Wprowadzenie do CERN-u

Transkrypt

1 Wprowadzenie do CERN-u 3 wrzesień 2013 Andrzej Skoczeń AGH WFiIS KOiDC, CERN TE-MPE-EP Przy udziale materiałów przygotowanych przez: Piotr Golonka, CERN EN/ICE-SCD Użytkowanie i kopiowanie dozwolone na warunkach licencji CC-BY (Creative Commons Attribution)

2 Czym jest CERN? Największe na świecie laboratorium fizyczne CERN jest międzynarodowym laboratorium, gdzie naukowcy wspólnie poszukują odpowiedzi na fundamentalne pytania dotyczące elementarnych cegiełek materii i natury sił jakimi między sobą oddziałują Dlaczego Wszechświat działa właśnie tak? Z czego jest zbudowany?

3 Co oznacza skrót CERN? CERN: European Organization for Nuclear Research (oryg. fr): Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire Słowo Nuclear (nuklearny, jądrowy) czysto historyczne: W czasie gdy zakładano CERN, wyzwaniem dla fizyków było zrozumienie wnętrza atomu jądra atomowego W niedługim czasie nauka zgłębiła tę tajemnicę i posunęła się dużo głębiej, ku mniejszym składnikom i wyższym koncentracjom energii Często spotykane: "Europejskie laboratorium fizyki cząstek elementarnych" Europejskie laboratorium fizyki wysokich energii

4 Urządzenia CERN-u Aby odpowiadać na takie pytania wysiłek ludzi w CERN-ie zmierza do budowy, utrzymania i operowania unikalnymi urządzeniami badawczymi jakimi są akceleratory cząstek elementarnych: Liniac 2-50 MeV. Proton Synchrotron Booster (PSB) GeV, Proton Synchotron (PS) - 25 GeV, Super Proton Synchotron - Large Hadron Collider (LHC) 4 TeV, Antiproton Decelerator (AD), Online Isotope Mass Separator (ISOLDE), CERN Neutrinos to Gran Sasso (CNGS), Compact Linear Collider (CLIC) testy dla przyszłego projektu ILC, neutron Time-Of-Flight (ntof).

5 Urządzenia CERN-u Akceleratory te dostarczaja rozpędzonych czastek do innych urzadzeń zwanych eksperymentami lub detektorami : ATLAS (LHC) - A Toroidal Large ApparatuS CMS (LHC) - Compact Muon Solenoid LHCb (LHC) - Large Hadron Collider beauty ALICE (LHC) - A Large Ion Collider Experiment TOTEM (LHC) - TOTal Elastic and diffractive cross-section Measurement LHCf (LHC) - Large Hadron Collider forward MOEDAL (LHC) - MOnopole and Exotics Detector At the LHC COMPASS (SPS) - Common Muon and Proton Apparatus for Structure and Spectroscopy NA61/SHINE (SPS) - SPS Heavy Ion and Neutrino Experiment DIRAC (PS) - Dimeson Relativistic Atom Complex CLOUD (PS) - Cosmics Leaving OUtdoor Droplets ACE, (AD) - Antiproton Cell Experiment AEGIS, (AD) - Antihydrogen Experiment: Gravity, Interferometry, Spectroscopy ALPHA, (AD) nastęca eksperymentu ATHENA ASACUSA (AD) - Atomic Spectroscopy And Collisions Using Slow Antiprotons ATRAP (AD) - Antihydrogen TRAP CAST (Słońce)- CERN Axion Solar Telescope AMS (International Space Station) - Alpha Magnetic Spectrometer

6 CNGS

7 Struktura CERN-u Rada Nadzorcza - CERN council najwyższa władza Organizacji Każdy kraj członkowski ma dwóch członków Rady: rządowego i naukowego. Przewodnicząca Rady Nadzorczej CERN prof. Agnieszka Zalewska Dyrektor Generalny DG prof. Rolf Heuer

8 CERN: Organizacja międzynarodowa 20 krajów członkowskich Ponad fizyków z całego świata

9 CERN w liczbach: fizyków ( użytkowników )* 2300 pracowników (staff)* ~1000 stażystów (fellows, associates)* Budżet: 1000 MCHF (2013) Kraje członkowskie: Austria, Belgia, Bułgaria, Czechy, Dania, Finlandia, Francja, Grecja, Hiszpania, Holandia, Niemcy, Norwegia, Polska, Portugalia, Słowacja, Szwecja, Szwajcaria Wielka Brytania, Węgry, Włochy Kandydaci: Rumunia, Serbia, Izrael, Brazylia, Cypr, Rosja,Słowenia,Turcja, Ukraina Obserwatorzy: Indie, Izrael, Japonia, Rosja, USA, Turcja, Ukraina, Komisja Europejska, UNESCO

