Wyzwania Technologiczne Wielkiego Zderzacza Cząstek (LHC( LHC) w CERN w Genewie Jan Kulka

Podobne dokumenty
Techniczne aspekty LHC (Large Hadron Collider) Udział WFiIS AGH w uruchomieniu akceleratora Jan Kulka

LHC - wielki zderzacz hadronów

Jak Budowano LHC. Andrzej SIEMKO CERN, Departament Technologii Akceleratorów

Jak budowano LHC. Andrzej SIEMKO CERN, Departament Technologii Akceleratorów

Epiphany Wykład II: wprowadzenie

Jak Budowano LHC. Andrzej SIEMKO CERN, Departament Technologii Akceleratorów

Eksperyment ALICE i plazma kwarkowo-gluonowa

Systemy ekstrakcji energii magnetycznej z nadprzewodzących obwodów LHC

Grzegorz Wrochna Narodowe Centrum Badań Jądrowych Z czego składa się Wszechświat?

Techniczne aspekty zderzacza LHC

Cząstki i siły. Piotr Traczyk. IPJ Warszawa

WYKŁAD 8. Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników

Jak działają detektory. Julia Hoffman

Theory Polish (Poland)

Co działo się w LHC podczas LS1? Polish Teachers Programme 22/10/2014. Anna Chrul, IFJ PAN/CERN

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


Jak fizycy przyśpieszają cząstki?

Akceleratory Cząstek

Wstęp do fizyki akceleratorów

Cząstki elementarne. Składnikami materii są leptony, mezony i bariony. Leptony są niepodzielne. Mezony i bariony składają się z kwarków.

Poszukiwany: bozon Higgsa

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

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

WSTĘP DO FIZYKI CZĄSTEK. Julia Hoffman (NCU)

JÜLICH ELECTRIC DIPOLE INVESTIGATIONS MEASUREMENT WITH STORAGE RING

BADANIA ELEKTROMAGNESÓW NADPRZEWODNIKOWYCH W PROCESIE ICH WYTWARZANIA I EKSPLOATACJI

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

Z czego i jak zbudowany jest Wszechświat? Jak powstał? Jak się zmienia?

Sylwa czyli silva rerum na temat fizyki cz astek elementarnych

Fizyka cząstek elementarnych i oddziaływań podstawowych

SCENARIUSZ LEKCJI FIZYKI Z WYKORZYSTANIEM FILMU PĘDZĄCE CZĄSTKI.

Wstęp do akceleratorów

Fizyka cząstek elementarnych. Tadeusz Lesiak

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

Teoria Wielkiego Wybuchu FIZYKA 3 MICHAŁ MARZANTOWICZ

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

Wykład monograficzny 0 1

Cząstki elementarne wprowadzenie. Krzysztof Turzyński Wydział Fizyki Uniwersytet Warszawski

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

Źródła cząstek o wysokich energiach

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

Konstrukcja urządzeń kriogenicznych

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

Na tropach czastki Higgsa

Relatywistyczne zderzenia ciężkich jonów jako narzędzie w badaniu diagramu fazowego silnie oddziałującej materii

VI. 6 Rozpraszanie głębokonieelastyczne i kwarki

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

Wybrane zastosowania nadprzewodników wysokotemperaturowych

Wszechświat czastek elementarnych

Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się w laboratorium CERN

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

LHC klucz do Mikroświata

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

Czego już dowiedzieliśmy się dzięki Wielkiemu Zderzaczowi Hadronów LHC

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

Elementy fizyki czastek elementarnych

Materia i jej powstanie Wykłady z chemii Jan Drzymała

Frialit -Degussit Ceramika tlenkowa Jednostka akceleratora cząstek

WYKŁAD 8. Maria Krawczyk, Wydział Fizyki UW. Oddziaływania słabe

Akceleratory. Instytut Fizyki Jądrowej PAN 1

Specyficzne własności helu w temperaturach kriogenicznych

Ewolucja Wszechświata Wykład 5 Pierwsze trzy minuty

Fizyka 3. Konsultacje: p. 329, Mechatronika

Obserwacja Nowej Cząstki o Masie 125 GeV

STRUKTURA MATERII PO WIELKIM WYBUCHU

CERN. Często zadawane pytania. Przewodnik po LHC LHC SPS CMS. LHCb ALICE ATLAS CNGS BOOSTER ISOLDE. n-tof LEIR. neutrinos. Gran Sasso.

