CMS MasterClasses 2017

Właśnie z sukcesem zakończyła się kolejna już edycja warsztatów CMS MasterClasses 2017. Tak się składa, że miałem okazję w nich uczestniczyć. 🙂 Pozwolę sobie pokrótce zdać relację.

Po kolei. Co to jest? CMS MasterClasses to program Międzynarodowych Warsztatów Fizyki Cząstek. W Warszawie była to już 13 edycja, zorganizowana we współpracy z fizykami i doktorantami z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, Narodowego Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) oraz Politechniki Warszawskiej. Fizycy pracujący w eksperymentach przy akceleratorze cząstek LHC (Wielki Zderzacz Hadronów) w CERN (Europejska Organizacja Badań Jądrowych), w ramach warsztatów dzielą się z młodzieżą częścią swojej pracy i doświadczeń.

W ramach tegorocznej edycji wygłoszone zostały 2 wykłady, odbyły się ćwiczenia z analizy danych i wideokonferencja z uczestnikami równolegle prowadzonych warsztatów w kilku europejskich krajach.

Na początku, dr hab. Krzysztof Turzyński wprowadził uczestników w świat fizyki cząstek elementarnych przedstawiając najważniejsze aspekty ujęte w modelu standardowym.
Zgrabnie przeszliśmy od teorii Newtona, przez czasy Maxwella, Becquerela, aż do XX i XXI wieku. Następnie odbyliśmy podróż przez różne skale wielkości, dochodząc do poziomu atomów(0,1 nm) i jąder wraz z budującymi je kwarkami (10-15 m). Poznaliśmy podstawowe cząstki elementarne: 3 pary kwarków, 3 pary leptonów (elektronowe, mionowe, taonowe) i 4 cząstki sił, odpowiedzialne za przenoszenie oddziaływań (bez grawitacji).
Usystematyzowaliśmy te oddziaływania!
Elektromagnetyczne – fotony γ
Silne, trzymające jądro w ryzach – gluony g
Słabe, odpowiedzialne za rozpady – bozony W, Z
Uzasadniliśmy także, dlaczego foton nie może mieć masy. Jeszcze później omówiliśmy budowę jąder protonu i neutronu oraz związane z nimi zjawiska. Zajęliśmy się własnościami cząstek elementarnych, liczbami kwantowymi. Zbliżając się coraz bardziej do głównego tematu, jakim był eksperyment CMS w LHC, dowiedzieliśmy się jak w ogóle działa taki zderzacz hadronów!

Każdy obiekt posiadający masę ma swoją energię spoczynkową, kinetyczną i potencjalną. Chcąc wykryć nowe cząstki elementarne należy się skupić na pierwszych dwóch.

2mXc2 + Ek1 = 2mYc2 + Ek2, X,Y – substrat, produkt

Oto powód, dla którego budujemy takie ogromne maszyny. Dopiero rozpędzając cząstki (nadając im ogromne Ek1) możemy spowodować, że stanie się coś ciekawego w wyniku ich zderzenia.

Co z detekcją? Jak to zjawisko widzi elektronika, która pozwala nam na… cokolwiek? Prześledziliśmy to na przykładzie eksperymentu z rozpadem kaonu.
Kaon rozpada się na 2 piony: π0, π. Następnie π0 → 2γ. Jeśli na drodze fotonów ustawimy np. folię aluminiową, to wybiją one po parze e+, e. Czy detektor widzi całe to zjawisko, krok po kroku? NIE!
„Interesują” go jedynie cząstki obdarzone jakimś ładunkiem (+, -). Otrzymujemy zatem pewien szczątkowy zarys. Badając zarejestrowane dane, możemy pośrednio dojść do wielu wniosków.


Ciekawostki: Jeśli kiedyś pojedziesz do CERN, to pamiętaj iż mimo położenia dosłownie na granicy 2 państw, w restauracjach płacisz frankami szwajcarskimi! 😉

Gdyby protony pędziły w LHC bez przerwy przez 10h, pokonałyby dystans Ziemia – Neptun!


Drugi wykład dr hab. Artura Kalinowskiego dotyczył samego CERNu, metodyki detekcji cząstek i eksperymentów. LHC ma 27 km długości, przy czym znajduje się 100 m pod ziemią! W czterech miejscach umiejscowione są 4 różne eksperymenty: ATLAS, ALICE (badanie ciężkich jonów), CMS, LHCb (asymetria materii i antymaterii). Strumień protonów jest bardzo gęsty: 1011 sztuk.

Następnie omówiliśmy budowę eksperymentu CMS. Rozpędzone protony wlatują i zderzają się w komorze śladowej. Następnie część z pozostałości (oddziałujące elektromagnetycznie) jest zatrzymywana w kalorymetrze elektromagnetycznym. Mierzy on energię cząstki na podstawie energii, która była potrzebna do jej zatrzymania. Dalej mamy kalorymetr hadronowy. Miony zatrzymywane są dopiero w komorach mionowych. Jeszcze dalej znajduje się kriostat nadprzewodzącego magnesu i obszar uziemiający.

To zielone po bokach to szafki z serwerami (w tym polskie) i elektroniką.

W dalszej części wykładu poznaliśmy nasze zadanie. Mieliśmy przeanalizować pakiety prawdziwych danych z CERN na obecność bozonu Higgsa (o którym na pewno będzie osobny artykuł)! Żeby się zbytnio nie rozpisywać, powiem że ogólnie chodzi w tym o sprawdzanie zderzenie po zderzeniu, jaki dokładnie bozon się rozpadł: W+, W, Z czy może H (Higgs). Istotne są również różne rozpady, którym te bozony ulegają. Ponadto należy rozróżnić szum od sygnału. Rozpad jednej cząstki od innej, która się przypadkowo przybłąkała. W przypadku cząstek neutralnych (NP – neutral particles), trzeba też podać tzw. masę niezmienniczą/spoczynkową. Później na podstawie tych wartości stworzyć odpowiedni zestaw danych, który będzie wskazywał na obecność jakiejś cząstki elementarnej.

Na wykresie są to właśnie takie piki, górki. To właśnie mieliśmy uzyskać. Nieskromnie przyznam, że chyba najlepiej poszło naszej warszawskiej grupie! 😀

Opisane wyżej ćwiczenia wykonywaliśmy w 2-osobowych grupkach. Na przykład mi udało się przeanalizować ok. 70 zderzeń. Streszczę to następująco: po tak żmudnej, ale ciekawej pracy zapamiętam rozpady bozonów W, Z, H chyba na całe życie! 🙂 Co ciekawe, w zbiorze danych, które otrzymałem znalazły się 2 bozony Higgsa.

Na sam koniec warsztatów odbyliśmy wideokonferencję z innymi europejskimi grupami, koordynowaną przez naukowców z CERN! Chyba najczęstsze pytanie padające z ich strony brzmiało: „What have you expected?” (w kontekście otrzymanych wyników, np. stosunek elektronów do mionów). Następująca po nim odpowiedź brzmiała mniej więcej: „Eeee….”. 🙂 No, może akurat Warszawa jakoś wybrnęła!

Podsumowując: To było świetne doświadczenie! Szczerze każdemu polecam. Jeśli jesteś chętny, to warsztaty z podobnego eksperymentu ALICE, odbywają się 1 kwietnia. Zdaje się, że zostały jeszcze miejsca!
Kliknij, żeby się zapisać!

Pozdrawiam Cię serdecznie!
Jeśli Ci się spodobało, zostaw komentarz, udostępnij i dołącz do newslettera.

Facebook: https://www.facebook.com/apophisblog/

1 thought on “CMS MasterClasses 2017

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *