERNe oznamuje veľký krok k vyriešeniu dlhotrvajúceho problému v klimatológii: ako sa formujú aerosoly (maličké pevné alebo tekuté častice vznášajúce sa vo vzduchu) v atmosfére, a ktoré plyny sú za to zodpovedné. Toto je kľúčová otázka pre pochopenie podnebia, pretože aerosoly spôsobujú ochladzovanie tým, že odrážajú slnečné svetlo, a že sa na nich formujú oblačné kvapky.“Vďaka skúsenostiam CERNu s materiálmi, plynovými systémami a ultra-vákuovými systémami,” povedal hovorca CLOUD experimentu Jasper Kirkby, “sme dokázali postaviť detektor s unikátnou čistotou, čo nám umožnilo simulovať atmosféru a zaviesť drobné množstvá rôznych atmosferických pár v starostlivo kontrolovaných podmienkach – v tomto prípade amínov a kyseliny sírovej.”Výsledok CLOUD experimentu je dôležitý pre pochopenie klímy. Nevylučuje však úlohu kozmického žiarenia, ani neponúka rýchle riešenie globálneho otepľovania.

OBJAVY V CERNE

Rozvoj takých technológií ako supravodivosť, kryotechnika, vakuová technika,...Meracia technika, colnice a iné...AntihmotaZubné röntgenyOčné nádory

OBJAVY V CERNE

37

CERN ,VZDELÁVANIE A POPULARIZÁCIA

• Vzdelávanie študentov – letné školy vysokoškolákov

• Vzdelávanie učiteľov High School Teachers programme: 3 týždňový letný

intenzívny program pre učiteľov fyziky National Programmes for Teachers – národný program pre

učiteľov fyziky Trojdňová konferencia pre učiteľov fyziky

• Ďalšie informácie: www.cern.ch

POĎAKOVANIEChcem poďakovať prírodovedeckej fakulte UPJŠ –

oddeleniu didaktiky fyziky, ktoré v spolupráci so sponzormi zorganizovalo prvý Československý pobyt učiteľov v CERNE v dňoch 1.6. -9.6.2013

Osobitná vďaka patrí Doc. RNDr. Zuzane Ješkovej, PhD – hlavnej organizátorke pobytu.

Taktiež ďakujem: Karolovi Šafaříkovi, Mickovi Storrovi, Petrovi Chohulovi, Borisovi Tomášikovi, Jiřímu Grigárovi a ostatným, ktorí sa nám počas pobytu trpezlivo venovali.

ĎAKUJEM ZA POZORNOSŤ