Źródła cząstek o wysokich energiach II Promieniowanie kosmiczne. Akceleratory. Ograniczenia na energię maksymalną. Parametry wiązek. Świetlność LHC 1
Źródła cząstek o wysokich energiach I. PROMIENOWANIE KOSMICZNE Naturalne źródło wysokoenergetycznych cząstek (do lat 1950 - jedyne źródło). T.Wulf umieścił na szczycie wieży Eiffla detektory i zauważył, że na górze promieniowanie jest większe niż na dole. W 1912 r. V.F. Hess loty balonowe promieniowanie z kosmosu, W ciągu godziny przelatuje przez nas ok.100 tys róznego promieniowania pochodzenia kosmicznego. 2
Promieniowanie kosmiczne Strumień promieniowania docierający do powierzchni Ziemi jest wynikiem oddziaływania pierwotnego promieniowania kosmicznego z atmosferą. Bardzo szerokie widmo energetyczne do 10 20 ev (100 EeV), (różne pochodzenie) Ale bardzo słaby strumień 1 cząstka/m 2 /100 lat. 3
Pierwotne promieniowanie kosmiczne Pierwotne promieniowanie kosmiczne: - pochodzi spoza heliosfery, są to: pozostałości po Big-Bangu, nukleosyntezie. - pochodzi ze Słońca (wiatr słoneczny modyfikowany przez pole magnetyczne Ziemi). - promieniowanie o najwyższych energiach pochodzi z wybuchów supernowych 4
Wtórne promieniowanie Do górnej warstwy atmosfery dociera: 85% protonów, 12% cząstek alfa, 1% ciężkich jąder (nukleosynteza) i 2% elektronów oraz niskoenergetyczne promieniowanie ze Słońca. Cząstki pierwotne penetrując atmosferę i oddziałując silnie, dają początek kaskadom hadronów i leptonów (promieniowanie wtórne). Powstają głównie piony i kaony. Gdy energii hadronów jest za mało, strumień maleje, cząstki ulegają rozpadowi. Do Ziemi dociera składowa miękka (1932 rok) (elektrony, fotony 25 %) i twarda (miony 70%), trzecią składową stanowią neutrina oraz nukleony i piony (3%). Do Ziemi dociera ok. 180 cz/m 2 /s Obserwatorium Pierre Auger w Argentynie ma 3000 km 2. Obserwacje kosmiki o energii GeV 5
Wtórne promieniowanie kosmiczne-obserwacja H.Wilczyński 6
Wtórne promieniowanie kosmiczne-obserwacja H.Wilczyński 7
Akceleratory Urządzenia służące do przyspieszania trwałych cząstek naładowanych: elektronów, protonów, ciężkich jąder LINIOWE kondensatory ustawione liniowo, U = const, rury dryfowe, źródła zmiennego napięcia KOŁOWE (cykliczne) cząstki przechodzą wielokrotnie przez te same źródła napięć oscylujących z radiową częstotliwością współczesne zespoły przyspieszające składają się z obydwóch typów, przy czym liniaki stanowią układy przyspieszania wstępnego U max ~10 MeV 8
Akceleratory Naładowana cząstka w polu elektrycznym (stałym lub zmiennym). przyspieszanie pole elektryczne, zmiana kierunku (utrzymanie na orbicie) pole magnetyczne. Akceleratory elektrostatyczne DC- maksymalizacja uzyskiwanej różnicy potencjałów, cząstki pokonują ją tylko jeden raz (kaskadowy, van der Graaffa, tandem Cockcrofta-Waltona). Akceleratory liniowe AC- cząstki przyspieszane są wzdłuż całej drogi, o długości akceleratora i maksymalnej osiąganej energii cząstek decyduje uzyskany gradient napięcia na metr długości akceleratora. - o napięciu przyspieszającym wysokiej częstotliwości (liniowy z falą bieżącą, liniowy z falą stojącą). Akceleratory cykliczne - cząstki wielokrotnie przechodzą przez te same wnęki przyspieszające, każdorazowo uzyskując dodatkową energię, ograniczenie stanowi osiągane natężenie pola magnetycznego w magnesach zakrzywiających cząstki w akceleratorze, a w przypadku przyspieszania elektronów i pozytonów może nim być energia tracona na skutek promieniowania synchrotronowego. 9
Akceleratory liniowe ze zmiennym polem Generator zmiennego napięcia produkował zmienne pole elektryczne w obszarach między elektrodami, które przyspieszało cząstki. Elektrody osłaniały cząstki w czasie, gdy znak pola był przeciwny. W miarę wzrostu prędkości elektrody coraz dłuższe. Współczesna wersja składa się z generatorów wysokiej częstości i produkcji mikrofal pole przyspieszające porusza się wraz z cząstkami wzdłuż rury akceleratora. Akceleratory z falą stojącą: przy odpowiednim dobraniu częstości i długości, cząstka zawsze trafia na pole przyspieszające. Częstość jest zazwyczaj stała, ale długości elementów rosną proporcjonalnie do prędkości, Gdy β (jony, protony). 1: L=const, p ~ 100 MeV 10
Akceleratory liniowe Obecnie do przyspieszania stosuje się wnęki rezonansowe, również nadprzewodzące (ILC) Wewnątrz wnęki wytwarzana jest fala elektromagnetyczna. częstotliwości rzędu 1 GHz mikrofale, tak dobrane, aby prędkość fazowa pola była równa prędkości cząstek, które są stale przyspieszane (elektrony) natężenia pola ok. 10 MV/m (nadprzewodzące), do uzyskania energii wiązki 1 GeV potrzeba 100m akceleratora 11
Akceleratory kołowe Siła Lorentza w polu magnetycznym: czyli: p=0.3 R B GeV/c, gdy [R]=m, [B]=T okres obiegu: częstość kołowa: zmienia się ze wzrostem prędkości cząstek! 12
Akceleratory kołowe SYNCHROTRONY: przyspieszane cząstki przechodzą wielokrotnie przez te same elementy: wnęki przyspieszające, magnesy zakrzywiające i układy ogniskujące rozdzielenie elementów. Cząstki (e,p) poruszają się po stałych orbitach w rosnącym polu magnetycznym i przy zmiennej częstości napięcia przyspieszającego, praca impulsowa, silne ogniskowanie wiązki, pole i częstość synchronizowane są ze wzrostem prędkości cząstki, powstają dyskretne paczki cząstek 13
Akceleratory kołowe do zakrzywiania toru cząstek magnes dipolowy, B < 1.5T cewki ciepłe B < 9T cewki nadprzewodzące silne ogniskowanie za pomocą magnesów kwadrupolowych i sekstupolowych 14
Ograniczenia na energie Podstawowym parametrem akceleratora jest maksymalna energia. Akceleratory elektrostatyczne - po przekroczeniu pewnej wartości gradientu pola następuje przebicie elektryczne. Obecnie generatory Van de Graffa osiągają 20-30 MV i są używane jako pierwszy stopień przyspieszający np. ciężkich jonów. Akceleratory liniowe dodając kolejne km wnęk rezonansowych można osiągnąć coraz wyższe energie, ale zawsze decyduje tu koszt urządzenia, bowiem: E max L średnie pole Dla przyspieszaczy kołowych: protony wymagają coraz większego pola magnetycznego, które musi je utrzymać wewnątrz rury. Maks pole, to ok. 8 T. Ogranicza to dostępne energie do E max = e c R B max (magnesy nadprzewodzące). Po przekroczeniu E max, protony uciekną z akceleratora. 15
Energia elektronów Elektrony krążące po orbicie tracą energię na promieniowanie synchrotronowe. Średnia energia tracona na obieg: a energia dostarczana: maksymalna osiągana energia: LEP: przy R= 4 300 m, E = 45 GeV E- = 84 MeV/obieg przy E = 100 GeV E- = GeV/obieg był to ostatni akcelerator kołowy elektronów, planuje się budowę ILC (International Linear Collider) z energiami wiązek elektron pozyton po 500 GeV 16
Zderzenia Po osiągnięciu nominalnej (zaplanowanej) energii, cząstki są kierowane do miejsca zderzenia. zderzenia wiązek przeciwbieżnych zderzenia ze stałą tarczą gdy te same energie wiązek, dostępna energia: część energii padającej cząstki zamieniona jest na energię kinetyczną cząstek tarczy E CMS = 2 E cała energia przyspieszanych cząstek wykorzystana jest do produkcji nowych stanów Ale oprócz maksymalnej energii, przy zderzeniach równie ważnie prawdopodobieństwo, że zderzane cząstki trafia na siebie (jakby zderzane były chmury gazów). O liczbie możliwych do rejestracji zdarzeń decyduje cecha akceleratora, zwana ŚWIETLNOSCIĄ 17
ŚWIETLNOŚĆ ŚWIETLNOŚĆ (LUMINOSITY): jest parametrem charakteryzującym jakość wiązek i liczbę zderzanych cząstek zależy od geometrii wiązki, liczby paczek, częstości zderzania. dla wiązek przeciwbieżnych: tarczą: dla zderzeń z N 1 2 l Najwyższe świetlności można osiągnąć zwiększając liczbę cząstek w wiązkach i zmniejszając jej rozmiary. LEP : rok roboczy ok. 10 7 s: L 300 fb 1 /rok LHC : L= 10 32 cm 2 s 1 Wiązka 10 13 protonów zderzana z tarczą wodorową o grubości 1m L= 10 38 cm 2 s 1 Problem dla liniaków - po jednym przecięciu wiązka jest tracona. 18