10 Struktura CERN-u Physics PH Information Technology IT Beams BE generacja wiązki, przyspieszanie, diagnostyka, sterowanie i optymalizacja pracy całego systemu akcelaratorów Technology TE Engineering EN General Infrastructure Services GS. Finance, Procurement and Knowledge Transfer FP Human Resources HR Technologie akceleratorowe: magnesy (nadprzewodzace, normalne, szybkie impulsowe ), ochrona i integracja akceleratorów, zasilanie, chłodzenie, systemy próżniowe, Moja grupa: Machine Protection and Electrical Integrity group (MPE) - Andrzej Siemko, Group leader Electronics for Protection (EP) Reiner Denz

11 CERN: 50 lat historii Ufundowany w 1954 r przez 12 europejskich krajów Cel: odbudowa nauk podstawowych w Europie Zatrzymać drenaż mózgów spowodowany II Wojną Światową Połączyć siły by zbudowac potężniejsze (i droższe) urządzenia badawcze: akceleratory

12 Historia Ernest Lawrence (University of California, Berkeley) pierwszy cyklotron Synchrocyclotron (SC) 600 MeV, pierwszy akcelerator w CERN. Pracował 33 lata Proton Synchrotron (PS) 28GeV 1971 pierwszy zderzacz hadronów o obwodzie 1km - ISR Intersecting Storage Rings (ISR), o energieach wiązek 12 to 31 GeV. W ośmiu punktach zbudowano detektory tunel dla SPS na głębokości 40m, o długości 7 km, ciepłe magnesy 1,3T 1976 pierwsza wiązka w SPS dziś 450 GeV 1981 SPS stał się zderzaczem proton-antyproton 630 GeV 1983 powstały eksperymenty UA1 i UA2, które odkryły bozony W ± and Z 0 pośredniczące w oddziaływaniach słabych budowa tunelu LEP-u era LEP-u: Large Electron-Positron gdy go zamykano dostarczał wiązki leptonów o energii 209 GeV 1995 publikacja koncepcji LHC 1997 projekt deceleratora antyptrotonowego AD 2008 pierwsze wiązki w LHC

13 ISR Detektor R702 6m średnicy Eksperiment na ISR w roku 1970

14 Mapa CERN-u i okolic

15 Mapa CERN-u i okolic

16 CERN: Historia odkryć 1973: Odkrycie prądów nienaładowanych w komorze pęcherzykowej Gargamelle 1983: Odkrycie bozonów W (styczeń) i Z (Maj) w eksperymentach UA1 I UA2; potwierdzenie teorii unifikacji oddziaływań elektrosłabych 1989: Wyznaczenie ilości typów neutrin przy użyciu akceleratora LEP, masowo produkującego bozony Z 1995: Stworzenie atomów anty-wodoru w eksperymencie PS : Odkrycie bezpośredniego łamania symetrii CP w eksperymencie NA48

17 CERN: Laureaci Nagrody Nobla 1984: Carlo Rubbia i Simon van der Meer za prace które doprowadziły do odkrycia bozonów W i Z 1992: Georges Charpak "za pomysł i opracowanie detektorów cząstek, w szczególności MWPC (wielodrutowej komory proporcjonalnej)

18 Konkurenci CERN-u 24 listopad PS osiągnął energią 24 GeV. John Adams referując to dokonanie trzyma pusta już butelkę rosyjskiej wódki. Rosyjski Synchrophasotron w Dubnej pracował wtedy z energią 10 GeV i był największy na świecie. Fermilab zderzacz pp Tevatron osiągnął energię wiązki 1 Tev. Obwód ringu 6km z magnesami nadprzewodzącymi o polu 4,2 T. Aż do roku 2009 był to największy zderzacz hadronowy.

