Jak fizycy przyśpieszają cząstki?

Podobne dokumenty
Wstęp do fizyki akceleratorów

Wstęp do Akceleratorów wykład dla nauczycieli. Mariusz Sapiński CERN, Departament Wiązek 12 kwietnia 2010

Wstęp do Akceleratorów wykład dla uczniów. Mariusz Sapiński CERN, Departament Instrumentacji Wiązki 22 marca 2010

Wstęp do Akceleratorów. Mariusz Sapiński CERN BE/BI 24 listopada 2009

Wstęp do akceleratorów

Wybrane zagadnienia fizyki jądrowej i cząstek elementarnych. Seweryn Kowalski

WYKŁAD 8. Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników. Maria Krawczyk, Wydział Fizyki UW

Theory Polish (Poland)

Akceleratory. Urządzenia do wytwarzania strumieni cząstek o znacznej energii kinetycznej

WYKŁAD 8. Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników

Akceleratory (Å roda, 16 marzec 2005) - Dodał wtorek

Akceleratory. Instytut Fizyki Jądrowej PAN 1

Fizyka cząstek elementarnych

Sławomir Wronka, r

Elementy fizyki czastek elementarnych

Akceleratory Cząstek

Fizyka cząstek elementarnych. Tadeusz Lesiak

Metody liniowe wielkiej częstotliwości

Janusz Gluza. Instytut Fizyki UŚ Zakład Teorii Pola i Cząstek Elementarnych

WSTĘP DO FIZYKI JADRA ATOMOWEGOO Wykład 12. IV ROK FIZYKI - semestr zimowy Janusz Braziewicz - Zakład Fizyki Atomowej IF AŚ

Źródła cząstek. Naturalne: Sztuczne. Promieniowanie kosmiczne Różne źródła neutrin. Akceleratory Reaktory. D. Kiełczewska wykład 2

Źródła czastek. Wszechświat Czastek Elementarnych. Wykład 7. prof. dr hab. Aleksander Filip Żarnecki

Źródła cząstek o wysokich energiach. Promieniowanie kosmiczne. Akceleratory. Ograniczenia na energię maksymalną. Parametry wiązek.

Źródła cząstek. Naturalne: Sztuczne. Promieniowanie kosmiczne Różne źródła neutrin. Akceleratory Reaktory. D. Kiełczewska wykład 2 1

Źródła cząstek o wysokich energiach

Eksperyment ALICE i plazma kwarkowo-gluonowa

Podstawy fizyki kwantowej i budowy materii

dr inż. Zbigniew Szklarski

SCENARIUSZ LEKCJI FIZYKI Z WYKORZYSTANIEM FILMU PĘDZĄCE CZĄSTKI.

Źródła czastek. Wszechświat Czastek Elementarnych. Wykład 4. prof. dr hab. Aleksander Filip Żarnecki

UNIWERSYTET MIKOŁAJA KOPERNIKA W TORUNIU

Metody i narzędzia. Tydzień 2

Słowniczek pojęć fizyki jądrowej

Frialit -Degussit Ceramika tlenkowa Komora próżniowa

Wiązka elektronów: produkcja i transport. Sławomir Wronka

cz. 1. dr inż. Zbigniew Szklarski

AKCELERATORY I DETEKTORY WOKÓŁ NAS

W jaki sposób dokonujemy odkryć w fizyce cząstek elementarnych? Maciej Trzebiński

VI. 6 Rozpraszanie głębokonieelastyczne i kwarki

Ruch ładunków w polu magnetycznym

Epiphany Wykład II: wprowadzenie

Ruch cząstek naładowanych w polach elektrycznym i magnetycznym. Równania ruchu cząstek i ich rozwiązania. Ireneusz Mańkowski

Frialit -Degussit Ceramika tlenkowa Jednostka akceleratora cząstek

Ramka z prądem w jednorodnym polu magnetycznym

26 MAGNETYZM. Włodzimierz Wolczyński. Indukcja magnetyczna a natężenie pola magnetycznego. Wirowe pole magnetyczne wokół przewodnika prostoliniowego

Jak działają detektory. Julia Hoffman

Elementy fizyki czastek elementarnych

Perspektywy fizyki czastek elementarnych

Cząstki i siły. Piotr Traczyk. IPJ Warszawa

Ruch ładunków w polu magnetycznym

Odp.: F e /F g = 1 2,

Elementy fizyki czastek elementarnych

Źródła czastek. Wszechświat Czastek Elementarnych. Wykład 8. prof. dr hab. Aleksander Filip Żarnecki

2.2. Wiązki promieniowania jonizującego

Wykład FIZYKA II. 3. Magnetostatyka. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

II prawo Kirchhoffa Obwód RC Obwód RC Obwód RC

Reakcje jądrowe. X 1 + X 2 Y 1 + Y b 1 + b 2

Sylwa czyli silva rerum na temat fizyki cz astek elementarnych

Witamy w CERNie. Bolesław Pietrzyk LAPP Annecy (F) Wykład przygotowany przez polskich fizyków w CERNie.

