Akceleratory Cząstek

M. Trzebiński Akceleratory cząstek 1/30 Akceleratory Cząstek Maciej Trzebiński Instytut Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauki Praktyki studenckie na LHC IFJ PAN, 23 sierpnia 2016

Obserwacje w makroświecie M. Trzebiński Akceleratory cząstek 2/30

Obserwacje w makroświecie M. Trzebiński Akceleratory cząstek 2/30 Podstawowe narzędzie obserwacji: nasze oczy. Zdolność rozdzielcza: 0.03 mm (w odległości najlepszego widzenia, tj. ok. 25 cm). Zdolność rozdzielcza Jak bardzo oddalone od siebie muszą być dwa obiekty zanim zleją się w jeden.

Obserwacje w makroświecie M. Trzebiński Akceleratory cząstek 2/30 Podstawowe narzędzie obserwacji: nasze oczy. Zdolność rozdzielcza: 0.03 mm (w odległości najlepszego widzenia, tj. ok. 25 cm). Zdolność rozdzielcza Jak bardzo oddalone od siebie muszą być dwa obiekty zanim zleją się w jeden. Mikroskop: światło widzialne powiększenie do 1500 razy, światło ultrafioletowe powiększenie do 3500 razy.

Obserwacje w makroświecie M. Trzebiński Akceleratory cząstek 2/30 Podstawowe narzędzie obserwacji: nasze oczy. Zdolność rozdzielcza: 0.03 mm (w odległości najlepszego widzenia, tj. ok. 25 cm). Zdolność rozdzielcza Jak bardzo oddalone od siebie muszą być dwa obiekty zanim zleją się w jeden. Mikroskop: światło widzialne powiększenie do 1500 razy, światło ultrafioletowe powiększenie do 3500 razy. Warunek obserwacji Długość fali, którą oświetlamy obiekt musi być mniejsza od jego rozmiarów.

Obserwacje w mikroświecie M. Trzebiński Akceleratory cząstek 3/30 Dualizm korpuskularno-falowy Materia ma zarówno właściwości korpuskularne jak i falowe. W szczególności każda cząstka odpowiednią długość fali, która jest odwrotnie proporcjonalna do energii cząstki: długość fali 1/energia cząstki Im większa energia cząstki, tym mniejsza jest długość jej fali.

Obserwacje w mikroświecie M. Trzebiński Akceleratory cząstek 3/30 Dualizm korpuskularno-falowy Materia ma zarówno właściwości korpuskularne jak i falowe. W szczególności każda cząstka odpowiednią długość fali, która jest odwrotnie proporcjonalna do energii cząstki: długość fali 1/energia cząstki Im większa energia cząstki, tym mniejsza jest długość jej fali. Mikroskop elektronowy: powiększenie: 10 7 razy zdolność rozdzielcza: 50 pm

Obserwacje w mikroświecie M. Trzebiński Akceleratory cząstek 3/30 Dualizm korpuskularno-falowy Materia ma zarówno właściwości korpuskularne jak i falowe. W szczególności każda cząstka odpowiednią długość fali, która jest odwrotnie proporcjonalna do energii cząstki: długość fali 1/energia cząstki Im większa energia cząstki, tym mniejsza jest długość jej fali. źródło elektronów Mikroskop elektronowy: powiększenie: 10 7 razy zdolność rozdzielcza: 50 pm

Obserwacje w mikroświecie M. Trzebiński Akceleratory cząstek 3/30 Dualizm korpuskularno-falowy Materia ma zarówno właściwości korpuskularne jak i falowe. W szczególności każda cząstka odpowiednią długość fali, która jest odwrotnie proporcjonalna do energii cząstki: długość fali 1/energia cząstki Im większa energia cząstki, tym mniejsza jest długość jej fali. źródło elektronów rozpędzanie wiązki elektronów (zwiększanie energii) w polu elektrycznym Mikroskop elektronowy: powiększenie: 10 7 razy zdolność rozdzielcza: 50 pm

