Úvod do experimentální fyziky vysokých energií aneb z čeho se skládá hmota, jaké síly ji ovládají a jak probíhá experimentální výzkum J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR kurz na PŘF UP Olomouc Moderní technologie ve studiu aplikované fyziky reg. č.: CZ.1.07/2.2.00/07.0018. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
Téma 4 Urychlovače 1.úvod a trocha historie 2.lineární a kruhové urychlovače, principy urychlování 3.uspořádání: pevný terč vs. vstřícné svazky Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
2
3
Opět trocha historie o
Nejstarší urychlovač – "kapesní" cyklotron (Ernest Lawrence, 1930)
Replika of Lawrenceova cyklotronu v CERNském Microcosmu Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
4
Typy urychlovačů (1) o
Urychlení nabitých částic pomocí elektrického pole
o
Dvě možnosti dělení: lineární × kruhové urychlovače elektronů × těžších částic (protony, ionty, ...)
o
Lineární urychlovače: výhody a nevýhody: jednodušší fokusace, nejsou ztráty brzdným zářením nepotřebuje dipólové magnetické pole částice proběhne jen jednou, urychlovač musí být dostatečně dlouhý příklady: o elektrostatické: van de Graff Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
5
Typy urychlovačů (2) o
vysokofrekvenční: urychlení pomocí dutinových rezonátorů
Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
6
Typy urychlovačů (3) o
Kruhové urychlovače: elektrické pole urychluje, dipólové magnetické drží na kruhové dráze příklady: o cyklotron: konstantní magnetické pole, vysokofrekvenční el.pole mezi elektrodami (tzv. duanty)
Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
7
Typy urychlovačů (4) o betatron:
urychlovací el.pole generováno časově proměnným magnetickým polem B(t) částice drženy na dráze o konstantním poloměru => betatronová podmínka B (t ) = 2 B (t ) 0
Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
8
Typy urychlovačů (5) o
synchrotrony
o
urychlení pomocí dutinových rezonátorů konstantní poloměr dráhy => magn.pole roste s rostoucí energií částice fokusace svazku pomocí vícepólových magnetů (kvadrupóly, oktupóly, ...). Cílem je mít co nejmenší průřez svazku.
výhody a nevýhody kruhových urychlovačů: částice je urychlována postupně během každého oběhu složitější ladění svazku, ztráty energie brzdným zářením (=> nelze urychlit na libovolnou energii)
Důležité parametry urychlovačů: energie svazku luminosita: závisí na průřezu svazku, počtu částic "v balíčcích" a frekvenci srážek Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
9
Univerzita Palackého v Olomouci
Na několika místech jsou částice urychlovány vysokofrekvenčním polem v urychlovacích dutinách.
Kromě „zahýbacích“ magnetů má urychlovač magnety na zaostřování svazku.
K letu po kruhové dráze jsou urychlované částice nuceny magnetickým polem Univerzita Palackého magnetů obklopujících svazkovou trubku. v Olomouci
Uspořádání urychlovačů (1) o Potřebujeme-li urychlit částice na vysokou energii, řeší se to technicky v několika stupních příklad v CERN: LINAC → → PS (Emax = 26 GeV) → → SPS (Emax = 450 GeV, R = 1.1 km) → → LHC (Emax = 7000 GeV, R = 4.3 km) Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
12
Uspořádání urychlovačů (2)
Dříve LEP, od roku 2010 LHC
Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
13
Téma 5 Současné a budoucí experimenty na obřích urychlovačích 1. typické uspořádání experimentu a detektorů 2. Vybrané urychlovače a nejdůležitější výsledky • LEP • Tevatron 3. Největší experimenty dneška (ATLAS@LHC)
Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
14
Schéma urychlovačového experimentu Na místo srážky „dohlíží“ detektor. Některé částice právě prchly z oblasti srážky, další srážka bezprostředně hrozí. Detektor by měl: • zachytit co nejvíce částic • být přesný • být rychlý (a laciný a ...)
Každý elektron má energii 50−100 GeV, Létají ve shlucích s 3×1011 elektrony, tj. každý shluk má energii 3×1011×100×109 eV = = 3×1022 eV = 5 kJ. To je makroskopická energie !!! Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
15
Přehled konstrukce současných detektorů pro urychlovačové experimenty
Nadpis snímku elektron
mion
Magnetické pole zahýbá dráhy částic a pomáhá měřit jejich hybnosti. Hadronový kalorimetr: nabízí svůj materiál pro rozvoj hadronových spršek a měří energii, kterou v něm částice zanechají.
Neutrina utíkají nepozorována.
hadrony
Vnitřní dráhový detektor: Minimum materiálu, jemná segmentace aby bylo možné měřit přesně body na drahách částic.
Elektromagnetický kalorimetr: nabízí materiál pro rozvoj elektromagnetických spršek a měří absorbovanou energii.
Mionový detektor: nepokouší se miony zachytit, ale zaznamenává jejich dráhy.
Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
16
Experiment Všechny detektory obalují trubku se svazky částic a místem srážky:
Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
17
Experimenty na urychlovači LEP (1) o
Na urychlovači LEP (CERN, Ženeva, 1989 – 2000) se měřily srážky elektron-pozitron ve dvou etapách:
LEP-1: 45+45 GeV (celková těžišťová energie 90 GeV, v píku bosonu Z0) LEP-2: zdvojnásobení energie svazků (max. energie dosažená v těžišti až 208 GeV)
e + e − → Z 0 → ... o
Fungovaly zde čtyři velké experimenty (detektory):
ALEPH DELPHI L3 OPAL
Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
18
Experimenty na urychlovači LEP (2)
Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
19
Experimenty na urychlovači LEP (3) LEP přinesl celou řadu velmi přesných měření (hmoty částic, vazbové konstanty atd)
Speciálně určil počet lehkých neutrin: Nν = 3.00 ± 0.08
Z 0 → qq
70%
Z 0 → l +l −
10%
Z 0 → νν
20%
Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
20
Experimenty na urychlovači Tevatron (1) o
o
o
Tevatron (Fermilab, Batavia, USA; pracuje od roku 1987) sráží protony s antiprotony o energiích 1000+1000 GeV Experimenty: CDF D0 Přinesly celou řadu výsledků, např.: měření vazbové konstanty silné interakce testy kvantové chromodynamiky objev top-kvarku (1996) Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
21
Experimenty na urychlovači Tevatron (2) o
Případ produkce páru topantitop:
t + t → W + b + W −b → e +ν + 4 jets e+ chybějící příčná energie ETmiss
Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
22
Experimenty na urychlovači LHC (1) o
o
o
Large Hadron Collider (CERN, Ženeva) sráží protony s protony, energie 3.5+3.5 TeV (později též těžká jádra Pb+Pb na energii 574 + 574 TeV) uvedení do provozu v roce 2010 Experimenty pro pp srážky: ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) CMS (Compact Muon Solenoid) Očekáváme: přesnější měření parametrů Standardního modelu (CP narušení, ...) vyřešení otázky původu hmot, objev Higgsova bosonu ? fyzika za Standardním modelem: o SUSY, objev nových částic ? o vnitřní struktura kvarků ? o více dimenzí ? o ... ?
Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
23
Experimenty na urychlovači LHC (2) experiment ATLAS
22 m 44 m Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
24
Nadpis snímku Text snímku.
Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