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

WYKŁAD 3. Maria Krawczyk, Wydział Fizyki UW. Masy i czasy życia cząstek elementarnych. Kwarki: zapach i kolor. Prawa zachowania i liczby kwantowe:

Natężenie prądu elektrycznego

Zjawisko utraty stanu nadprzewodzącego w magnesach LHC i sposoby zapobiegania skutkom jego wystąpienia

Kurs dla nauczycieli fizyki - Cząstki elementarne w CERN pod Genewą.

Skad się bierze masa Festiwal Nauki, Wydział Fizyki U.W. 25 września 2005 A.F.Żarnecki p.1/39

Akceleratory. Urządzenia do wytwarzania strumieni cząstek o znacznej energii kinetycznej

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

Tworzenie protonów neutronów oraz jąder atomowych

Udział naukowców z Politechniki Krakowskiej w programie Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC) w CERNie to już 18 lat!

Cząstki elementarne Odkrycia Prawa zachowania Cząstki i antycząstki

Wybrane zagadnienia fizyki jądrowej i cząstek elementarnych. Seweryn Kowalski

Model Standardowy i model Higgsa. Sławomir Stachniewicz, IF PK

Eksperyment ATLAS na Wielkim Koliderze Hadronowym. Czyli Wielka Przygoda z Fizyką i nie tylko

Jak działają detektory. Julia Hoffman

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

Compact Muon Solenoid

Elementy kosmologii. D. Kiełczewska, wykład 15

Wszechświat cząstek elementarnych

Bozon Higgsa oraz SUSY

Fizyka na LHC - Higgs

Oddziaływania elektrosłabe

Podstawy Fizyki Jądrowej

Fizyka cząstek elementarnych

Frialit -Degussit Ceramika tlenkowa Komora próżniowa

Wiązka elektronów: produkcja i transport. Sławomir Wronka

Ramka z prądem w jednorodnym polu magnetycznym

Akceleratory do terapii niekonwencjonalnych. Sławomir Wronka

Ładunek elektryczny. Ładunek elektryczny jedna z własności cząstek elementarnych

Wszechświat cząstek elementarnych

Najgorętsze krople materii wytworzone na LHC

Atomowa budowa materii

Przedmiot i metodologia fizyki

Transkrypt:

Wyzwania Technologiczne Wielkiego Zderzacza Cząstek (LHC( LHC) w CERN w Genewie Jan Kulka 13-04 04-2010

- Po co nam Wielki Zderzacz Hadronów? - Zespół akceleratorów wokół LHC - Podstawowe systemy LHC - wnęki rezonansowe - kriogenika - magnesy nadprzewodnikowe - nadprzewodniki wysokotemperaturowe -Awarie - Perspektywy

Po co nam LHC? Model Standardowy jest potwierdzony doświadczalnie, lecz nie jest w pełni satysfakcjonujący z teoretycznego punktu widzenia. Ma 19 swobodnych parametrów (np. masy cząstek), które należy wyznaczyć doświadczalnie Nie wiemy także, czy poprawny jest mechanizm Higgsa Nie wyjaśnia pierwszych chwil istnienia Wszechświata po Wielkim Wybuchu, w czasie których nastąpiła wielka ekspansja zwana inflacją. Nie wyjaśnia, dlaczego Wszechświat zbudowany jest z materii, a nie ma w nim antymaterii. Obliczenia masy Wszechświata nie zgadzają się z obserwowaną ilością materii we Wszechświecie, brakującą materię nazywa się ciemną materią. Nie uwzględnia grawitacji.

Warunki termiczne jak w Wielkim Wybuchu Zderzenia cząstek przy wysokich energiach odpowiadają wysokiej temperaturze W CERNie zderzenia będą miały miejsce przy temperaturze 10 15 K (100 milionów razy wyższej od temperatury jądra Słońca). Jest to temperatura Wszechświata, kiedy miał zaledwie 10-25 sekundy. Zatem badanie zderzeń cząstek przypomina badanie Wszechświata tuż po jego narodzinach.