Obserwacje w mikroświecie M. Trzebiński Akceleratory cząstek 3/30 Dualizm korpuskularno-falowy Materia ma zarówno właściwości korpuskularne jak i falowe. W szczególności każda cząstka odpowiednią długość fali, która jest odwrotnie proporcjonalna do energii cząstki: długość fali 1/energia cząstki Im większa energia cząstki, tym mniejsza jest długość jej fali. źródło elektronów rozpędzanie wiązki elektronów (zwiększanie energii) w polu elektrycznym Mikroskop elektronowy: powiększenie: 10 7 razy zdolność rozdzielcza: 50 pm skupianie wiązki w polu magnetycznym

Obserwacje w mikroświecie M. Trzebiński Akceleratory cząstek 3/30 Dualizm korpuskularno-falowy Materia ma zarówno właściwości korpuskularne jak i falowe. W szczególności każda cząstka odpowiednią długość fali, która jest odwrotnie proporcjonalna do energii cząstki: długość fali 1/energia cząstki Im większa energia cząstki, tym mniejsza jest długość jej fali. źródło elektronów rozpędzanie wiązki elektronów (zwiększanie energii) w polu elektrycznym Mikroskop elektronowy: powiększenie: 10 7 razy zdolność rozdzielcza: 50 pm skupianie wiązki w polu magnetycznym oświetlenie przedmiotu

Obserwacje w mikroświecie M. Trzebiński Akceleratory cząstek 3/30 Dualizm korpuskularno-falowy Materia ma zarówno właściwości korpuskularne jak i falowe. W szczególności każda cząstka odpowiednią długość fali, która jest odwrotnie proporcjonalna do energii cząstki: długość fali 1/energia cząstki Im większa energia cząstki, tym mniejsza jest długość jej fali. źródło elektronów rozpędzanie wiązki elektronów (zwiększanie energii) w polu elektrycznym Mikroskop elektronowy: powiększenie: 10 7 razy zdolność rozdzielcza: 50 pm skupianie wiązki w polu magnetycznym oświetlenie przedmiotu odczyt danych

M. Trzebiński Akceleratory cząstek 4/30 Rozwój akceleratorów Przez ostatnie dziesięciolecia znacznie rozwinęliśmy techniki przyśpieszania cząstek. Akceleratory można podzielić ze względu na: kształt: liniowe (wada: jednokrotne przyśpieszanie w danym elemencie), kołowe (wada: promieniowanie synchrotronowe). przyśpieszane cząstki: leptony, np. elektrony (wada: duże starty energii ze względu na promieniowanie synchrotronowe), hadrony, np. protony (wada: zderzenia cząstek nieelementarnych).

Rozwój akceleratorów Przez ostatnie dziesięciolecia znacznie rozwinęliśmy techniki przyśpieszania cząstek. Akceleratory można podzielić ze względu na: kształt: liniowe (wada: jednokrotne przyśpieszanie w danym elemencie), kołowe (wada: promieniowanie synchrotronowe). przyśpieszane cząstki: leptony, np. elektrony (wada: duże starty energii ze względu na promieniowanie synchrotronowe), hadrony, np. protony (wada: zderzenia cząstek nieelementarnych). Naturalny układ jednostek w fizyce wysokich energii Jednostkami naturalnymi dla fizyki cząstek elementarnych są jednostki związane ze skalami występującymi w mechanice kwantowej oraz w teorii względności: jednostka działania: ~ = 1, prędkość światła w próżni: c = 1, jednostka energii: ev (elektronowolt): Elektronowolt energia, jaką uzyskuje bądź traci elektron, który przemieścił się w polu elektrycznym o różnicy potencjałów równej 1 woltowi. 1eV = 1e 1V = 1.602 10 19 J M. Trzebiński Akceleratory cząstek 4/30

Metoda badawcza M. Trzebiński Akceleratory cząstek 5/30 Sposób obserwacji w mikroświecie: rozpędzić cząstkę do dużej energii i obserwować produkty zderzenia. Im większa energia cząstki, tym bardzie prawdopodobne jest wyprodukowanie nowych, ciężkich cząstek.