WSTĘP DO FIZYKI CZĄSTEK. Julia Hoffman (NCU)

Wyznaczanie stosunku e/m elektronu

Przewodnik po wielkich urządzeniach badawczych

Wprowadzenie do zagadnień akceleratorów elektronów. Janusz Harasimowicz

Elementy fizyki czastek elementarnych

Energetyka Jądrowa. Wykład 28 lutego Zygmunt Szefliński Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów

-> Teaching ->

39 DUALIZM KORPUSKULARNO FALOWY.

Jak działają detektory. Julia Hoffman# Southern Methodist University# Instytut Problemów Jądrowych

DLACZEGO BUDUJEMY AKCELERATORY?

Matura z fizyki i astronomii 2012

EDUKACYJNE ZASOBY CERN

Źródła promieniowania X. ciąg dalszy

Oddziaływanie promieniowania jonizującego z materią

Jak działają detektory. Julia Hoffman

Wykład Budowa atomu 1

I. PROMIENIOWANIE CIEPLNE

Promieniowanie kosmiczne składa się głównie z protonów, z niewielką. domieszką cięższych jąder. Przechodząc przez atmosferę cząstki

IV.4.4 Ruch w polach elektrycznym i magnetycznym. Siła Lorentza. Spektrometry magnetyczne

LHC - wielki zderzacz hadronów

Maria Krawczyk, Wydział Fizyki UW. Oddziaływania słabe 4.IV.2012

Materiały pomocnicze 11 do zajęć wyrównawczych z Fizyki dla Inżynierii i Gospodarki Wodnej

5. (2 pkt) Uczeń miał za zadanie skonstruował zwojnicę do wytwarzania pola magnetycznego o wartości indukcji

Rozważania rozpoczniemy od fal elektromagnetycznych w próżni. Dla próżni równania Maxwella w tzw. postaci różniczkowej są następujące:

41R POWTÓRKA FIKCYJNY EGZAMIN MATURALNY Z FIZYKI I ASTRONOMII. POZIOM ROZSZERZONY (od początku do końca)

Przyspieszanie cząstek w źródłach kosmicznych

Atomowa budowa materii

Fizyka 3. Konsultacje: p. 329, Mechatronika

Wszystko, co kiedykolwiek chcieliście wiedzieć o CERNie i o fizyce cząstek

2008/2009. Seweryn Kowalski IVp IF pok.424

Wielki Wybuch czyli podróż do początku wszechświata. Czy może się to zdarzyć na Ziemi?

Podstawy akceleratorowej spektrometrii mas. Techniki pomiarowe

Oddziaływanie cząstek z materią

Źródła promieniowania X. ciąg dalszy

1.6. Ruch po okręgu. ω =

Fizyka 2. Janusz Andrzejewski

Feynmana wykłady z fizyki. [T.] 1.2, Optyka, termodynamika, fale / R. P. Feynman, R. B. Leighton, M. Sands. wyd. 7. Warszawa, 2014.

Podstawy fizyki wykład 8

-> Teaching ->

Elementy optyki relatywistycznej

Transkrypt:

Jak fizycy przyśpieszają cząstki? Mariusz Sapiński (mariusz.sapinski@cern.ch) CERN, Departament Wiązek 10 października 2011

Definicja Akcelerator cząstek: urządzenie produkujące wiązkę cząstek (jonów lub cząstek subatomowych) produkcja cząstek (źródła) przyśpieszanie wytwarzanie i magazynowanie wiązki (wnęki przyśpieszające) (magnesy) zderzanie wiązek (zderzacz) 2

Przyśpieszanie ma granice (przypomnienie z relatywistyki) ( ev energia jaką cząstka o jednym ładunku elementarnym nabiera w polu o różnicy potencjałów 1 V ) granicą przyśpieszania jest prędkość światła W LEPie elektrony poruszały się z prędkością 99.9999...% predkości światła. Czyli nazwa akceleratory lub przyśpieszacze jest mylna, predkość rośnie bardzo nieznacznie dla cząstek relatywistycznych rośnie ich energia. Pod koniec lat 40-tych proponowano nawet nazwę ponderator, ale się ona nie przyjęła. Dlatego w CERNie nie mówi sie o przyśpieszaniu do prędkości ale do ENERGII (3.5 TeV) 3

Spis treści Źródła cząstek Przyśpieszanie elektrostatyczne Wnęki rezonansowe. Surfowanie na fali. Ciekawostki: mechanizm Fermiego, akceleratory plazmowe Akceleratory kołowe: cyklotron Synchrotrony. Zderzacze: świetlność. Akceleratory CERNowskie. Przyszłość akceleratorów 4

Źródła cząstek Elektrony: termoemisja (rozżażona katoda, jak w starych telewizorach) lub emisja pobudzana laserowo (fotoemisja). Jony/protony: wiele konstrukcji - jonizacja gazu a następnie zastosowaniu pola elektrycznego/magnetycznego do wypchnięcia jonów w jednym kierunku - duoplasmotron Kolejne etapy: 1. kolimacja 2. formowanie paczek 3. przyśpieszanie 5

Najprostszy akcelerator elektrostatyczny (XIX wiek!) eksperyment - obszar w którym następuje wykorzystanie wiązki pole przyśpieszające źródło cząstek próżnia lampa rentgenowska: E ~ 105 ev (napięcie 100 kv) główne ograniczenie: możliwość wygenerowania wysokiego napięcia elektrostatycznego (przebicie elektryczne) próżnia niezbędny element akceleratorów 6

Jak obejść ograniczenie wysokiego napięcia? + V źródło Pierwszy system: 1928 - Cząstki przyspieszane pomiędzy komorami dryfowymi Ograniczenia: rozmiary (dla 7 MHz, proton 1MeV pokonuje 2m/cykl), straty radiacyjne dla wyższych częstotliwości (ponad 10 MHz) Tak przyśpieszana wiązka nie może być ciągła - paczki! 7

Ulepszenie: system Alvareza 1947, kiedy technika radarowa (klystony) była już rozwinęta Dołożenie zbiornika zbudowanego tak, aby jego częstość rezonansowa odpowiadała częstości fali potrzebnej do przyśpieszania Fala stojąca z polem elektrycznym skierowanym wzdłuż osi zbiornika generowana przez klistron Częstotliwość fali: 200 MHz Drift Tube Linac (DLT), 3 MV/m 8

Pola fali elektromagnetycznej Fala w pustej przestrzeni Fala w falowodzie 9

Fala stojąca a biegnąca (dwa sposoby napędzania cząstki) Przyśpieszanie na fali stojącej gradienty ok. 5 MV/m ale jednorodne, podczas gdy w przypadku fali biegnącej przekaz energii maleje wzdłuż struktury Przyśpieszanie na fali biegnacej gradienty ok. 20-30 MV/m (wnęki nadprzewodzące) 10

Skąd się bierze promieniowanie kosmiczne? Największe energie promieniowanie kosmiczne: 1020 ev, LHC: 7 1012 ev (Oh-my-God particle: 50 dżuli!) Promienie kosmiczne o najwyższych energiach może być produkowane przez akcelerację Fermiego: przyśpieszanie przez magnetyczną falę uderzeniową LHC LHC Ta metoda nie jest zbyt użyteczna dla nas: wymagana ogromna przestrzeń, cząstki przyśpieszane są izotropowo. 11

Tendencja historyczna W przeszłości energia wiązek nowych maszyn rosła liniowo z czasem. Teraz osiągamy saturację, pokazującą limity współczesnej technologii. LHC jest maszyną o największej energii działającą w oparciu o wnęki rezonansowe. 12

Nowe pomysły: akcelerator plazmowy Idea: pole elektryczne impulsu laserowego wstrzelonego w plazmę rozdziela elektrony od jonów tworząc lokalnie bardzo wysoki gradient pola (tzw. wakefield), który można wykorzystać do przyśpieszania cząstek. Porównanie gradientów: wnęka rezonansowa: 30 MV/m plazma gazowa: 100 GV/m gradienty w ciele stałym: 100 GV/cm femtosekundowa synchronizacja rekord: dla porównania: 42 GeV na dystansie 85 cm! SLAC: 50 GeV 3 km! 13

Akceleratory liniowe a kołowe Liniowy: Każdy element przyśpieszający jest używany raz, Odległość między elementami przyśpieszającymi może rosnąć tak, aby częstotliwość fali przyśpieszającej dostosować do prędkości cząstki Kołowy: Element przyśpieszający jest używany wielokrotnie, Jeśli akcelerator jest zderzaczem to te same paczki cząstek można wykorzystywać wielokrotnie Bρ = p/e - w trakcie przyśpieszania zmienia sie B lub ρ 14