LHC to wielki mikroskop Atom składa się z elektronów i dodatnich obiektów (1897 - J J Thomson). Elektrony krążą wokół dodatnio naładowanego jądra (1911). Jądro złożone jest z protonów (1919) i neutronów (1932) które składają się z kwarków (1964). Kwarki i elektrony uważamy za cząstki fundamentalne

Cząstki fundamentalne

Kwarki żyją w grupach wraz z innymi kwarkami i nigdy nie występują samotnie. Cząstki złożone z kwarków to hadrony. Bariony Zbudowane z trzech kwarków proton neutron p n 0 + uud ddu Wszystkie bariony z wyjątkiem protonu są niestabilne tzn. rozpadają się, a na końcu łańcucha rozpadów są leptony, protony i fotony.

Połączenia szeregowe do LHC

5 B2 Dump 4 6 B1 Dump 3 7 2 SPS 8 1 LINAC 2 PSB CPS Energia (GeV) Obwód(m) LINAC2 0.12 30 PSB 1.4 157 CPS 26 628 = 4 PSB SPS 450 6911 = 11 x PS LHC 7000 26657 = 27/7xSPS

Mechanizm wstrzeliwania (iniekcji) cząstek: iniekcja z akceleratorów wstępnych BOOSTER (1.4 GeV) PS (26 GeV) SPS (450 GeV) LHC BOOSTER (4 pierścienie) Pakiet 1 Pakiet 2 PS Dwie iniekcje z BOOSTERa h=1 do PS h=7 (6 pakietów zapełnionych + 1 pusty)

Mechanizm iniekcji: iniekcja pomiędzy akceleratorami SPS h=84 26 GeV h=21 1.4 GeV h=7 PS h=1 BOOSTER 1.4 GeV

Trajektoria protonów w LHC -Dla wiązki 2, pole magnetyczne poza plan -Czas rozpędzania w LHC około ½ godziny -Nominalny czas trwania wiązki około 10 godzin

Układy próżniowe -próżnia w jonowodach ~ 10-13 atm; 10-8 Pa, wszystkie połączenia w stali nierdzewnej spawane -próżnia izolacyjna (dla izolacji termicznej) ~ 10-5 atm Dla uzyskania takiej próżni stosuje się : - pompy rotacyjne - pompy turbomolekularne - pułapkowanie gazów resztkowych przez getter

Pole magnetyczne magnesów nadprzewodnikowych utrzymuje trajektorię protonów

Przyspieszanie protonów wnęki rezonansowe

System RF : IR4 S34 ACS ACS ACS ACS S45 ADT D3 D4Q5 Q6 Q7 B2 420 mm B1 Nadajnik Drugi jonowód 194 mm Falowód 4xFour-cavity cryo module 400 MHz, 16 MV/beam Nb on Cu cavities @4.5 K (=LEP2) Beam pipe diam.=300mm Tunel

Do każdej wnęki rezonansowej klistron o mocy 300kW

Wnęki rezonansowe w tunelu w pkt. 4

10 września 2008 - synchronizacja wnęki i pakietów protonowych czas Długość paczki

Kriogenika Instalacje kriogeniczne dla potrzeb LHC Pt 5 Pt 4 Pt 6 Pt 3 Cryoplant Distribution Present Version Pt 7 Pt 2 Pt 8 Pt 1.8 Cryogenic plant Pt 1

Linia dystrybucyjna ciekłego helu o długości 3,3km

Elementy sytemu kriogenicznego

Przewodność cieplna He II Y(T) ± 5% 2000 1500 1000 2.4 ( &) = & ( ) KT,q q YT dt dx = 3.4 q& Y(T) q & in W / cm T in K X in cm 2 Hel II 500 Miedź OFHC Tλ 0 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.1 2.2 T [K]

Diagram fazowy helu 10000 SOLID 1000 P [kpa] 100 HeII Pressurized He II λ line HeI CRITICAL POINT GAS 10 Saturated He II 1 1 10 T [K]

Wymiana ciepła pomiędzy helem przepływającym i magnesem

Przepływy helowe w komórce kriogenicznej LHC LHC Standard Cell (106.9 m) F Thermal shield B D C HX100 Cryogenic Distribution Line HX100 TCV2 SRV CFV TCV1' TCV1 TCV2 TCV2 SRV SRV TCV1' TCV1 TCV2 Beam screens Support posts MB MQ MB MB MB MQ MB MB MB MQ X Y L E Supports and thermal shield LHC magnet cryostat

Ograniczenie dopływu ciepła do magnesów -próżnia izolacyjna - kompozytowe podpory ( nogi ) - ekrany termiczne z wielowarstwowej izolacji -chłodzenie ekranu wiązki -chłodzenie gazowym helem łoża magnesu

