LHC - wielki zderzacz hadronów

Transkrypt

1 LHC - wielki zderzacz hadronów Ewa Rondio zakład VI / CERN na podstawie wykładów dla nauczycieli w CERNie dr A. Siemko

2 Dwa bieguny w badaniu struktury materii Akceleratory Mikroskopy Lunety Optyczne i radioteleskopy

3 Jak poznać lepiej strukturę materii? Dwie drogi do lepszego poznania fundamentalnej struktury materii Wzrost energii Nowe zjawiska (nowa fizyka) są spodziewane gdy użyteczna energia > mc 2 [ 2] Wzrost precyzji Znane zjawiska badane z większa precyzja mogą pokazać niezgodności z istniejącymi teoriami

4 Akcelerator protonów Najważniejsze daty Projektu LHC: 1982 : Pierwsze idee i opracowania 1994 : Zatwierdzenie projektu LHC przez Rade CERN 1996 : Decyzja o rozpoczęciu budowy 2004 : Początek instalacji LHC 2006 : Początek uruchamiania systemów technicznych 2008 : Początek pracy akceleratora z wiązkami protonów 2008 : Niespodziewana awaria 2009 : Ponowne uruchomienie pierwsze zderzenia : praca przy energii 3,5 TeV i eksperymenty fizyczne 2013 : przerwa techniczna : praca trzy pełnej energii 7 TeV Największe i najbardziej złożone urządzenie ( maszyna ) jakie kiedykolwiek zostało zbudowane 2018 : przerwa, instalacja Linika : praca z wiekszą intensywnością skala projektu : 50 lat

5 Kompleks akceleratorów w CERN?? 2004: The 20 member states

6 Kompleks Akceleratorów w CERN Schemat tuneli LHC i SPS A. Siemko

7 CERN najbardziej zaawansowany kompleks akceleratorowy na świecie A. Siemko

8 CERN najbardziej zaawansowany kompleks akceleratorowy na świecie Akcelerator Liniowy (LINAC 2) 1978

9 CERN najbardziej zaawansowany kompleks akceleratorowy na świecie Booster (PSB) 1972 protony są rozpędzane do v=0,87 c

10 CERN najbardziej zaawansowany kompleks akceleratorowy na świecie Synchrotron Protonowy (PS) 1959 na wyjściu z PS v = 0, c

11 CERN najbardziej zaawansowany kompleks akceleratorowy na świecie Supersynchrotron Protonowy (SPS) 1976 po SPS protony mają v= c

12 CERN najbardziej zaawansowany kompleks akceleratorowy na świecie Wielki Zderzacz Hadronow (LHC) 2008 w LHC v=0, c

13 Plany na przyszłość tu mamy zaangażowanie NCBJu

14 Główne parametry LHC Energia nominalna 7 TeV (3,5TeV) Energia początkowa (injection) 450 GeV Obwód pierścienia m Średnica pierścienia ~8.6 km Nominalne pole dipolowe 8.33 Tesla Pierścień podzielony jest na 8 niezależnych sektorów (kriogenika, zasilanie) Sektor składa sie z 23 komórek ca. 105m

15 LHC jest podwójnym synchrotronem o ośmiokrotnej symetrii: Główne parametry LHC 8 sektorów 8 łuków (ca. 2500m) 8 sekcji prostych (ca. 600m) Dwie przeciwbieżne wiazki 4 punkty przecięcia wiązek

16 LHC Wyzwania LHC pierwszy akcelerator z magnesami nadprzewodnikowymi chłodzonymi nadpłynnym helem o temperaturze T=1.9 K: Nowe materiały, Nowe technologie produkcji, Nowe systemy detekcji i zabezpieczenia, Niezawodność.

17 Magnesy nadprzewodnikowe LHC

18 Regular arc: Magnesy 1232 główne dipole główne kwadrupole magnesów korekcyjnych 4928 multipolowych magnesów korekcyjnych

19 Połączenie poprzez moduł serwisowy Regular arc: Kriogenika Kriogeniczna linia dystrybucyjna (26 km) A. Siemko Statyczny nadciekły hel o temperaturze 1.9 K w izolowanych komorkach kriogenicznych o długości 214 m

20 Ultra wysoka próżnia wiązki Beam 1 + Beam 2 Regular arc: Próżnia Próżnia izolacyjna w kriogenicznej linii dystrybucyjnej Próżnia izolacyjna w kriostatach magnesów