Zakrzywianie wiązki siła Lorenza: Sztywność magnetyczna: B*r = p/e np. znając maksymalne pole (8.5 T) oraz promień (tunel = 2.8 km) można obliczyć maksymalny pęd uzyskiwany w akceleratorze (7 TeV) 15

Cyklotrony Cyklotron (historycznie nazywany betatronem jeśli przyśpiesza się elektrony): stałe pole magentyczne zakrzywia tor cząstek, między połówkami przykłada sie zmienne pole elektryczne o stałej częstotliwości Lawrence, Nobel 1939 (ale też Widroe!) Za każdym razem wykorzystuje się inną część szczeliny przyśpieszającej 16

Cyklotrony magnesy (8) wnęki przyśpieszające (4) 4.5 m Cyklotron w PSI, przyśpieszający protony z 72 do 590 MeV, moc wiązki 1.3 MW. 17

Synchrotrony M. Oliphant - idea E. McMillan realizacja Zmieniamy (synchronicznie) oba pola: elektryczne (gradient we wnękach rezonansowych) i magnetyczne Cząstki poruszają się po orbicie o stałym promieniu Główne elementy: Magnesy zakrzywiające Magnesy ogniskujące Wnęki rezonansowe 18

Magnesy zakrzywiające wiązkę Dipole o wertykalnym polu zakrzywiają wiązkę w płaszczyźnie horyzontalnej 15 metrów, 22 tony 19

Stabilność wiązki W idealnej maszynie potrzebujemy tylko dipoli, ale Świat nie jest idealny cząstki w wiązce są poddawane: grawitacji stratom energii w wyniku radiacji oddziaływaniom międzycząstkowym oddziaływaniom z materiałem akceleratora Te efekty rozogniskowują wiązkę Efekt ogniskujący dają kwadrupole Ogniskowanie w płaszczyźnie x jest jednoznacze z rozogniskowaniem w płaszczyźnie y 20

Kwadrupol LHC 21

Punkt zderzenia Wiązki ogniskowane z około 0.1 mm do około 0.02 mm, (ludzki włos 0.05 mm) Miliony zderzeń na sekundę (f) Świetlność chwilowa: L=f/σ f - czestość zderzeń σ przekrój czynny 22

Wiązka LHC 1014 protonów o energii 7 TeV (chwilowo 3.5 TeV) poruszających się po wspólnej trajektorii (odchylenie 0.1 mm) Energia kinetyczna zawarta w wiązce: 362 MJ Dla ilustracji: 1013 protonów, 450 GeV ekstrakcja z SPS, październik 2004, konieczna wymiana magnesu: 2 kn f L= 4 πσ x σ y 23

Kompleks akceleratorów CERN kn 2 f L= 4πσ x*σ *y 24

CLIC dlaczego wracamy do elektronów? Dwie wiązki elektronów w akceleratorze liniowym (bez promieniowania synchrotronowego) o długości 50 km Protony są cząstkami złożonymi, w zawiązku z czym kiedy się zderza 2 protony to oddziaływują 2 kwarki lub gluony o nieznanej energii! 25

Akceleratory w Polsce Mamy kilka małych akceleratorów. Najnowsze: Synchrotron protonowy dla terapii hadronowej (IFJ Kraków) Synchrotron elektronowy do produkcji promieniowania synchrotronowego (UJ Kraków) Planuje się budowę XFELa (Warszawa) Ponadto Narodowe Centrum Badań Jądrowych w Świerku buduje fragmenty LINACa4. 26

Podsumowanie Akceleratory służą otrzymywaniu wiązek cząstek naładowanych o wysokich energiach Źródła cząstek termoemisja oraz plazma Kilka metod przyśpieszania: elektrostatyczne, na fali elektromagnetycznej stojącej lub biegnącej paczki cząstek (wnęki rezonansowe), w plaźmie Akceleratory liniowe oraz kołowe Cyklotron: zmiana promienia z energią Synchrotrony: zmiana pola magnetycznego z energią Magnesy zakrzywiające (dipole) oraz ogniskujące (kwadrupole) Punkt zderzenia świetlność Po LHC: CLIC liniowy zderzacz elektronów optyka wiązki 27

Dodatkowe slajdy 28

Przyszłość akceleratorów XFEL oraz inne Light sources - badania materiałowe Terapia hadronowa (kilka akceleratorów jest budowanych) Następne giganty (CLIC lub NLC) liniowe, elektronowe Może fuzja wspomagana akceleratorami? 29