Akceleratory - świetlność Z punktu widzenia eksperymentów, jest to współczynnik proporcjonalności pomiędzy liczbą zarejestrowanych zdarzeń pewnego procesu fizycznego a jego przekrojem czynnym. liczba zachodzących reakcji w jednostce czasu (częstość zdarzeń): Świetlność sumujemy przez rok (10 7 s) i mamy świetlność scałkowaną: Na zderzaczach elektronowych świetlność mierzy się eksperymentalnie wykorzystując reakcję, która jest bardzo dobrze policzona teoretycznie i bardzo dobrze mierzona, np rozpraszanie L dt = N ; Ldt = [ ] -1 =pb -1 Im wyższa świetlność, tym rzadsze procesy można zmierzyć przez okres działania akceleratora (typowo 10 lat), gdy przekrój czynny jest rzędu fb potrzeba świetlności fb -1, aby zaobserwować pojedyncze przypadki (np.higgs) Z relacji: wyznacza się świetlność L. Obecnie na LHC mierzy się parametry wiązek stosując specjalne układy i dane. (przykład) 19
Akceleratory Wiązki program KEK Japonia SLAC US LHC ILC (???) e - 8.3 GeV e + 3.5 GeV fabryki b Nowa Fizyka e - 9 GeV e + 3 GeV fabryki b Nowa Fizyka p p 7 (3,5) GeV Pb Pb Bozon Higgsa supersymetria ciężkie kwarki Nowa Fizyka e - e - 250 (500) GeV Higgs, Nowa Fizyka zakończone LEP HERA RHIC Tevatron e - e + 45-100 GeV e 30 GeV p 92 GeV pp Au Au Cu Cu p antyp 980 GeV 20
LHC Wielki Zderzacz Hadronów Zespół akceleratorów protonów, zbudowany pod Genewą, w ośrodku CERN Największy pierścień ma 27 km obwodu, urządzenia zbudowane są w tunelu, na głębokości do 100 metrów. 21
LHC krótka historia 2006-08 ukończona budowa 4 detektorów i LHC 19 września 2008 przy podnoszeniu energii do 5 TeV awaria jednego z połączeń elektrycznych wybuch i wyciek helu z systemu chłodzenia, zniszczone ok. 40 magnesów, 20 października 2009 LHC przyspiesza protony do 3.5 TeV, 28 września 2012 LHC działa, energia wiązek 4 TeV, najwyższe energie osiagane w ziemskich laboratoriach. 14 lutego 2013 koniec zbierania danych, zaczyna się 18-miesięczna przerwa na modernizację konieczna do osiagnięcia 7TeV. 22
LHC Wielki Zderzacz Hadronów Do zakrzywienia toru protonów konieczne jest pole magnetyczne. Im większy pęd, tym pola musi być większe. Pole magnetyczne wytwarzane jest przez prąd żeby utrzymać 4 TeV-owe protony na orbicie indukcja pola musi być ponad 8 Tesli, a natężenie prądu ponad 10 000 Amperów! NADPRZEWODZĄCE cewki magnesu 23
LHC Wielki Zderzacz Hadronów In synchrotrons: magnetic field to turn the particles so they circulate, electric field to accelerate the particles are carefully synchronized with the travelling particle beam. As the particle gain energy fields are varied and the path is held constant. Usually some straight sections and the bending magnets are used. If the momentum increases magnetic field must be stronger - superconducting dipole magnets (1 600 each 27 tons) keep the beams on their circular path B=8.4 T I= 280 ka, P=GW (technical limit) Approximately 96 tonnes of liquid helium is needed to keep the magnets at their operating temperature of 1.9 K ( 271.25 C), making the LHC the largest cryogenic facility in the world at liquid helium temperature. 24
LHC Wielki Zderzacz Hadronów 26
LHC 2-letnia przerwa 28
High Lumi LHC 2006 - zadecydowano, że po zebraniu danych z najwyższymi energiami, przeprowadzona będzie modernizacja zwiększająca świetlność LHC, conajmniej dwukrotnie. Planowane uruchomienie 2020 r Pole magnetyczne ma dochodzić do 13T, planowany jest zwiekszony prąd, zmiejszone przekroje wiązek, poprawiona optyka, itp.. Świetlność ma wynosić 250 fb -1 na rok. nb N1 N 2 f * 4 Technologia jeszcze nie została wybrana, ale są już prototypy magnesów ze stopen niob-cyna (przy 1.9 K osiągnięto prąd 11.2 ka i 10.4 T) L n rev 29
High Energy LHC 1980 1990 2000 2010 2020 2030 2040 Constr. PhysicsUpgr. Design, LHC Proto. Constr. Physics R&D HL-LHC Design, R&D Constr. Physics runs in parallel to HL-LHC; tight R&D schedule follows HL-LHC; R&D & protot. time < for LHC DesignConstr. Physic, s R&D Design, HE-LHC Constr. R&D Physics LHeC Source: L. Rossi. LMC 2011 (modified)
Podsumowanie Źródłem cząstek o wysokich energiach jest promieniowanie kosmiczne ale strumień cząstek jest bardzo słaby. Do produkcji ciężkich stanów budowane są zespoły akceleratorów i duże systemy detekcyjne rejestrujące produkty zderzeń. Ograniczenia na energię dostępną akceleratoraliniowego długość i gradient pola, kołowego promieniowanie synchrotronowe (elektrony), pole magnetyczne (protony). Podstawowe parametry akceleratorów: energia nominalna, świetlność. 31