19 Konkurenci CERN-u KEK w Tsukuba i Tokai w Japoni. KEKB zbudowane z dwóch pierścieni: elektronowy 8.0 GeV i pozytonowy 3.5 GeV

20 Jak wytworzyć nowe cząstki? Potrzeba dużej koncentracji energii Przyspiesz normalne cząstki, zderz je ze sobą Ich energia kinetyczna zamieni się w nowe cząstki Im więcej energii w zderzeniu, tym cięższe (i bardzej egzotyczne) cząstki mogą powstać

21 System akceleratorów w CERN: System injekcji cząstek: akcelerator liniowy: PSB PS SPS 0,05 GeV 1,4 GeV 25 GeV 450 GeV CERN posiada system połączonych ze sobą akceleratorów. Mogą one być używane (w tym samym czasie) przez wiele doświadczeń i instalacji

22 CERN: podziemny świat nauki Największy z akceleratorów zainstalowany jest w 27-km tunelu, 100 metrów pod ziemią... Alpy Genewa CERN SPS LHC (wcześniej LEP)

23 LHC: Wielki Zderzacz Hadronów Najpotężniejszy z akceleratorów: Large Hadron Collider Projektowany i budowany ponad 20 lat 27-km pierścień nadprzewodzących magnesów, schłodzonych do -271 C. 70-razy więcej energii niż poprzedni wielki akcelerator w CERN (LEP) Przyspiesza wiązki protonów do 4 TeV (docelowo 7 TeV)

24 Położenie akceleratorów i detektorów PS ATLAS SPS LHC ALICE CMS LHCb 24

25 Konstrukcja LHC Promień okręgu: 2748m 8 sektorów 154 nadprzewodzące magnesy na sektor 13kA prąd elektryczny w magnesach Przyspieszanie CMS Gaszenie Alice LHCb ATLAS

26 Przypomnienie: Cząstka w polu magnetycznym: siła lorentza Siła Pole Prąd r= mv x qb

27 Pole magnetyczne: skąd? Magnesy stałe? Elektromagnesy: solenoid (cewka z prądem)

28 LHC: ile to energii? 7 TeV: energia lecącego komara Komar waży ~ 1 miligram (1/mln kg) LHC Protony są dużo mniejsze! Ważą razy mniej (1.6*10-27 kg), Rozmiar: mm (10-15 m)...ale przyspieszamy wiele naraz! 2808 paczek, protonów każda Całkowita E protonów w 2 wiązkach: 400-t pociąg TGV 150 km/h! LHC

29 Konstrukcja LHC 7 TeV = , J = 11, J 1 μj Wielka jest natomiast gęstość energii

30 Pole magnetyczne: jak duże? Ziemia: mikro-tesla Detektor ATLAS Solenoid: 2 Tesla Toroid (25 m dł, 22m średnicy): 4.1 Tesla Detektor CMS Solenoid (13m dł, 6 m średnicy) : 3.8 Tesla LHC: Magnesy dipolowe: 8.3 Tesla LHC

31 Konstrukcja LHC

32 Konstrukcja LHC

33 Dipol LHC

34 Cewki nadprzewodzące

35 Magnesy LHC Opuszczanie 15-metrowego (35 t) magnesu

36 pod ziemią Magnesy LHC

37 Podstawowe parametry Parametr Energia początkowa (injection) Energia końcowa (collision) Wymiar Energia jednego protonu w wiązce 0,450 7 TeV Liczba protonów w paczce 1, Liczba paczek w wiązce 2808 Energia w wiązce 23,3 362 MJ Maksymalna świetlność cm -2 s -2 (w punktach 1 i 5) Obwód akcelerator 26658,883 m Odległość wiązek 194 mm Liczba głównych dipoli 1232 Czas obiegu akcelerator 88,93 µs Czas między zderzeniami 25 ns

38 Kable nadprzewodzące

41 Wnęka rezonansowa punkt 4 LHC Wnęki rezonansowe w punkcie 4 LHC zasilane prądem o częstotliwości radiowej 400 MHz dostarczanym z wielkich klistronów. Jest jedyne miejsce na obwodzie akceleratora gdzie protony są faktycznie przyspieszane!!!

42 Wnęka przyspieszajaca 42

43 Zasilanie wnęk rezonansowych Klistrony zasilające wnęki rezonansowe prądem o częstotliwości radiowej 400 MHz. Podziemna hala w punkcie 4 LHC.

44 Gaszenie wiązki w punkcie 6 Ściana, na której gasi się wiązkę LHC Boczny tunel do którego skierowuje się wiązkę przy wyłączaniu LHC

45 LHC: ile to energii? 7 TeV: energia lecącego komara Komar waży ~ 1 miligram (1/mln kg) LHC Protony są dużo mniejsze! Ważą razy mniej (1.6*10-27 kg), Rozmiar: mm (10-15 m)...ale przyspieszamy wiele naraz! 2808 paczek, protonów każda Całkowita E protonów w 2 wiązkach: 400-t pociąg TGV 150 km/h! LHC

