Perspektywy fizyki czastek elementarnych

Transkrypt

1 Perspektywy fizyki czastek elementarnych Wykład XIII Nowe projekty akceleratorowe: CLIC ( VLHC ( Photon Collider zderzenia ) Elementy fizyki czastek elementarnych ) fabryki neutrin Astro-cz astki?!... wykład gościnny dr.hab. G.Wrochny (IPJ)

2 Przyszłe akceleratory LHC (99.99% CL) Akcelerator i eksperymenty w budowie. Planowane uruchomienie: FLC (95% CL) Kilka projektów liniowego akceleratora : TeV (TESLA, NLC, JLC) Dalsze?! Consensus jeśli chodzi o potrzebę budowy!... TeV (CLIC) Bariera w budowie dalszych akceleratorów sa przede wszystkim koszty! Koszty konieczne sa nowe pomysły, nowe rozwiazania... rozmiary maszyny hadronowe - pole magnetyczne maszyny - pole przyspieszajace (a. liniowe) straty energii na promieniowanie (a. kołowe) A.F.Żarnecki Wykład XIII 1

3 LHC $ % $ A.F.Żarnecki Wykład XIII 2

4 Tesla Westerhorn A.F.Żarnecki Wykład XIII 3

5 Nie ma alternatywy dla liniowych akceleratorów A.F.Żarnecki Wykład XIII 4

6 długość CLIC Akceleratory liniowe Koszt ( - średnie pole przyspieszajace) TESLA: Jeśli chcemy zwiększyć musimy zwiększyć GeV przy MV/m 25 km CLIC (Compact LInear Collider) Rezygnujemy z klasycznych wnęk rezonansowych (i klistronów) Wyższe pola przyspieszajace uzyskujemy wykorzystujac... druga wiazkę pola przyspieszajace 150 MV/m 3-5 TeV przy rozmiarach podobnych do TESLI Jedyny problem: nie wiadomo czy zadziała... (TESLA: technologia sprawdzona w 99%) A.F.Żarnecki Wykład XIII 5

7 CLIC Zasada działania Wiazka prowadzaca wytwarza pole elektryczne (falę EM), które przyspiesza druga wiazke: wneka hamujaca Wnęka hamujaca Wiazka prowadzaca Wiazka przyspieszana Wnęka przyspieszajaca Transformator, sprawność 18% wneka przyspieszajaca wiazka prowadzaca - duży prad, mała energia wiazka przyspieszana - mały prad duża energia Obecnie przygotowywane sa testy kolejnego (3) prototypu Ostateczny projekt, uruchomienie (???) A.F.Żarnecki Wykład XIII 6

8 Rozpraszanie Comptona Zderzenia Klasycznie : foton rozpraszajac się na elektronie przekazuje mu część swojej energii: Photon Collider γ e e γ Możemy jednak przejść do układu odniesienia, w którym : e elektron może przekazać fotonowi większość swojej energii! (PC) Możliwość zderzania fotonów jest opcja we wszystkich projektach e γ Wykorzystujac niezwykle silny laser możemy uzyskać prawie pełna zamianę wiazki elektronowej w fotonowa... Fotony przejmuja nie tylko energię (maksimum przy ok. 80% energii wiazki), ale i kierunek wiazki elektronów (rozmycie katowe możemy doprowadzić do zderzeń ze świetlności ) a. γ A.F.Żarnecki Wykład XIII 7

9 Projekt NLC : 250 GeV 200 GeV A.F.Żarnecki Wykład XIII 8

10 Fizyka W zderzeniach wszystkie czastki naładowane ( czyste oddziaływanie elektromagnetyczne), ale nie tylko... możemy produkować Photon Collider Wyjatkowa w zderzeniach jest możliwość rezonansowej produkcji bozonu Higgsa: Ponieważ foton nie sprzęga się bezpośrednio do Higgsa, tylko przez pętle, proces jest czuły na WSZYSTKIE czastki naładowane niezwykle czuły na nowa fizykę W innych procesach wkłady pętlowe szybko maleja ze wzrostem masy czastek... Ale sprzężenie Higgsa jest proporcjonalne do masy! wkłady skończone nawet w granicy A.F.Żarnecki Wykład XIII 9

