Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 8 Maria Krawczyk, Wydział Fizyki UW 25.11.2011 Współczesne eksperymenty Wprowadzenie Akceleratory Zderzacze Detektory LHC Mapa drogowa
Współczesne eksperymenty -wprowadzenie W niektórych doświadczeniach jesteśmy bierni, tylko rejestrujemy zdarzenia i analizujemy wyniki w laboratoriach na- i podziemnych oraz satelitarnych. To dotyczy neutrin, promieniowania kosmicznego, (Kamiokande, Pierre Auger..) poszukiwania ciemnej materii, itp. Stosujemy różne sposoby detekcji cząstek (wykład 2). W innych doświadczeniach nasza rola jest większa: wytwarzamy cząstki (wiązki cząstek) o określonych własnościach (w tym energiach), prowadzimy i ogniskujemy wiązki, zderzamy wiązki z tarczą lub przeciwbieżną wiązką, a następnie rejestrujemy produkty zderzeń (detekcja). wg A. F. Żarnecki, WCE 2010/11
Zderzacze XX-XXI w (energie zderzenia) LEP (CERN) SLC (SLAC) e+e- ep BaBaR (SLAC) BELLE (KEK) DAΦNE (Frascati) HERA (DESY) 200 GeV 100 9+3 10.6 1.4 300 p p Tevatron (FERMILAB) 1960 pp RHIC (Brookhaven) 200 14 000 (AA) LHC (CERN) PLANY ILC (i PLC) CLIC 0.5-1 TeV 3 TeV
Źródła cząstek Naturalne: - zródła promieniotwórcze - promieniowanie kosmiczne Sztuczne
Źródła promieniotwórcze -
Promieniowanie kosmiczne: pierwotne i wtórne
Pierwotne promieniowanie kosmiczne
Wtórne promieniowanie kosmiczne
Energie promieni kosmicznych akcelerator kosmiczny? Wykres: strumień cząstek o energii w przedziale 1 GeV padający na m 2 w ciągu sekundy, (linie poziome = 1 cząstka na m2/ sekunda, m2 / rok i km2/rok)
Akceleratory i zderzacze ziemskie Akceleratory (przyspieszacze) dostarczają energetycznych cząstek do badania struktury materii. Te cząstki mogą się zderzać z nieruchomą tarczą lub z innymi energetycznymi cząstkami (zderzacze, kolajdery). Akceleratory kołowe cząstki krążą wielokrotnie po okręgu Akceleratory liniowe cząstki przebiegają (po prostej) układ przyspieszający tylko raz Kilka akceleratorów może być połączonych ze sobą, aby stopniowo nadawać wyższe energie cząstkom. O historii akceleratorów: http://www.aip.org/history/lawrence/epa.htm Ogólne informacje: http://public.web.cern.ch/public/en/research/accelerator-en.html
Etapy: 1/wytwarzanie i formowanie wiązek cząstek (cząstki formowane w paczki, paczki tworzą wiązki) 2/przyśpieszanie cząstek (pole el.) 3/prowadzenie i ogniskowanie wiązek cząstek (pole magnetyczne, szczególnie ważne dla zderzaczy kołowych) 4/zderzanie 5/obserwacja (detekcja, rejestracja, interpretacja) Ale najpierw pomysł badań w oparciu o przesłanki teoretyczne
Akceleratory (przyspieszacze) U
długość v/c Współcześnie: SPS (Super Proton Synchrotron, CERN) i liniowy akcelerator protonów (Fermilab)
Wnęki rezonansowe napięcie rzędu
Wnęki rezonansowe w LHC Częstość pracy 400 MHz Łącznie 16 wnęk, 8 wnęk na wiązkę Napięcie przyspieszające: 2 MV na wnękę Przekaz energii: 16 MeV na okrążenie
Akcelerator kołowy Im większa energia cząstki tym większy promień obiegu cząstki w stałym polu magnetycznym B w ręku (!) trzyma cyklotron
pole magnetyczne rośnie ze wzrostem energii przyspieszanych cząstek,
Tunel LHC
Zderzacz elektronów z protonami
Największe zderzacze w ośrodkach:
LEP LHC (zderzacz Large Elektron Pozyton LEP) Large Hadron Collider LHC jak samochód osob. 60 km/h
Widać inne akceleratory dostarczające wiązki protonów do LHC W dużym okręgu (LHC) - dwie przeciwbieżne wiązki protonów
Duży okrąg- akcelerator protonów, mały - akcelerator elektronów
Dwie przeciwbieżne wiązki protonów i antyprotonów
Akcelerator linowy e+ e-
Akcelerator liniowy e+ e-
Większe energie w większych urządzeniach - dlaczego? Energia wiązek proporcjonalna do obwodu akceleratora i średniego pola przyśpieszającego Co ogranicza energie uzyskiwane w akceleratorach?
