Fizyka cząstek elementarnych. Tadeusz Lesiak

Fizyka cząstek elementarnych Tadeusz Lesiak 1

WYKŁAD IV Akceleratory T.Lesiak Fizyka cząstek elementarnych 2

Cykl pracy eksperymentu fizyki cząstek elementarnych AKCELERATOR DETEKTOR SUROWE DANE SYMULACJE Monte Carlo (MC) Procesy fiz. Detektor Wiązka Tło FIZYKA DANE REKONSTRUKCJA MC Faza projektowania Faza pracy eksperymentu Analiza danych Poprawki Koniec (nagroda Nobla) T.Lesiak Fizyka cząstek elementarnych 3

Akceleratory i fizyka akceleratorowa Akcelerator urządzenie służące do przyspieszania cząstek elementarnych i/lub jonów (do wysokich energii w przypadku HEP). Przyspieszanie jest możliwe dla obiektów stabilnych : proton, antyproton, elektron, pozyton, niektóre jony (m. in. siarki, ołowiu, złota). Fizyka akceleratorowa : zastosowanie do budowy i działania akceleratorów szeregu współczesnych działów fizyki: szczególnej teorii względności (dynamika ruchu cząstek relatywistycznych), elektromagnetyzmu, nadprzewodnictwa, fizyki ciała stałego,. (i nie tylko, także chemii, inżynierii materiałowej ): T.Lesiak Fizyka cząstek elementarnych 4

Akceleratory a telenowele T.Lesiak Fizyka cząstek elementarnych 5

Akceleratory liniowe i kołowe Akcelerator liniowy (liniak) Akcelerator kołowy T.Lesiak Fizyka cząstek elementarnych 6

Akceleratory liniowe i kołowe source main linac accelerating cavities N N S S T.Lesiak Fizyka cząstek elementarnych 7

Ruch cząstek naładowanych w polach elektrycznym i magnetycznym Siła Lorentza działająca na cząstkę obdarzoną ładunkiem elektrycznym q, poruszającą się w polu elektromagnetycznym. Siła Lorentza jest prostopadła zarówno do prędkości jak i do pola magnetycznego. Pole magnetyczne nie powoduje zmian energii cząstek: Uzasadnienie: zróżniczkujmy formułę: -wektor natężenia pola elektrycznego - wektor indukcji magnetycznej - Prędkość cząstki Drugi człon znika bo Pole magnetyczne jedynie zakrzywia tor cząstek naładowanych. W jednorodnym polu B cząstka porusza się po spirali. Źródłem zmian energii cząstek naładowanych jest pole elektryczne. Wytwarzanie silnych pól elektrycznych wiąże się z licznymi problemami technicznymi T.Lesiak Fizyka cząstek elementarnych 8

Akceleratory liniowe Użyteczne jako pierwszy stopień przyspieszania do małych energii ( 50 MeV). Elektrony osiągają 99% prędkości światła już przy energii 3.7 MeV (protony dla 6.7 GeV) rury dryfowe dla elektronów mają stałą długość. Ale nie tylko: np. projekt ILC International Linear Collider. Wideroe 1928r. Alvarez 1946r. Cząstka o ładunku dodatnim (proton) jest przyspieszana w pierwszej wnęce; w czasie przelotu przez rurę dryfową jest ekranowana; w tym czasie napięcie zmienia znak przyspieszanie w następnej wnęce. T.Lesiak Fizyka cząstek elementarnych 9

Model współczesnego akceleratora liniowego W praktyce do przyspieszania wykorzystuje się biegnącą falę elektromagnetyczną: T.Lesiak Fizyka cząstek elementarnych 10

Model współczesnego akceleratora liniowego Liniak: końcowa energia cząstki proporcjonalna do długości akceleratora E Rura akceleratora (wysoka próżnia) Struktura akceleratora RF (radio frequency) KLYSTRON Falowód: transportuje mikrofale z klystronu do rury wiązki dokładniej do wnęk rezonansowych: Zdolność akceleratora do przyspieszania cząstek podaje się w zysku energii/m: Np. SLAC: 15 MeV/m zysk 50 GeV na długości ok. 3km T.Lesiak Fizyka cząstek elementarnych 11