11 Photon Collider Fizyka Jedyny kolajder, który może sięgnać skali unifikacji Wyniki symulacji prowadzonych w Warszawie: Number of events/2gev e e beams with see = 210 GeV m h =120 GeV L γγ (W γγ >80GeV)= 84 fb -1 NZK. Higgs signal NLO Background: bb (g) J z =0 bb (g) J z =2 cc (g) J z =0 cc (g) J z = For comparison: LO Background W corr (GeV) # events 300 simulation m h =300 GeV Parameterization: NZK. m h =300 GeV 200 no Higgs M llqq [GeV] A.F.Żarnecki Wykład XIII 10

12 VLHC Pomysł zbudować jak największy tunel (w granicach rozsadku) wstawić tani akcelerator modernizować akcelerator do wyższych energii w miarę rozwoju nowych technologii E.Fermi, 1954: koszta rozłożone na wiele lat cały czas w czołówce energii Obecnie rozważana budowa tunelu o obwodzie 233 km w ośrodku FNAL pod Chicago Etap I : pole B T 40 TeV Docelowo : pole B T 200 TeV A.F.Żarnecki Wykład XIII 11

13 VLHC Propozycja Oba detektory koło siebie (w Fermilabie) Magnes dipolowy Najprostsza (najtańsza) możliwa konstrukcja dla etapu I: Pojedyńczy prosty przewodnik I= ka B T Etap I : połowa infrastruktury A.F.Żarnecki Wykład XIII 12

14 Zderzenia Pierwsze pomysły: 1960 Zalety mniejsze promieniowanie hamowania dużo mniejszy pierścień (koszt!!!) wyższe energie (!) Fermilab LHC (14 TeV p p) VLHC (60 TeV p p) mniejsze rozmycie energii wiazki rezonansowa produkcja Higgsa fabryka neutrin NLC FMC (0.5 TeV µ + µ ) NMC (4 TeV µ + µ ) ( TeV e + e ) Czy to możliwe? 10 Km Czy potrafimy zbudować akcelerator przeciwbieżnych wiazek? A.F.Żarnecki Wykład XIII 13

15 Problem Teoretycznie potrafilibyśmy zbudować akcelerator już dziś. Problem: świetlność Zderzenia produkowane w rozpadach miony maja różne pędy Wymagania rozmycie wiazki intensywne źródło mionów rozpady s - szybko rozpadaja się produkowanych w zderzeniach szybkie chłodzenie do -tarcza konieczne dla uzyskania dobrze skolimowanej wiazki szybkie przyspieszanie aby zminimalizować liczbę rozpadów 1.5 x protons / year 1.5 x muons / year Muon Collider Schematic Muon Collider Up to 2 x 2 TeV 16 GeV/c Proton Accelerator Pion Production Target and Capture Solenoid Pion Decay Channel Muon Ionization Cooling Channel 100 MeV/c muons Muon Accelerators 10 GeV muons Up to 2 TeV/c muons µ + µ Intense K Physics Stopped/Low Energy Muons Neutrinos from muon storage rings Intense High Energy Muon & Neutrino Beams Higgs, t t, WW,... April 29,1999 Rajendran Raja, Sitges, Barcelona April 28-May A.F.Żarnecki Wykład XIII 14 5

16 Zderzenia Chłodzenie jonizacyjne Pomysł: Skrinsky i Parkhomchuk, Ionization Cooling przechodzac przez warstwy absorbera mion traci energię na jonizację zmniejszenie wszystkich składowych pędu µ we wnękach przyspieszajacych mion odzyskuje stracona energię tylko podłużna składowa pędu rf de dx de dx de dx rf rf rf Efekt sumaryczny: zmniejszenie pędów poprzecznych wiazki ogniskowanie lepsze wyższa świetlność Nie musimy spowalniać mionów do mniej rozpadów A.F.Żarnecki Wykład XIII 15

17 wysoka energia Zderzenia Fabryki neutrin Rozpady mionów kraż acych w pierścieniu akumulacyjnym intensywne źródło neutrin Proste odcinki pierścienia laser neutrinowy b. dobra kolimacja wysoka intensywność nowe era w badaniach neutrin Dużo łatwiejsze do zbudowania niż akcelerator (collider) A.F.Żarnecki Wykład XIII 16

18 Ostateczny projekt: 2007 (?) Budowa:???? A.F.Żarnecki Wykład XIII 17