M. Trzebiński Akceleratory cząstek 5/30 Metoda badawcza Sposób obserwacji w mikroświecie: rozpędzić cząstkę do dużej energii i obserwować produkty zderzenia. Im większa energia cząstki, tym bardzie prawdopodobne jest wyprodukowanie nowych, ciężkich cząstek. Można rozróżnić dwa rodzaje zderzeń: wiązka cząstek vs. nieruchoma tarcza; maksymalna energia w środku masy (czyli dostępna do produkcji cząstek) wynosi 2 masa cząstki energia wiązki wiązka vs. wiązka; maksymalna energia zderzenia wynosi 2 energia wiązki

Metoda badawcza Sposób obserwacji w mikroświecie: rozpędzić cząstkę do dużej energii i obserwować produkty zderzenia. Im większa energia cząstki, tym bardzie prawdopodobne jest wyprodukowanie nowych, ciężkich cząstek. Można rozróżnić dwa rodzaje zderzeń: wiązka cząstek vs. nieruchoma tarcza; maksymalna energia w środku masy (czyli dostępna do produkcji cząstek) wynosi 2 masa cząstki energia wiązki wiązka vs. wiązka; maksymalna energia zderzenia wynosi 2 energia wiązki Przykład produkcja bozonu Higgsa na LHC: dwa partony (części protonu) oddziałują ze sobą, ponieważ proton, a zatem i jego składniki, ma dużą energię, to możliwe jest powstanie nowych, ciężkich cząstek, jedną z nich może być bozon Higgsa, prawdopodobieństwo wyprodukowania go w zderzeniu wiązek protonów o energii 7000 GeV każda wynosi ok. 10 10. M. Trzebiński Akceleratory cząstek 5/30

Przekrój czynny i świetlność M. Trzebiński Akceleratory cząstek 6/30 Przekrój czynny, σ Jest miarą prawdopodobieństwa zajścia danego procesu. Jednostką jest barn [b].

Przekrój czynny i świetlność M. Trzebiński Akceleratory cząstek 6/30 Przekrój czynny, σ Jest miarą prawdopodobieństwa zajścia danego procesu. Jednostką jest barn [b]. Świetlność, L Jest miarą wydajności akceleratora / ilości zebranych danych. Wyróżniamy świetlność: całkowitą, wyrażaną przeważnie w b 1, chwilową, wyrażaną w cm 2 s 1. Świetlność całkowita zależy od: częstości oddziaływań, f, ilości cząstek w zderzanym pakiecie, N, liczby pakietów, n, szerokości wiązki, σ, czasu zbierania danych, t. f n N1 N2 L = t 4π σ x σ y

Przekrój czynny i świetlność Przekrój czynny, σ Jest miarą prawdopodobieństwa zajścia danego procesu. Jednostką jest barn [b]. Świetlność, L Jest miarą wydajności akceleratora / ilości zebranych danych. Wyróżniamy świetlność: całkowitą, wyrażaną przeważnie w b 1, chwilową, wyrażaną w cm 2 s 1. Świetlność całkowita zależy od: częstości oddziaływań, f, ilości cząstek w zderzanym pakiecie, N, liczby pakietów, n, szerokości wiązki, σ, czasu zbierania danych, t. f n N1 N2 L = t 4π σ x σ y Liczba zebranych przypadków n = L σ Ile przypadków produkcji bozonów Higgsa możemy oczekiwać w 100 fb 1 danych zebranych przez LHC prze energii w środku masy równej s = 13 TeV? M. Trzebiński Akceleratory cząstek 6/30

Ośrodek naukowy 1 W CERNie działa wiele innych, mniejszych eksperymentów, np. COMPASS, NA61/SHINE,... M. Trzebiński Akceleratory cząstek 7/30 CERN: Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire Europejska Organizacja Badań Jądrowych powstanie: 29 września 1954 (ratyfikacja umowy o założeniu z 1952 r.) największe na świecie laboratorium zajmujące się badaniami podstawowymi 2600 stałych pracowników plus ok. 8000 współpracujących naukowców i inżynierów z całego świata (w tym ok. 200 z Polski) Polska w CERNie: obserwator od 1964 r., członek od 1 lipca 1991 r. kolebka www (nie internetu!) w 1989 Tim Berners-Lee stworzył język HTML oraz protokół HTTP Urządzenia badawcze CERNu, które nas interesują 1 : akcelerator LHC Large Hadron Collider (Wielki Zderzacz Hadronów) detektory: ATLAS, CMS, ALICE, LHCb, TOTEM, LHCf, MoEDAL