Klystron w kuchence mikrofalowej Co daje energię do przyspieszania? Dmuchanie w piszczałkę organów = przepływ powietrza drgania we wnęce piszczałki przenoszące się na zewnątrz i wzbudzające w otoczeniu fale dźwiękowe KLYSTRONY generatory mikrofal o wielkiej mocy. Typowa częstotliwość 1 GHz (RF radiofrequency). KLYSTRON Działo elektronowe (1) produkuje strumień elektronów. Specjalne komory (2) (bunching cavities) regulują prędkość elektronów tak, w komorze końcowej (3) (output cavity) pojawiają się one w grupach/pakietach (bunches). W komorze (3) pakiety elektronów emitują mikrofale. Mikrofale są kierowane do falowodu (4). Elektrony ulegają absorpcji w (5) (beam stop). Przekaz energii od mikrofali do wiązki zachodzi wówczas gdy prędkość fazowa mikrofali jest taka sama jak prędkość cząstek. Tę równość zapewnia konstrukcja wnęki rezonansowej. T.Lesiak Fizyka cząstek elementarnych 12

Wnęki rezonansowe Dwa rodzaje wnęk: 1. Konwencjonalne ( ciepłe ) zbudowane z metalu o wysokim przewodnictwie cieplnym (Cu). 2. Nadprzewodzące ( zimne ) najczęściej budowane z niobu (Nb); pracują w T = 2K. Zalety nadprzewodzących wnęk rezonansowych: Dostarczają wysokiego gradientu pól przyspieszających 35 MV/m. Charakteryzują się dużymi wartościami tzw. współczynnika dobroci Q 10 9 (stosunku energii zmagazynowanej we wnęce do strat energii przypadającej na jeden okres drgań fali). T.Lesiak Fizyka cząstek elementarnych 13

Model współczesnego akceleratora liniowego T.Lesiak Fizyka cząstek elementarnych 14

(Samo)ogniskowanie wiązek akceleratorów Ogniskowanie wiązki zapobieganie jej rozpełzaniu się na boki zarówno w przestrzeni położeń jak i pędu. To przypomina surfing: W akceleratorze liniowym fala RF porusza się równolegle do wiązki cząstek; te ostatnie surfując na fali RF są automatycznie ogniskowane w obrębie pakietów. Cząstka spóźnialska dostanie się w obszar silniejszego pola przyspieszy i następnym razem będzie w optymalnym czasie; spiesząca się odwrotnie. T.Lesiak Fizyka cząstek elementarnych 15

Akceleratory kołowe dlaczego? Są ekonomiczne: ten sam element struktury akceleratora może przyspieszać cząstki wiele razy w jednym cyklu. Taki recycling zysk w ilości zderzeń w jednostce czasu ( świetlność - luminosity). Akceleratory kołowe mają mniejsze rozmiary od liniowych. Wada akceleratorów kołowych: promieniowanie synchrotronowe dla zderzeń e + e -. Strata energii: ρ promień krzywizny akceleratora e - ładunek cząstki E energia cząstki m masa cząstki v -prędkość cząstki Dla zderzacza LEP 1 MeV/obrót dla 10 GeV 2.5 GeV/obrót dla 100 GeV 156 GeV/obrót dla 500 GeV Przy ustalonym pędzie, strata energii jest proporcjonalna do 1/m 4 Wobec faktu, że Straty energii są nieistotne dla protonów. T.Lesiak Fizyka cząstek elementarnych 16

Akceleratory kołowe promieniowanie synchrotronowe Promieniowanie synchrotronowe jest emitowane wówczas gdy wiązka relatywistycznych elektronów jest zakrzywiana w magnesie (kierunek wektora przyspieszenia jest przy tym prostopadły do wektora prędkości cząstki). W fizyce cząstek elementarnych promieniowanie synchrotronowe powoduje straty energii wiązki i konieczność ich kompensacji poprzez dostarczanie energii we wnękach rezonansowych. Jednocześnie promieniowanie synchrotronowe znajduje zastosowanie w badaniach biologicznych, krystalograficznych, inżynierii materiałowej etc. Narodowe Centrum Promieniowania Synchrotronowego Solaris http://www.synchrotron.uj.edu.pl/ T.Lesiak Fizyka cząstek elementarnych 17

Cyklotron E.Lawrence 1929r. (siła Lorentza) Np. dla protonów, R=0.4m, B=1.5T: T.Lesiak Fizyka cząstek elementarnych 18

Cyklotron i synchrocyklotron Ważne ograniczenie cyklotronu: synchronizacja psuje się wtedy gdy cząstka przyspieszana osiąga prędkość nie zaniedbywalną w stosunku do prędkości światła: Wzór na częstość kołową po uwzględnieniu efektów relatywistycznych. Wtedy: Synchrocyklotron W miarę przyspieszania częstość zmian pola elektrycznego jest zmniejszana zgodnie z powyższą formułą, kompensując w ten sposób efekty relatywistyczne. T.Lesiak Fizyka cząstek elementarnych 19

