Gyorsítók. Veszprémi Viktor ATOMKI, Debrecen. Supported by NKTH and OTKA (H07-C 74281) augusztus 17 Hungarian Teacher Program, CERN 1

Gyorsítók Veszprémi Viktor ATOMKI, Debrecen

Supported by NKTH and OTKA (H07-C 74281) 2009. augusztus 17

Hungarian Teacher Program, CERN

1

Az anyag felépítése kvark, lepton

Erős, gyenge, elektromágneses

Részecskefizika hadron, mezon

Erős

atommag

• Fizikában visszafelé derítjük fel a szabályokat

Erős maradék, gyenge atom

• Minden szinten újabb kölcsönhatással találkozunk • Minél mélyebbre akarunk látni, annál több energiát kell befektetnünk 2009. augusztus 17


Elektromágneses molekula EM, gravitáció szilárdtest, folyadék 2

Hogyan látunk különböző méreteket?

2009. augusztus 17


3

Tárgyak vizsgálata • Kölcsön kell velük hatnunk: rátekintéssel, tapintással – Pl. világítsuk meg őket:

• A megismerés kezdeti módszere az elektromágneses kölcsönhatás • Látható fény felbontása mikroszkópban ~1 mikron (fény hullámhossza) 2009. augusztus 17


4

Tárgyak mélyebb vizsgálata • A részecskék hullám tulajdonsága, De Broglie - egyenlet:

hc λ= pc

és

ahol hc = 1239 .8

pc ≈ 2 ⋅ KE ⋅ m0 c 2 eV nm

• Tömeggel rendelkező részecskék hullámhossza rövidebb! • Egy 40 keV kinetikus energiájú és 0.511 MeV nyugalmi tömegű elektron De Broglie hullámhossza ~1 nm • Egy elektron-sugáron alapuló mikroszkóp felbontása a hagyományos optikainak 1000-szerese 2009. augusztus 17


5

Az elektronmikroszkóp

Hangyafej, forrás: Wikipedia

Pásztázó mikroszkóp • ~0.5 nm felbontás • ~40 keV kinetikus energia Forrás: Wikipedia

2009. augusztus 17

• Atomok mérete ~0.1 nm Hungarian Teacher Program, CERN

6

„Képalkotás” az atomfizikában • Rutherford kísérlet – az atommag felfedezése

• Alfa részecskékkel (hélium) bombázott arany fóliát

http://sun.menloschool.org/~dspence/chemistry/atomic/

• Ha a fólia homogén lenne, az alfa részecskék csak előre szóródnának • Visszafelé is szóródó részecskéket is mért! 2009. augusztus 17


7

A kísérleti részecskefizika kellékei • Nagyenergiás részecske forrás, letapogató nyaláb

• Vizsgálandó céltárgyak

• Szóródó részecskék mérésére alkalmas „képalkotási” eszközök

2009. augusztus 17


8

A természet sugárzó forrásai • Radioaktív források – Alfa (hélium atom) <5 MeV – Béta (elektron) <3 MeV

• Kozmikus sugárzás – ~90% proton, ~10% alfa részecske – Max. energia 3*1020 eV – A légkör felső részéből müonok

• Hátrányuk – nem jól meghatározott (néha nem elég) energiával – nem a megfelelő helyen jelennek meg – alacsony számban 2009. augusztus 17

Kozmikus sugárzás fluxusa az energia függvényében. Forrás: Wikipedia


9

Megoldás: részecske gyorsítók • Első gyorsító: Lineáris (The Incredible Machine)

• A golyó lendületet nyer a csúszkán • A platók szintet váltanak amíg a golyó rajtuk gurul 2009. augusztus 17


10

Mitől gyorsul a részecske? • Használjuk ki hogy elektromosan töltöttek Lorentz erő:

[

r r r r F (t ) = q E (t ) + v (t ) × B(t )

]

• Elektromos tér (E) gyorsítja a töltött részecskéket • Mágneses tér (B) csak az irányukat változtatja meg • Magasabb plató → magasabb elektromos potenciál

2009. augusztus 17


11

Gyorsító üzemeltetése - játék

2009. augusztus 17


12

Linac (Linear Accelerator)