CERN Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire M. Trzebiński Akceleratory cząstek 8/30

Źródło protonów M. Trzebiński Akceleratory cząstek 9/30 Butla z wodorem (wodór = proton + elektron) Duoplazmatron oddzielenie elektronów: katoda emituje elektrony do komory próżniowej wpuszczamy gaz, który ma zostać zjonizowany gaz zostaje zjonizowany w skutek oddziaływania z elektronami (powstaje plazma) elektrony zostają oddzielone od jądra na skutek działania pola elektrycznego

Butla z wodorem i duoplazmatron M. Trzebiński Akceleratory cząstek 10/30

Przyśpieszanie cząstek M. Trzebiński Akceleratory cząstek 11/30 Przyśpieszanie cząstek następuje w polu elektrycznym! W CERN działają dwa akceleratory liniowe: LINAC2: działa od 1978 r.; zastąpił LINAC1, przyśpiesza protony do energii 50 MeV, w 2020 r. zostanie zastąpiony przez LINAC4 (160 MeV). LINAC3: działa od 1994 r., przyśpiesza ciężkie jony do energii 4.2 MeV/nukl., zużywa ok. 500 mg ołowiu w każdych 2 tygodniach działania, ciężkie jony są przesyłane do Low Energy Ion Ring, będzie działał co najmniej do 2022 r.

LINAC2 M. Trzebiński Akceleratory cząstek 12/30

Sterowanie wiązki magnesy M. Trzebiński Akceleratory cząstek 13/30 Sterowanie ruchem cząstek odbywa się w polu magnetycznym. Siła Lorentza (składowa magnetyczna): F = q ( v B) Rodzaje i przeznaczenie magnesów dipole zakrzywianie toru wiązki, kwadrupole skupianie / rozpraszanie wiązki, multipole (sekstupolowe, oktupolowe,...) poprawki wyższego rzędu, np. oddziaływania elektromagnetyczne pomiędzy paczkami.

Magnes dipolowy M. Trzebiński Akceleratory cząstek 14/30

Magnes kwadrupolowy M. Trzebiński Akceleratory cząstek 15/30

Proton Synchrotron Booster M. Trzebiński Akceleratory cząstek 16/30 Akcelerator kołowy o promieniu 20 m uruchomiony w 1972 r. Przyśpiesza 50 MeV protony z LINAC2 do 1.4 GeV. Przed uruchomieniem Boostera protony były wstrzykiwane bezpośrednio do akceleratora Proton Synchrotron. Mała energia początkowa (50 MeV) stanowiła ograniczenie na ilość protonów. Booster zwiększył ten limit o czynnik 100.

PS Booster M. Trzebiński Akceleratory cząstek 17/30

Proton Synchrotron M. Trzebiński Akceleratory cząstek 18/30 Akcelerator kołowy o obwodzie 628 m uruchomiony w 1959 r. Pierwszy synchrotron w CERN. 277 konwencjonalnych elektromagnesów (temp. pokojowa), w tym 100 dipole. Przyśpiesza 1.4 GeV protony z PS Booster do 26 GeV lub 72 MeV/nukl. ciężkie jony z LEIR do 5.9 GeV/nukl.

Proton Synchrotron M. Trzebiński Akceleratory cząstek 19/30

Super Proton Synchrotron M. Trzebiński Akceleratory cząstek 20/30 Akcelerator kołowy o obwodzie 6.9 km uruchomiony w 1976 r. 1317 konwencjonalnych elektromagnesów (temp. pokojowa), w tym 744 dipole. Przyśpiesza protony do energii 450 GeV oraz ciężkie jony do energii 177 GeV/nukl. Dostarcza wiązki do LHC, hal testowych oraz eksperymentów NA61/SHINE, NA62 oraz COMPASS. Zderzenia proton-antyproton na SPS pozwoliły m. in. na odkrycie: bozonów W oraz Z; eksperymenty UA1 oraz UA2; nobel dla Carlo Rubbia oraz Simona van der Meera w 1983, bezpośredniego łamania symetrii CP; eksperyment NA48.

