Urychlovače částic
principy standardních urychlovačů částic
Základní info
technické zařízení, které dodává kinetickou energii částicím, které je potřeba urychlit
nabité částice jsou v urychlovači urychleny rozdílem potenciálů elektrického pole
urychlovače slouží k výzkumu elementárních částic
při čelních srážkách se částice rozptýlí produkty srážky při dostatečné energii
detektor ionizujícího záření fce záznamu průběhu srážky
Z čeho se urychlovač skládá Iontový zdroj – produkce nabitých částic Elektrostatické nebo proměnné elektrické pole – urychlení částice – urychlovací systém Magnetické pole – určuje dráhu částice, provádí fokusaci svazku – magnetické čočky vedou svazek a snaží se co nejvíce jej zúžit Vakuový systém – částice se při urychlování musí pohybovat ve vysokém vakuu – nutný systém vývěv Chlazení – supravodivé magnety potřebují heliové teploty Radiační ochrana – zajištění bezpečnosti pomoci stínění
Zdroj plazmy – elektrický výboj
Řídící systém – ovládání, řízení a kontrola práce urychlovače
Kryogenní systém pro LHC
Řídící centrum urychlovačů v CERNu
Vedení svazku magnetickými čočkami
Druhy urychlovačů
Existují dva základní typy urychlovačů:
Lineární urychlovač
Kruhový urychlovač
Lineární urychlovače
k urychlení využívá pouze elektrického pole
toto pole může být statické, nebo se může měnit
+ relativně jednoduchá konstrukce, není potřeba stáčení dráhy
- velké rozměry, potřeba vysokého napětí
Letecký záběr Stanfordského lineárního urychlovače SLAC.
Kruhové urychlovače + lze opakovaně částice urychlovat mezi elektrodami s menším urychlovacím napětím, obecně lze dospět k lepším výsledkům než u lineárního urychlovače - je potřeba magnetického pole k zakřivení dráhy částic, částice vyzařují elmag. záření ztráty energie, ta lze snížit zvětšením poloměru zakřivení dráhy
Cyklotron frekvence střídavého napětí konstantní částice se pohybuje po spirálové dráze speciální princip (odlišuje se tedy od synchrotronu, kde frekvence urychlování není stálá a dráha je čistě kruhová) urychlovací komora, elektromagnet a zdroj urychlovacího napětí první kruhový urychlovač (1930) výzkumné účely, příprava radionuklidů, medicína, průmysl a další
Lawrence u cyklotronu
Moderní malý cyklotron První cyklotron
Synchrotron
magnetické a elektrické pole určitým způsobem zesynchronizováno s prolétávajícími částicemi skládá se ze tří částí: 1) lineární urychlovač (LINAC) – urychlení elektronů na stovky MeV, 2) BOOSTER – urychlení na rychlosti blízké c, 3) STORAGE RING – paprsek urychlených částic je „skladován“
Tevatron ve Fermiho národní urychlovačové laboratoři (USA)
Large Hadron Collider
LHC
v kruhovém tunelu o obvodu 27 km, 50-150 m pod zemí, má mírný sklon kvůli ražbě tunelu tunel přechází mezi hranicemi Francie a Švýcarska, na zemském povrchu se nachází některé budovy (kompresory, ventilace, chlazení, ovládací stanice) 20 srážek na každých 200 miliard vystřelených částic, 30 milionů srážek za sekundu svazek má možnost obíhat až 10 hodin, urazí dráhu větší než 10 miliard km nízká teplota elektromagnetů kolem 1.9 K umožňuje supravodivost (za pokojové teploty by prstenec musel mít 120 km a pro dosažení stejných výsledků by spotřeboval 40 krát více energie)
Proč supravodivý synchrotron urychlující protony a jádra? Synchrotron – kruhový urychlovač - urychlování na relativistické hmotnosti, vzrůst hmotnosti vzrůst magnetického pole (zůstává stejný poloměr dráhy a frekvence) Proč supravodivý? – jediná možnost získat tak silné magnetické pole ~ 10 T (mag. pole Země 0,04 mT) Maximum pro „teplé“ magnety ~ 2 T. Nutnost chlazení tekutým heliem. Jeden z největších „teplých“ magnetů (experiment ALICE)
Proč vstřícné svazky? – získaná energie ve srážce ( EKIN = 7 TeV): Pevný terč: 0,118 TeV
Magnet urychlovače LHC
Vstřícné svazky: 14 TeV
Elektrony: výhody: „bodový“ objekt – veškerá energie koncentrována do jedné interakce nevýhody: brzdné záření Protony: výhody – zanedbatelné brzdné záření, možnost srážet těžké ionty nevýhody – proton je složená částice, sráží se jeho jednotlivé komponenty
Větší detaily, energie a teploty, produkce těžších částic Experimentální pozorování je rozhodujícím kritériem pro uznání platnosti hypotézy a její přeměnu v teorii Stěžejní nástroj – srážka urychlených částic Nárůst energie → větší detaily Zatím největší urychlovače před LHC E ~ 100 GeV → 10-18m
Produkce částic s vyšší klidovou energií (hmotností) Klidová hmotnost protonu: ~ 1 GeV LHC – srážka protonů s energiemi 7000 GeV
Jádra olova (208 nukleonů) na každý 2700 GeV 1 123 200 GeV = 1,8∙10-4 J 1 eV = 1,602∙10-19J
Energie už přímo makroskopické – pád 0,02 g z výšky 1 m srážka dvou menších much nebo větších komárů Stejná energie Rozdíl rozměrů 1014
V současné době se připravují ke startu
Hmotnost 1 g se stejnou rychlostí 51017 J (10 000 hirošimských bomb)
LHC – schéma a experimenty • ALICE – olověné ionty pro vytváření kvark-gluonového plazmatu • ATLAS, CMS – pátrání po Higgsově bosonu, extra dimenzích a částicích tvořících temnou hmotu • LHCb – studium nepatrných rozdílů mezi hmotou a antihmotou, proč je vesmír tvořen výhradně z hmoty
částice jsou předurychleny na 0.45 TeV, ve velkém tunelu pak dourychleny až na 7 TeV urychlující elektrické pole vytvářeno ve speciálních dutinách dva paralelní svazky se mohou protnout ve čtyřech místech
• doba života Higssova bosonu velmi krátká, rozpadá se na fotony, W a Z bosony, tauony, kvarky vůně b