46 LHC: Ile... Ile potrzebuje energii CERN: 1 TWh/rok Średnio: 1/5 zużycia kantonu Genewa Gdy maszyny pracują: 1/3 zużycia 40-45%: LHC 12-14% kriogenika, 7-9% chłodzenie, wentylacja 10-12%: eksperymenty na LHC 28-32%: akcelerator SPS 2-3%: pozostałe akceleartory (LINAC, Booster) 5-6%: centrum komputerowe 7-9%: biura, restauracje, itp

47 LHC: Ile... LHC: Ile kosztował... LHC (akcelerator): 4.6 mld CHF CERN: wkład w detektory: 1.09 mld CHF LHC injector upgrade: 0.16 mld CHF Komputery dla LHC (wkład CERN): 0.18 mld CHF W SUMIE: 6.03 mld CHF

48 Jak badać egzotyczne cząstki? Egzotyczne cząstki żyją krótko i rozpadają się w fajerwerk złożony z setek zwykłych wtórnych cząstek Fizycy używają detektorów cząstek by obserwować i rejestrować wynik zderzenia, a następnie rozwiązać układankę złożoną z setek śladów sfotografowanych cząstek

49 Detektory cząstek Detektory (i Szrek) są jak cebula: mają warstwy Każda z wartsw służy rejestracji specyficznego typu cząstek, lub specyficznych własności

50 Konstrukcja detektorów Współczesne detektory cząstek elementarnych składają się z wielu elementów, które rejestrują większość produktów zderzenia (oddziaływania). Cząstki oddziałują w różny sposób z poszczególnymi częściami detektorów.

51 Detektory cząstek... i magnesy Detektory posiadają silne magnesy, by zakrzywiać tory (naładowanych elektrycznie ) cząstek które rejestrują. Dzięki temu można te cząstki zidentyfikować.

52 Magnesy... W polu magnetycznym cząstki naładowane elektrycznie poruszają się po zakrzywionych torach!

53 4 wielkie detektory na LHC ALICE ATLAS CMS LHCb

54 ATLAS: A Toroidal Large ApparatuS - 22 metry wysokości - 44 metry długości - waga: 7,000 ton - 34 kraje instytutów naukowców

55 ATLAS Detektory mionowe Kalorymetr elektromagnetyczny Kalorymetr przedni Wieczka toroidu Nadprzewodzący magnes toroidalny Detektory wewnętrzny Kalorymetr hadronowy Osłony

56 Kalorymetria Jest bezwzględną metodą pomiaru całkowitej energii pochłoniętej: Kalorymetria hadronowa, Kalorymetria elektromagnetyczna Kaskada elektromagnetyczna

57 Kalorymetria Kaskada hadronowa Kaskada hadronowa rozwija się w wyniku oddziaływań neutralnych i naładowanych hadronów w materiale krok kaskady hadronowej: zderzenie hadron jądro, produkcja wielu cząstek Każda z wyprodukowanych cząstek oddziaływuje z następnymi jądrami Kaskada wygasa gdy średnia energia produkowanych cząstek spada poniżej progu na oddziaływanie nieelastyczne Cząstki elektromagnetyczne produkowane w kaskadzie hadronowej rozwijają niezależną kaskadę elektromagnetyczną

58 Typy kalorymetrów Kalorymetry jednorodne: detektor = absorber Szkło ołowiowe, kryształy np.. Kwarc, BGO, Dobra zdolność rozdzielcza (energetyczna) Ograniczona zdolność obserwacji podłużnego rozwoju kaskady (identyfikacja kaskad) Tylko kalorymetria elektromagnetyczna Kalorymetry próbkujące Detektor przekładany absorberem tylko część energii rejestrowana ograniczona zdolność rozdzielcza W zamian : możliwość rejestracji rozwoju kaskady w trzech wymiarach (trówymiarowa zdolność rozdzielcza (cele kalorymetru) Kalorymetria elektromagnetyczna i hadronowa

59 ATLAS Kalorymetr Elektromagnetyczny Ołowiane i stalowe elektrody o strukturze akordeonu zanurzone są w ciekłym argonie Część centralna: 32 moduły korki : po 8 modułów

60 ATLAS ECAL: wyzwanie dla inżynierów

61 Niesamowity Rok 2012

62 Jak odkryć nową cząstkę Cząstki Higgsa (?) o masie ~125 GeV Tło od innych rozpadów dających 4 miony Masa inwariantna 4 leptonów [GeV] m 2 =E 2 -p 2 (w jednostkach gdzie c=1)

63 LHC i detektory w akcji:

64 Technical Stop Prace konsolidacyjne konieczne by LHC pracował przy energii 14 TeV

65 Innowacje technologiczne i zastosowania Budując akceleratory przy użyciu najnowszych technologii, (i tworząc nowe) CERN wnosi wkład w rozwój różnorodnych dziedzin takich jak informatyka czy... medycyna. Dbamy o to by te nowe technologie mogły znależć zastosowanie w dziedzinach związanych z życiem codziennym każdego z nas...

