2Outreach – ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος», 08/03/2013 International Masterclasses “Hands on Particle Physics” Εισαγωγή στις Ανιχνευτικές Διατάξεις και την Ανάλυση Δεδομένων Δρ. Κεσίσογλου Στυλιανός Ινστιτούτο Πυρηνικής Φυσικής – ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος»

3Outreach – ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος», 08/03/2013 Το Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Model, SM) Φερμιόνια (ύλη) –Κουάρκς (u, d, c, s, t, b) –Λεπτόνια (ν e, e, ν μ, μ, ν τ,, τ) Μποζόνια (αλληλεπιδράσεις) –Ηλεκτρομαγνητική - φωτόνιο (γ) –Ασθενής - Z,W μποζόνια (Ζ 0, W ± ) –Ισχυρή - γκλουόνια (g) Μποζόνιo Higgs (?) –Θα συμπληρώσει το Κ.Π. –Προσφέρει πιθανή εξήγηση για την μάζα των σωματιδίων Στην παραπάνω εικόνα, κάθε σωμάτιο έχει και το αντίστοιχο αντισωμάτιο του.

4Outreach – ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος», 08/03/2013 Πειραματικές Διατάξεις Στην Σωματιδιακή Φυσική γνώσεις σχετικά με τα στοιχειώδη σωμάτια και τις αλληλεπιδράσεις ανάμεσα τους (και επαλήθευση των θεωρητικών προβλέψεων) συλλέγονται επιταχύνοντας τα και συγκρούοντας τα με άλλα σωμάτια. Εάν η ενέργεια είναι αρκετά υψηλή, συμβαίνουν αλληλεπιδράσεις που παράγουν άλλα σωμάτια. Ανιχνεύοντας αυτά τα προιόντα αποκτούμε βαθύτερη γνώση για την Φυσική. Υπάρχουν δυο ειδών πειραματικές διατάξεις: –Σταθερού Στόχου: Δέσμη σωματίων επιταχύνεται και προσκρούει σε σταθερό στόχο –Συγκρουόμενων Δεσμών: Δύο δέσμες σωματίων επιταχύνονται και οδηγούνται σε μετωπική σύγκρουση

5Outreach – ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος», 08/03/2013 Super Proton Synchrotron (SPS) Τοποθεσία: Καλιφόρνια, Ηνωμένες Πολιτείες Χρονολογία: 1966 – σήμερα Συγκρούσεις: ηλεκτρονίων – ποζιτρονίων Μήκος: 2 miles (3 Km) Carlo Rubbia Simon van der Meer Τοποθεσία: Σύνορα Γαλλίας-Ελβετίας Χρονολογία: 1976 – σήμερα (1979) Συγκρούσεις: πρωτονίων – αντιπρωτονίων Περιφέρεια: 6.9 Km Ανακάλυψη Σωματίων W/Z: 1983 Βραβείο Nobel Φυσικής 1984 "for their decisive contributions to the large project, which led to the discovery of the field particles W and Z, communicators of weak interaction"

6Outreach – ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος», 08/03/2013 Underground Areas 1 and 2 (UA1 and UA2)

7Outreach – ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος», 08/03/2013

8

9 European Organization for Nuclear Research (CERN) LHC Km CMS ATLAS ALICE LHCb SPS Tunnel View Τοποθεσία: Σύνορα Γαλλίας-Ελβετίας Χρονολογία: 1954 – σήμερα Συγκρούσεις: πρωτονίων Περιφέρεια: 27 Km European Organization for Nuclear Research (CERN)

10Outreach – ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος», 08/03/2013 Compact Muon Solenoid (CMS) Τοποθεσία: Cessy, France Κατασκευή: Εργαζόμενοι: 4065 Ινστιντούτα: 179 Χώρες: 41 Κόστος: 500 εκατομύρια CHF Ανιχνευτής Γενικής Χρήσης Μαγν. Πεδίο: 4 Tesla Μήκος: 21 μέτρα Διάμετρος: 15 μέτρα Υψος: 15 μέτρα Βάρος: 14,500 τόνοι

11Outreach – ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος», 08/03/2013 Compact Muon Solenoid (CMS) Ανιχνευτής Γενικής Χρήσης Μαγν. Πεδίο: 4 Tesla Μήκος: 21 μέτρα Διάμετρος: 15 μέτρα Υψος: 15 μέτρα Βάρος: 14,500 τόνοι Τοποθεσία: Cessy, France Κατασκευή: Εργαζόμενοι: 4065 Ινστιντούτα: 179 Χώρες: 41 Κόστος: 500 εκατομύρια CHF