ZBYT DUŻY!!
Energia to nie wszystko-ważna liczba zderzeń czyli świetlność zderzacze = energię. zderzenia
zderzeń bo ciekawe procesy bardzo mało prawdopodobne
Detekcja W wyniku zderzeń powstają cząstki różnego typu
Obraz w płaszczyźnie prostopadłej do osi wiązek
Jety (strugi) hadronów Jety (dżety) inne nazwy: strugi, pęki
Jety hadronowe Najczęściej powstają dwa jety (z pary kwark-antykwark)
produkcja czastek Higgsa Liczba przypadków na rok
LHC
Wielki Zderzacz Hadronów Large Hadron Collider (LHC) 44 doświadczenia: doświadczenia ATLAS, CMS, LHC-B i ALICE
tunel pod ziemią 100 m
detektor=nazwa eksperymentu człowiek
człowiek
HIGGS?
cząstka Higgsa
LHC ruszył po naprawie! 23 listopada 2009r doszło do pierwszych zderzeń w LHC. Detektory 4 doświadczeń (CMS, ATLAS, ALICE LHCb) zarejestrowały wyniki zderzeń. 30 listopada 2009 pobity rekord energii obie wiązki osiągnęły energię 1.18 TeV!! W Tevatronie energia wiązki 0.98 TeV Nowości na bieżąco http://twitter.com/cern/
LHC dziś
LHC to nie jest wyprawa w nieznane! Prowadzi nas Model Standardowy i poważne teorie/modele teoretyczne Istniejące doświadczenia oświetlają drogę Wiemy czego szukamy i wiemy co na pewno znajdziemy Ale liczymy też na niespodzianki
Poszukiwanie nowych ciężkich cząstek - dwa fronty badań Doświadczenia przy dużych energiach: bezpośrednia produkcja ciężkich cząstek. LEP: masa cząstki Higgsa większa od 114 GeV Doświadczenia przy niskich energiach ale bardzo precyzyjne: pośrednie efekty od ciężkich cząstek. Dopasowanie do precyzyjnych danych zawiera poprawki kwantowe od tych cząstek.
Mapa drogowa w fizyce cząstek elementarnych - wiek XXI CEL: fundamentalny opis przyrody Duży Zderzacz Hadronów =TeVatron Wielki Zderzacz Hadronów = LHC Zderzacze leptonów średnie i małe energie Zderzacz kosmiczny Plany: Duże i wielkie liniowe zderzacze leptonów = ILC, CLIC Zderzacze fotonów PLC
Higgs Higgs H i g g s I L C ILC LHC
Pytania do wykładu 8 8.01 Jak nazywają się największe dwa zderzacze hadronów, działające obecnie? 8.02 Porównaj ich energie zderzenia. 8.03 Jakie cząstki (poza neutrinami) dominują w promieniowaniu kosmicznym docierającym do powierzchni Ziemi? 8.04 Jak jest największa obserwowana energia promieni kosmicznych? 8.05 Podaj dwie istotne różnice między zderzaczami kołowym i liniowymi 8.06 Czy kondesator przyśpiesza cząstki naładowane? 8.07 Jaką rolę pełni w zderzaczach pole magnetyczne? 8.08 Ile energii zyskuje proton po jednym okrążeniu w LHC? 8.09 Kiedy powstał pierwszy kołowy akcelerator przyśpieszający cząstki? 8.10 Porównaj wielkość (średnicę) tego urządzenia ze średnicą LHC 8.11 Ile paczek protonów krąży w jednej wiązce w LHC? 8.12 Do ilu zderzeń paczek na sekundę dochodzi w LHC? 8.13 Jak nazywają się dwa duże doświadczenia w LHC? 8.14 Ile razy zderzają się wiązki w zderzaczu liniowym? 8.15 Czego dotyczy projekt GRID? 8.16 Jaką największą energię zarejestrowano w LHC?