Przekrój dipola LHC

Kompozytowa noga magnesu G10 Glass-fibre Reinforced Epoxy

Blokada dopływu ciepła Zasilanie ciekłym helem 4,5K (linia C ) Płyty aluminiowe klejone do nogi kompozytu G-10 Łączniki do łoża aluminiowego ekranu termicznego 50-75 K

Aluminiowe łoże magnesu wspornikiem ekranu termicznego

Izolacja aluminiowa zimnej masy

Wielowarstwowy koc izolacji termicznej (MLI)

Magnesy nadprzewodnikowe - druty nadprzewodzące ze stopu Nb-Ti - jarzma ze stali i aluminium - kable 28-36 drutowe -przejścia pomiędzy magnesami - ochrona magnesów na wypadek utraty nadprzewodnictwa -magnesy ogniskujące i korekcyjne

indukcja pola magnetycznego B µ Jbd = 0 y a + b B B x y = = µ 0J ( a b) a + b µ 0J ( a b) a + b y x

Kabel nadprzewodzący

Drut nadprzewodzący

Dostępne materiały nadprzewodzące Kryterium selekcji Liczba Nadprzewodnik 10,000 T c 10 K.and. B c2 10 T 100 J c 1 GA/m 2 @ B > 5 T 10 Nadprzewodnik do nawijania magnesów 1

Warunki występowania nadprzewodnictwa

Łączenie uzwojeń magnesów Upper Tin/Silver Soldering alloy Layer Upper Copper Profile Superconducting Cable in Copper Stabilizer Inter-Cable Tin/Silver Soldering Alloy Layer Lower Tin/Silver Soldering Alloy Layer Completed Junction Lower Copper U Profile Cable Junction Box Cross-section R.Bailey, Aspen 2009 44

Grzejnik quenchowy

Ekran wiązki

Energy stored in LHC magnets Energy stored in twin dipole magnet: E stored := 2 2 2 B dipole length rdipole π µ 0 Approximation: energy is proportional to volume inside magnet aperture and to the square of the magnet field E dipole = 0.5 L dipole I 2 dipole Energy stored in one dipole is 7.6 MJoule For all 1232 dipoles in the LHC: 9.4 GJ

Energy stored in the beams 25 ns Beam energy: Proton Energy Number of Bunches Number of protons per bunch Proton Energy: 7 TeV In order to achieve very high luminosity: Number of bunches per beam: 2808 Number of protons per bunch: 1.05 10 11 Energy per beam: 346 MJoule 48

Schemat działania zabezpieczeń na wypadek przejścia rezystywnego Cold diode Quench Detectors V1-V2 0 R Power Converter L1 (SC Magnet) Switch L2 (SC Magnet) L154 (SC Magnet) Quench Heaters R (Energy Extraction)

Za późno During magnet test campaign, the 7 MJ stored in one magnet were released into one spot of the coil (inter-turn short) P. Pugnat

Schemat zrzucania wiązki Beam 1 Q5L Fast kicker magnet Q4L Septum magnet deflecting the extracted beam H-V kicker for painting the beam about 700 m Beam Dump Block Q4R about 500 m Q5R Beam 2 51

Zasilanie sektora 7-8

Nadprzewodniki wysokotemperaturowe w LHC Przepusty prądowe z nadprzewodników wysokotemperaturowych Quantity Current rating (A) 64 13000 298 6000 820 600 2104 60-120 53

Przepływ helu w przepustach prądowych

Kabel z 7 warstw nadprzewodnika BISCO 2223

10 th of September

Przejście rezystywne - awaria R.Bailey, Aspen 2009 57

Hipoteza źródeł awarii R.Bailey, Aspen 2009 58

Konsekwencje 100m Insulating vacuum barrier every 2 cells in the arc Some moved R.Bailey, Aspen 2009 59

Naprawa 100m R.Bailey, Aspen 2009 60

L. Evans R. Saban R. Bailey K-H. Mess K. Dahlerup-Petersen T. Taylor T.Obłąkowska-Mucha Podziękowania:

Niob-Tytan Critical current density vs field measured on NbTi multiflamentray wire at 4.22 and 2.17 K Jc(A/mm 2 ) 11000 10000 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 LHe HeII 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 B tot (T) Critical surface of NbTi (from Wilson textbook) Critical current of best Cu/NbTi with typical 3 T field shift at superfluid helium (INFN-LASA lab, february 2000)