21 Parametry glownych magnesów dipolowych LHC Liczba głównych dipoli 1232 Pole dipolowe dla 7 TeV 8.33 T Prąd w dipolach dla 7 TeV A Energia zmagazynowana w dipolach 10 GJ Liczba dipolowych obwodów elektrycznych 8 Całkowita liczba magnesów ~9600 Liczba wszystkich obwodów elektrycznych 1766

22 Nadprzewodnictwo Nadprzewodnictwo jest cechą wielu pierwiastków i materiałów polegającą na tym, że w pewnych warunkach maja one zerową rezystancję Poprawne określenie nadprzewodnictwa wymaga spełnienia jednocześnie dwóch warunków: zaniku oporu elektrycznego doskonałego diamagnetyzmu materiałów nadprzewodzących, zwanego efektem Meissnera

23 Odkrycie nadprzewodnictwa 1908 Kamerlingh Onnes skrapla hel 1911 Pomiar zależności R-T dla rtęci Metal TC [K] TC [ C] Nb Pb V La Ta Hg Sn In Pd Cr Tl Al Zn Ti Rh Podstawową właściwością stanu nadprzewodzącego jest to, że prąd elektryczny może płynąć bez występowania różnicy potencjałów

24 Diagram fazowy - powierzchnia krytyczna J c Gęstość prądu [A/m 2 ] Temperatura krytyczna T c Krytyczna gęstość prądu J c Krytyczne pole magnetyczne B c Indukcja [T] B c Stan nadprzewodzący: T c T < T c, J < J c, B < B c Temperatura [K] LHC wykorzystuje: Klasyczne nadprzewodniki niskotemperaturowe stop Nb-Ti Wysokotemperaturowe nadprzewodniki typu BSCO Bi-2223

25 Nadprzewodniki LHC km kabli Cu/Nb-Ti

26 Produkcja nadprzewodników typu Nb-Ti ~ 1 m Ø~ 20 cm Nb-Ti Folia Nb Cylinder z Cu Uszczelnienie i odpompowanie Ekstruzja i ciągnienie ~ 10 m Ø~ 7cm

27 Produkcja nadprzewodników typu Nb-Ti Dalsze wielokrotne ciągnienie połączone z obróbką cieplną Redukcja średnicy od Ø 7 cm to Ø 1-5 mm Ostateczne ciągnienie połączone z formowaniem kształtu sześciokątnego i ciecie na odcinki ~ 1 m

28 Produkcja nadprzewodników typu Nb-Ti 1 m 20 cm Copper bar ca hexagons Copper tube

29 Produkcja w przemyśle

30 Testy w stacji testów

31 Podroż 100m pod ziemie

32 i podroż w tunelu km z prędkością 2 km/h! Waga urządzeń w tunelu: t

33 Instalacja setki tysięcy połączeń

34 Magnesy nadprzewodnikowe w tunelu LHC Magnesy w regularnej części uku LHC 1232 g ówne magnesy dipolowe 474 ogniskujące magnesy kwadrupolowe plus oko o 8000 magnesów korekcyjnych 7 listopada 2007 ostatnie połączenie magnesów 30 kwietnia 2008 zamknięcie wszystkich podłączeń

35 Jakwiązek Budowano LHC Kolimacja protonów LHC 56.0 mm 1 mm Kurs dla polskich nauczycieli fizyki w CERN 20-26/9/2009

36 Parametry wiązek protonów LHC Częstotliwość obiegu wiązki Liczba paczek w wiązce khz Liczba protonów w paczce 1.15 x Średnica paczki w punkcie zderzeń 16µm Długość paczki Odstęp miedzy paczkami Energia wiązki Prąd wiązki 7.55 cm ~7 m 2 * 360 MJ 0.54 A

37 Energia wiazek LHC Momentum at collision 7 TeV (1 ev = 1, Joule) Number of bunches 2808 Protons per bunch Total number of protons (1 ng of H + ) Energia zmagazynowana w 2 wiązkach: Energia potrzebna do stopienia 1 tony Cu: 724 MJoule 700 MJoule 700 MJ może stopić 1 tonę miedzi 700 MJ zdysypowane w czasie 88 µs / TW Kurs dla polskich nauczycieli fizyki w CERN 20-26/9/2009 Moc wszystkich elektrowni na świecie 3.8 TW