• Első tervek (1928-ból) szerint drift kamrákból épült fel • A gyorsított ionok még nem relativisztikusak, egyre hosszabb kamrákra van szükség, ahogy az ionok sebessége nő • Az eszköz határát a kamrák mérete és az alkalmazható frekvencia felső határa szabja meg – Hogyan lehetne mégis növelni az energiát? 2009. augusztus 17


13

Mégtöbb gyorsítás ciklotronnal

Csigaalakba feltekert lineáris gyorsító helyet takarít meg 2009. augusztus 17


14

Körpálya mágneses mezővel • Ismét segítségül hívjuk a Lorentz-erőt:

v2 Fr = m , r

FB = qvB

Ebből a sugarat kifejezve v v , mivel ω = , qB r qB A szögsebesség, ω = , konstans 2m r=m

mágneses mező esetén állandó!

• Gyorsítás a két „D” közötti hézagban – Az elektromos tér váltakozásának frekvenciája konstans 2009. augusztus 17


15

A szinkrotron • Ciklotron méretét a „D” mérete korlátozza • Tartsuk a részecskéket egy csőben !

• A részecske energiájával „szinkronban” növekvő mágneses mező a cső mentén és megfelelően modulált elektromos tér 2009. augusztus 17


16

Gyorsítás csőben

2009. augusztus 17


17

Részecske-nyaláb instabilitásai • Több részecskét keringetünk egyszerre – Azonos töltések taszítják egymást – Párhuzamos áramok vonzóak

• Instabil nyaláb, fókuszálni kell. Megoldás: további mágnesek • Az y-ban Fókuszáló mágnes x-ben Defókuszálóként működik, és viszont Bx y z

D 2009. augusztus 17

F

D

F


18

Fókuszálás kvadrupól mágnessel

2009. augusztus 17


19

Részecskegyorsítók kellékei • Töltött részecskék forrása • RF gyorsító üregek • Hangolható terű dipolmágnesek kör alakba rendezve • Fókuszáló kvadrupol mágnesek, terelő lemezek

2009. augusztus 17


20

A világ gyorsítói

2009. augusztus 17


21

A Nagy Hadronütköztető (LHC)

2009. augusztus 17


22

Az LHC gyorsító-komplexuma 450 GeV→ 7 TeV

26 GeV → 450 GeV

1.4 GeV → 26 GeV

50 MeV → 1.4 GeV 2009. augusztus 17


23

Az LHC alagút

• • • •

27 km kerület, 50 – 127 méter mélyen, 3.8 méter átmérőjű alagút Proton (7 TeV) vagy nehézion (2.75 TeV/n) nyalábok 4 perc 20 másodperc töltési idő 20 perc gyorsítás

2009. augusztus 17


24

A mágnesek szerkezete

• • • •

8.4 T mágneses tér, 11700 A árammal Szupravezető mágnesek 1.9 K folyékony héliumban 14.3 méter hosszú, 35 tonna 1232 darab, darabonként félmillió svájci frank

2009. augusztus 17


25

A dipólmágnesek tere

2009. augusztus 17


26

A mágnesek leengedése az alagútba

2009. augusztus 17


27

A mágnesek összeszerelése

2009. augusztus 17


28

Az LHC detektorai

2009. augusztus 17


29

Nyalábok keresztezése

• • • •

Vékony nyalábban, 2808 csomagok sorakozik Csomag: 100.000 millió proton, 16 mikron átmérő, néhány cm hosszú 25 ns időközökben kereszteződnek, átlagban 20 ütközést keltve 800 millió ütközés másodpercenként

2009. augusztus 17


30

Egy „esemény” képe

A tervek szerint idén már látni fogunk ilyet!! 2009. augusztus 17


31

Összefoglalás • A részecskefizika részecskék kis távolságból történő szóródását tanulmányozza, ebből a részecskék közötti kölcsönhatásokra modelleket alkot • Ennek a módszernek jelenleg elengedhetetlen eszközei a gyorsítók • Az LHC, beindulása után, a jelenlegi legnagyobb energián fog ütközéseket produkálni • A létrejött eseményekben új fizikai jelenségek, új részecskék megjelenését várjuk. 2009. augusztus 17


32

Gyorsítók. Veszprémi Viktor ATOMKI, Debrecen. Supported by NKTH and OTKA (H07-C 74281) augusztus 17 Hungarian Teacher Program, CERN 1

Recommend Documents