12Outreach – ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος», 08/03/2013 Compact Muon Solenoid (CMS) Ανιχνευτής Γενικής Χρήσης Μαγν. Πεδίο: 4 Tesla Μήκος: 21 μέτρα Διάμετρος: 15 μέτρα Υψος: 15 μέτρα Βάρος: 14,500 τόνοι Τοποθεσία: Cessy, France Κατασκευή: Εργαζόμενοι: 4065 Ινστιντούτα: 179 Χώρες: 41 Κόστος: 500 εκατομύρια CHF

13Outreach – ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος», 08/03/2013 Compact Muon Solenoid (CMS)

14Outreach – ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος», 08/03/2013 Compact Muon Solenoid (CMS)

15Outreach – ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος», 08/03/2013 Compact Muon Solenoid (CMS)

16Outreach – ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος», 08/03/2013 Compact Muon Solenoid (CMS)

17Outreach – ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος», 08/03/2013 Μεθοδολογία Σωματιδιακής Φυσικής (Ι) Θεωρητικός υπολογισμός των όρων που περιγράφουν την φυσική διαδικασία (βάση κάποιου μοντέλου) Δημιουργία γεγονότων που προσομειώνουν τις φυσικές διαδικασίες με την χρήση προγραμμάτων ηλεκτρονικών υπολογιστών –Γεννήτριες Γεγονότων ( Monte Carlo ) –Στόχος η δημιουργία γεγονότων όμοιων με αυτά που παράγει η φύση Υπολογισμός της αλλοίωσης των γεγονότων λόγω της παρουσίας του ανιχνευτή –Προσομείωση Ανιχνευτών Σωματίων ( GEANT ) –Στόχος η δημιουργία γεγονότων όμοιων με τα καταγραφόμενα

18Outreach – ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος», 08/03/2013 Μεθοδολογία Σωματιδιακής Φυσικής (ΙΙ) Εύρεση κατάλληλων χαρακτηριστικών που διαφοροποιούν τα προσομειωμένα γεγονότα μεταξύ τους Βάση των χαρακτηριστικών διαφοροποίησης, διαχωρισμός των ενδιαφερόντων γεγονότων (σήμα) απο τα μη ενδιαφέροντα (υπόβαθρο). Μεγιστοποίηση αναλογίας σήματος / υποβάθρου Εκτίμηση αβεβαιοτήτων για όλα τα παραπάνω Σύγκριση πειραματικών και θεωρητικών αποτελεσμάτων

19Outreach – ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος», 08/03/2013 Μεθοδολογία Σωματιδιακής Φυσικής (ΙΙΙ) «Άμεσα» ανιχνεύσιμα σωμάτια (ηλεκτρόνια, φωτόνια, μιόνια) –Αλληλεπιδρούν με τον όγκο της ανιχνευτικής διάταξης «Έμμεσα» ανιχνεύσιμα σωμάτια (Z, W, νετρίνα) –Δεν αλληλεπιδρούν με τον ανιχνευτή Σύντομου χρόνου ζωής ή μη ανιχνεύσιμα σωμάτια (νετρίνα) Τεχνική της «αναλλοίωτης» μάζας –Ανίχνευση σωματίου απο τα υπολείμματα της διάσπασης του. Τεχνική της «χαμένης» ενέργειας –Ανίχνευση σωματίου απο το ισοζύγιο ενέργειας.

20Outreach – ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος», 08/03/2013 Μέθοδοι Ανάλυσης Δεδομένων (Ι) Θεωρία Πιθανοτήτων –Γνώση των παραμέτρων της θεωρίας Πρόβλεψη των δυνατών πειραματικών αποτελεσμάτων. Θεωρία Στατιστικής –Γνώση των αποτελεσμάτων ενός πειράματος Εξαγωγή πληροφορίας σχετικά με την θεωρία ή/και τις παραμέτρους της. Στατιστική είναι αυτό που χρειαζόμαστε για την ανάλυση των δεδομένων στην Σωματιδιακή Φυσική.  

21Outreach – ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος», 08/03/2013 Μέθοδοι Ανάλυσης Δεδομένων (ΙI) Ας υποθέσουμε οτι σε ένα πείραμα μετράμε Ν γεγονότα σήματος (π.χ - Ζ διασπάσεις) από τα οποία Ν α από αυτά ανήκουν σε ένα είδος α (π.χ - Ζ → e + e - διασπάσεις) Εάν επαναλάβουμε το πείραμα πολλές φορές με τις ίδιες συνθήκες τόσο ο αριθμός Ν όσο και ο Ν α μπορεί να διαφέρει ανά πείραμα (στατιστική διακύμανση) Η διασπορά στους αριθμούς Ν και Ν α σχετίζεται με την αβεβαιότητα (στατιστική) που έχουμε στην μέτρηση αυτών των ποσοτήτων

22Outreach – ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος», 08/03/2013 Μέθοδοι Ανάλυσης Δεδομένων (ΙIΙ) Η διασπορά στους αριθμούς Ν και Ν α περιγράφεται απο την κατανομή Poisson και είναι: Ο λόγος R α =Ν α /Ν μας λέει πόσο συχνά εμφανίζονται γεγονότα του α-είδους Η διασπορά στο λόγο R α περιγράφεται απο μια άλλη μαθηματική κατανομή (Διωνυμική) και ειναι:

23Outreach – ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος», 08/03/2013 Περίληψη Η ανάλυση δεδομένων προϋποθέτει: –Γνώση της Φυσικής Θεωρητικοί Υπολογισμοί Προσομείωση Γεγονότων (Monte Carlo) –Γνώση της ανιχνευτικής διάταξης Προσομείωση ανιχνευτικής διάταξης Αξιόπιστη εκτίμηση των συστηματικών σφαλμάτων –Χρήση μεθόδων Στατιστικής Ανάλυσης Διαχωρισμός ενδιαφερόντων γεγονότων (σήμα) από μη ενδιαφέροντα (υπόβαθρο) Μεγιστοποίηση αναλογίας σήματος / υπόβαθρο Αξιόπιστη εκτίμηση των στατιστικών σφαλμάτων –Σύγκριση πειραματικών και θεωρητικών αποτελεσμάτων

24Outreach – ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος», 08/03/2013 W και Z σωμάτια (μποζόνια) Διαμεσολαβητές Ασθενούς Αλληλεπίδρασης: –Ηλεκτρικά φορτισμένα W + και W - μποζόνια –Ουδέτερο Z μποζόνιο. –Κατέχουν σημαντική μάζα. Η ύπαρξη μάζας στους φορείς περιορίζει την αλληλεπίδραση σε πολύ μικρές αποστάσεις πριν την αποσύνθεση των φορέων –CMS δεν ανιχνεύει τα W και Z μποζόνια άμεσα. Το CMS μπορεί να εντοπίσει άμεσα: –Ηλεκτρόνια και Μιόνια Το CMS μπορεί να εντοπίσει έμμεσα : (μέσω της «χαμένης» ενέργειας) –Νετρίνα

25Outreach – ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος», 08/03/2013 Χαρακτηριστικά υποψήφιων W και Z γεγονότων

26Outreach – ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος», 08/03/2013 Υποψήφια γεγονότα W μποζόνιου

27Outreach – ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος», 08/03/2013 Υποψήφια γεγονότα Z μποζόνιου

28Outreach – ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος», 08/03/2013 Ανάλυση Δεδομένων – Ασκήσεις Διάκριση μεταξύ W, Z και ZZ γεγονότων –Υποψήφια γεγονότα W έχουν μόνο μια ορατή τροχιά (λεπτονίου) –Θα πρέπει να έχουν 20 GeV ή περισσότερο «χαμένης» ενέργειας. Κίτρινο βέλος στο εγκάρσιο επίπεδο. –Υποψήφια γεγονότα Z θα πρέπει να έχουν δύο ορατές τροχιές. (αντιστοιχούν σε ένα ζεύγος λεπτονίου – αντιλεπτονίου) –Θα πρέπει να έχουν ελάχιστη ή καθόλου «χαμένη» ενέργεια. Επιβεβαίωση λεπτονικής καθολικότητας (lepton universality) –Διαχωρισμός γεγονότων μιονίων από γεγονότα ηλεκτρόνιων και μέτρηση τους. Ηλεκτρόνια εμφανίζουν κίτρινες τροχιές στον ανιχνευτή τροχιών. Μιόνια εμφανίζουν κόκκινες τροχιές σε όλο το μήκος του ανιχνευτή. Μιόνια συνοδεύονται συχνά απο «ίχνη» στους θάλαμους μιονίων (κόκκινα κουτιά) και στους θάλαμους ολίσθησης φορτίου (πράσινες γραμμές) εκτός των θερμιδομέτρων.

29Outreach – ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος», 08/03/2013 Ανάλυση Δεδομένων – Ασκήσεις Υπολογισμός του λόγου W + /W - –Υποψήφια γεγονότα W + /W - χαρακτηρίζονται απο τροχιά λεπτονίου που στρέφει προς τα δεξιά/ αριστερά στο μαγνητικό πεδίο όπως φαίνεται στο επίπεδο xy –Οι τροχιές των μιονίων είναι συχνά ευκολότερο να διαβάστουν απ’οτι των ηλεκτρονίων (λόγω μήκους και κυρτότητας). Δημιουργία διαγράμματος της μάζας του Z και του ζεύγους ΖΖ –Υποψήφια γεγονότα Ζ χαρακτηρίζονται απο τροχιές λεπτονίων που στρέφουν αντίθετα στο μαγνητικό πεδίο όπως φαίνεται στο επίπεδο xy. –Οι τροχιές των λεπτονίων έχουν σχετικά μικρή κυρτότητα.

30Outreach – ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος», 08/03/2013 Διαγράμματα μάζας του Ζ

31Outreach – ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος», 08/03/2013