38 Chłodzenie nadpłynym helem Zwykły hel gazowy to atomy izotopu 4 He. Przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym 4 He skrapla się w T = 4.22 K. Przy obniżeniu ciśnienia do 50 mbar T < 2.17K (T λ = 2.17 K punkt λ ) zachodzi dramatyczna zmiana jego właściwości K K T He II I He I I He Najbardziej niezwykłą zdolnością nadpłynnego helu jest to, ze ciepło może w nim płynąć bez występowania gradientu temperatury Nadpłynność jest zjawiskiem nadprzewodnictwa ciepła

39 Kriogenika LHC Point 8 Storage QSCC QSCA QSRA QSCB QSRB QSCC Shaft Surface QURA QUIC Cavern QURC QURC Sector 7-8 Sector 8-1 Tunnel

40 LHC - najzimniejsza cześć wszechświata

41 Uruchamianie LHC 10/09/2008

42 Czy zawsze wszystko jest tak jak tego chcielibyśmy? Not really.

43 19/ poważna awaria

44 Co potrafi zrobić duże ciśnienie!!!

45 Ponowne uruchamianie LHC 20-23/11/2009

46 Detektory Cząstek CMS Detektory cząstek są elektronicznymi oczami fizyków. Detektory rejestrują cząstki powstałe w zderzeniach wiązek. Współczesne detektory są wielkimi, niezwykle złożonymi i czułymi instrumentami. A. Siemko

47 Pierwsze zderzenia w LHC 2*450GeV i 2*1.18 TeV 12/2009

48 Pierwsze zderzenia w LHC 2*3.5 TeV 30/3/2010

49 tak zbieraliśmy dane w 2010 roku

50 a tak teraz (wczorajszy wieczór)

51 Podsumowanie LHC jest najwiekszym i najbardziej zlożonym urzadzeniem badawczym jakie kiedykolwiek zostalo wymyslone i skonstruowane Po awarii w 2008 LHC zostało naprawione i ponownie uruchomione do energii 2*3.5 TeV Akcelerator i detektory funkcjonują poprawnie Osiągniecie docelowej energii 2*7 TeV będzie wymagało dodatkowej naprawy (korekcji) połączeń miedzy magnesami (2013 rok) Rozwój wysokich technologii, wymaganych w większości badan fizycznych, umożliwia odkrywanie i zrozumienie nowych zjawisk, co w efekcie prowadzi do dalszego rozwoju, coraz to nowszych technologii Wiele z opracowanych nowych technologii znajdzie późniejsze zastosowania zarówno w przemyśle, jak i w życiu codziennym Należy pamiętać, że badania naukowe w dzisiejszych laboratoriach fizycznych to technika jutra

52 Dziękuję za uwagę A ja najbardziej lubię akcelerator van de Graaffa

53 Montaż finalny magnesów w kriostatach

54 Jak Budowano LHC Kurs dla polskich nauczycieli fizyki w CERN 20-26/9/2009

58 CERN najbardziej zaawansowany kompleks akceleratorowy na świecie Wielki Zderzacz elektronow i pozytonow (LEP) 1989 A. Siemko 16/04/2007

59 Nadprzewodniki I i II rodzaju B c2 Indukcja [T] B c1 0 B c2 (T) Stan mieszany B c1 (T) Stan Meissnera Stan normalny Temperatura [K] T c Stan nadprzewodzący drugiego rodzaju (stan mieszany) ρ = 0 B 0 Stan nadprzewodzący pierwszego rodzaju (stan Meissnera) ρ = 0 B = 0

61 Produkcja w przemyśle: montaż cewek nadprzewodnikowych

63

64 Wystarczyło, ze wśród połączeń 13kA jedno było wadliwe

65 Protekcja urządzeń nadprzewodnikowych ca Elektrycznych obwodów magnesów nadprzewodnikowych ~20000 kanałów zabezpieczających urządzenia nadprzewodnikowe 4000 monitorów strat wiązki

66 Czy zawsze wszystko jest tak jak tego chcielibyśmy? W projekcie takim jak LHC, przy jego bezprecedensowej skali złożoności unikatowości technologicznym nowatorstwie Problemy techniczne musza wystąpić Ważne jest by te problemy zidentyfikować, zrozumieć i rozwiązać Przyczyny ostatniej awarii zostały wyjaśnione i zakończył sie proces naprawy