66 Zastosowania: MWPC Pomysł Wielodrutowej Komory Proporcjonalnej (detektora MWPC) zaproponowana przez G. Charpaka, i nagrodzony Nagrodą Nobla, znalazł zastosowanie przy nieinwazyjnych kontrolach towarów na granicach

67 Zastosowania Medycyna korzysta z wielu CERNowskich technologii: w diagnostyce i w terapii... Acceleratory używane do radioterapii i produkcji leczniczych radioizotopów Od blisko 40 lat naukowcy z CERN wnoszą wkład w rozwój nauk związanych z medycyną Kryształy używane w urządzeniach diagnostycznych (skanery PET)

68 CERN: tu stworzono World Wide Web ma swoje źródła w projekcie CERN o kryptonimie ENQUIRE, zapoczątkowanym w 1989 roku przez Tim'a Berners-Lee i Roberta Cailliau Pierwszy portal WWW postał w 1991 roku. 30 kwietnia 1993, CERN zadeklarował iż World Wide Web będzie otwartą, ogólnodostępną technologią.

69 Router Cisco Systems w CERN: jeden z pierwszych routerów IP uruchomionych w Europie CERN: Internetowe skrzyżowanie Europy Pionierskie zastosowania technologii internetowych w Europie Początki w latach 1980-tych Pierwsza europejska sieć szkieletowa i pierwsze połączenie T1 z siecią NSF w 1989/1990 CERN Internet Exchange Point

70 Od WWW do GRIDu World Wide Web wynaleziono by ułatwić fizykom komunikowanie się. Obecne CERN pracuje nad stworzeniem największego na świecie projektu Sieci Obliczeniowej GRID, mogącej dostarczyć potężnej mocy obliczeniowej potrzebnej fizykom do analizy danych z LHC. GRID zapewni swym użytkownikom łatwy dostęp do połączonej mocy obliczeniowej tysięcy komputerów na całym świecie.

71 GRID Setki tysięcy komputerów udostępnionych przez ośrodki komputerowe tworzące WLCG (Worldwide LHC Computing Grid) umożliwi przetwarzanie (i zapis!) 14 PB (petabajtów) danych rocznie, produkowanych przez eksperymenty na LHC. By zapisać te dane na płytach CD potrzebowalibyśmy ich stosu o wysokości 20-km!

72 Grid w poszukiwaniu nowych leków Kwiecień 2006: poszukiwania możliwych komponentów leku na ptasią grypę, przy użyciu EGEE Grid: 2000 komputerów w Europie I Azji 4 tygodnie 300,000 sprawdzonych komponentów Użyta moc przetwarzania odpowiada 100 latom dla pojedynczego komputera! Październik 2006-Styczeń 2007: poszukiwania składników leku na malarię przy użyciu EGEE Grid (projekt WISDOM): składników/h 140 mln w sumie komputerów lat dla pojedynczego komputera

73 Grid: planowanie operacji chirurgicznych

74 Grid i klimatologia Komputerowa symulacja temperatury na Ziemi na następne 100 lat... Parallel climate model Komputerowy model temperatury powierzchni oceanu: badania cyklu wodnego w zachodniej Afryce (afrykański monsun)

75 Edukacja

76 Podsumowanie CERN: międzynarodowe laboratorium fizyczne: - Fizycy z całego świata wspólnie poszukują odpowiedzi na fundamentalne pytania dotyczące Wszechświata - Używając akceleratorów przyspieszają i zderzają ze sobą cząstki takie jak protony i elektrony; w tych zderzeniach powstają nowe, egzotyczne cząstki (E=mc 2 ) - Największy akcelerator, LHC, pracuje w 27-km tunelu, 100 metrów pod ziemią; magnesy - Używają olbrzymich detektorów cząstek by obserwować nowe cząstki; potrzebują bardzo wiele mocy obliczeniowej (komputerów) by zapisywać i przetwarzać dane produkowane w detektorach - Różnorakie zastosowania wypracowanych technologii zmieniają naszą codzienność WWW, Grid, skanery medyczne - Zadaniem CERNu jest też edukacja

77 Dziękuję za uwagę