Super Proton Synchrotron M. Trzebiński Akceleratory cząstek 21/30

Wielki Zderzacz Hadronów LHC M. Trzebiński Akceleratory cząstek 22/30 Największy na świecie akcelerator kołowy: obwód 27 km. Uruchomiony w 2008 r. Nadprzewodzące elektromagnesy: 1232 dipole oraz 858 kwadrupole. Temperatura magnesów: 1.9 K (-271.3 0 C). Pole magnetyczne: 8.33 T. Bardzo wysoka próżnia: 10 13 atm. Przyśpiesza protony do energii 14 TeV oraz ciężkie jony do energii 2.76 GeV/nukl. Cząstki osiągają prędkość bliską prędkości światła w próżni: 0.999999991 c. Zderzenia proton-proton na LHC pozwoliły m. in. na odkrycie bozonu Higga; eksperymenty ATLAS oraz CMS; nobel dla Francois Englerta oraz Petera Higgsa w 2013 r.

Large Hadron Collider M. Trzebiński Akceleratory cząstek 23/30

Zderzenia Wiązek M. Trzebiński Akceleratory cząstek 24/30

Animacje źródła M. Trzebiński Akceleratory cząstek 25/30 Użyte w prezentacji: Magnes dipolowy: http://cds.cern.ch/record/1750706 Magnes kwadrupolowy: http://cds.cern.ch/record/1750723 CERN: http://cds.cern.ch/record/1750715 Duoplazmatron: http://cds.cern.ch/record/1750714 LINAC2: http://cds.cern.ch/record/1750713 PS Booster: http://cds.cern.ch/record/1750712 Proton Synchrotron: http://cds.cern.ch/record/1750711 SPS: http://cds.cern.ch/record/1750710 LHC: http://cds.cern.ch/record/1750708 Zderzenia: http://cds.cern.ch/record/1750703 Dodatkowe: Kształt wiązki: http://cds.cern.ch/record/1750709 Profil wiązki: http://cds.cern.ch/record/1750707 Kolimatory: http://cds.cern.ch/record/1750704 Detektor ATLAS: http://cds.cern.ch/record/1483758

Dodatkowe materiały M. Trzebiński Akceleratory cząstek 26/30 Skala Wszechświata: http://htwins.net/scale2/ Fizyka cząstek: http://particleadventure.org/index.html CERN Accelerator School (basic): http://cas.web.cern.ch/cas/czechrepublic2014/lectures/lectures.html CERN Accelerator School (advanced): http://cas.web.cern.ch/cas/poland2015/lectures/polandlectures.html H. Wiedemann, Particle Accelerator Physics, ph381.edu.physics.uoc.gr/particle Accelerator Physics.pdf Działanie duoplazmatronu: http://psdoc.web.cern.ch/psdoc/ acc/ad/visiteguideps/animations/duoplasmatron/duoplasmatron.html

Podsumowanie (I) M. Trzebiński Akceleratory cząstek 27/30 Zdolność rozdzielcza Jak bardzo oddalone od siebie muszą być dwa obiekty zanim zleją się w jeden. Warunek obserwacji Długość fali, którą oświetlamy obiekt musi być mniejsza od jego rozmiarów. Dualizm korpuskularno-falowy Materia ma zarówno właściwości korpuskularne jak i falowe. W szczególności każda cząstka odpowiednią długość fali, która jest odwrotnie proporcjonalna do energii cząstki: długość fali 1/energia cząstki Im większa energia cząstki, tym mniejsza jest długość jej fali. Naturalny układ jednostek w fizyce wysokich energii Jednostkami naturalnymi dla fizyki cząstek elementarnych są jednostki związane ze skalami występującymi w mechanice kwantowej oraz w teorii względności: jednostka działania: = 1, prędkość światła w próżni: c = 1, jednostka energii: ev (elektronowolt): Elektronowolt energia, jaką uzyskuje bądź traci elektron, który przemieścił się w polu elektrycznym o różnicy potencjałów równej 1 woltowi. 1eV = 1e 1V = 1.602 10 19 J

Podsumowanie (II) M. Trzebiński Akceleratory cząstek 28/30 Akceleratory można podzielić ze względu na: kształt: liniowe (wada: jednokrotne przyśpieszanie w danym elemencie), kołowe (wada: promieniowanie synchrotronowe). przyśpieszane cząstki: leptony, np. elektrony (wada: duże starty energii ze względu na promieniowanie synchrotronowe), hadrony, np. protony (wada: zderzenia cząstek nieelementarnych). Można rozróżnić dwa rodzaje zderzeń: wiązka cząstek vs. nieruchoma tarcza; maksymalna energia w środku masy (czyli dostępna do produkcji cząstek) wynosi 2 masa cząstki energia wiązki wiązka vs. wiązka; maksymalna energia zderzenia wynosi 2 energia wiązki Przekrój czynny, σ Jest miarą prawdopodobieństwa zajścia danego procesu. Jednostką jest barn [b]. Świetlność, L Jest miarą wydajności akceleratora / ilości zebranych danych. Wyróżniamy świetlność: całkowitą, wyrażaną przeważnie w b 1, chwilową, wyrażaną w cm 2 s 1.

Podsumowanie (III) M. Trzebiński Akceleratory cząstek 29/30 Liczba zebranych przypadków n = L σ Przyśpieszanie cząstek następuje w polu elektrycznym! Sterowanie ruchem cząstek odbywa się w polu magnetycznym. Siła Lorentza (składowa magnetyczna): F = q ( v B) Rodzaje i przeznaczenie magnesów dipole zakrzywianie toru wiązki, kwadrupole skupianie / rozpraszanie wiązki, multipole (sekstupolowe, oktupolowe,...) poprawki wyższego rzędu, np. oddziaływania elektromagnetyczne pomiędzy paczkami.

1 Wykorzystanie symetrii przy pomiarze rozkładu kąta rozproszenia w procesie pp pp 2 Analiza pierwszych danych fizycznych zebranych przez detektory AFP 3 Zaimplementowanie modelu produkcji przypadków jet-gap-jet do generatora Pythia8 4 Pomiar przekroju czynnego dla procesu Z ττ 5 Pomiar polaryzacji leptonów tau z rozpadu bozonu Z 6 Selekcja przypadków Z ττ w danych zebranych przez eksperyment ATLAS w 2012 roku kanał mionowy 7 Selekcja przypadków Z ττ w danych zebranych przez eksperyment ATLAS w 2012 roku kanał elektronowy 8 Optymalizacja kryteriów selekcji dla rozpadu Λ c pµµ za pomocą wielowymiarowej analizy danych 9 Optymalizacja parametrów analizy wielu zmiennych dla separacji tła w rozpadach bozonu Higgsa na dwa kwarki piękne 10 Rekonstrukcja własności cząstek produkowanych w zderzeniach proton-proton przy energii 13 TeV 11 Symulacja działania kompleksu akceleratorów w CERN 12 Oddziaływania elektromagnetyczne nowe źródło informacji o zderzeniach jąder atomowych. Studium przygotowawcze dla eksperymentu SHINE w CERN 13 Analiza danych z testów detektorów krzemowych 14 Rekonstrukcja inkluzywnych rozpadów mezonów B 15 Testowanie modułu do inkluzywnej rekonstrukcji B znakującego w środowisku eksperymentu Belle II 16 Metody wielowymiarowej analizy w poszukiwaniu fizyki spoza Modelu Standardowego 17 Analiza uszkodzeń radiacyjnych paskowych detektorów krzemowych 18 Automatyzacja i monitorowanie procesów w wielkoskalowych systemach kontroli eksperymentu ATLAS 19 Analiza tła dla procesu dyfrakcyjnego bremsstrahlungu dla LHC pracującego z β = 90 m M. Trzebiński Akceleratory cząstek 30/30