Cyklotrony w IFJ PAN Przyspieszanie protonów (do 60MeV) oraz deuteronów i cząstek alfa. Przyspieszanie protonów w zakresie energii (70-230) MeV Szerokie zastosowanie tych urządzeń do celów medycznych Centrum Cyklotronowe Bronowice CCB T.Lesiak Fizyka cząstek elementarnych 20

Synchrotron Promień synchrotronu jest stały Pole magnetyczne musi rosnąć wraz z podwyższaniem się energii cząstek, tak by promień orbity był stały. P~r B ograniczeniem są zasoby finansowe (związane z konstrukcją bardzo silnych magnesów). Pole magnetyczne w synchrotronie jest zmienne (rosnące). Przypomnienie: częstość obiegu uwzględniająca efekty relatywistyczne: W miarę przyspieszania częstość zmian pola elektrycznego jest zmienna lub stała (przy odpowiednio dobranej funkcji zmian pola magnetycznego). T.Lesiak Fizyka cząstek elementarnych 21

Eksperymenty na stałej tarczy Mają znaczenie niemal historyczne. ALE są obecnie używane powszechnie do testów nowych detektorów. Przyspieszane cząstki są wyprowadzane z akceleratora i kierowane do zderzenia z zewnętrzną tarczą. W ten sposób można otrzymywać wtórne wiązki cząstek, które powinny być stabilne lub przynajmniej długo życiowe, ale niekoniecznie muszą być naładowane, takie jak: T.Lesiak Fizyka cząstek elementarnych 22

Zderzacz vs stała tarcza E * - całkowita energia w układzie środka masy (CMS-center-of-mass system) E A energia cząstki padającej w laboratorium (LAB) m B masa spoczynkowa cząstki tarczy Przykład 1: LAB Jedynie dostępne dla interesującej fizyki; cała pozostała energia jest zużywana na ruch układu CMS względem LAB. Przykład 2: CMS E * = E A + E B = 900 GeV układy LAB i CMS się pokrywają. W zderzaczach cała energia jest dostępna dla interesującej fizyki wielka zaleta Częstość zderzeń jest niższa (druga tarcza = wiązka ma niewielką gęstość) wada T.Lesiak Fizyka cząstek elementarnych 23

Dwa główne rodzaje zderzeń e + e - vs pp (pp) Dla zderzeń e + e - oraz p p wystarczy jeden pierścień przyspieszający i jeden zbiór magnesów; cząstki i antycząstki biegną w przeciwnych kierunkach. Dla zderzeń e +- e +- oraz pp i pp trzeba dwóch pierścieni i dwóch zbiorów magnesów Cząstki zderzają się w intersection regions (IR), w których umieszczono detektory Zderzacze elektronowe CZYSTE nie ma innych cząstek w stanie początkowym poza e + e - NIŻSZA ENERGIA przy tym samym promieniu ze względu na prom. synchrotronowe np. LEP 200 GeV ENERGIA e + e - JEST ZNANA ENERGIA JEST USTALONA (dla zadanych warunków pracy) Dobre do PRECYZYJNYCH BADAŃ kwark Zderzacze protonowe SKOMPLIKOWANE qq lub qq zderzają się ze sobą; cała reszta p lub p to śmieci (junk) WYŻSZA ENERGIA przy tym samym samym promieniu np. LHC w tunelu LEP 14TeV ENERGIA qq lub qq NIE JEST ZNANA ENERGIA ZDERZENIA qq lub qq ZMIENIA SIĘ W SZEROKIM ZAKRESIE przy stałej energii pp lub pp Dobre do ODKRYWANIA nowych cząstek T.Lesiak Fizyka cząstek elementarnych 24

Dwa główne rodzaje zderzeń e + e - vs pp (pp) T.Lesiak Fizyka cząstek elementarnych 25

Świetlność akceleratora Dwa najważniejsze parametry akceleratora: energia zderzeń i świetlność. R = xl R - liczba zliczeń w jednostce czasu (reaction rate) przekrój czynny (cross section) na dany proces L świetlność chwilowa (luminosity); jednostka 1/(cm 2 xs) Rekord: 2.1 x 10 34 cm -2 s -1 Pęczki bunches KEKB, Japonia Geometryczna definicja świetlności: n -liczba pęczków cząstek w każdej z wiązek (typowo 4-64) F częstość obiegu (40 khz 40 MHz) N 1, N 2 liczba cząstek w każdym pęczku ( 10 10 ) A powierzchnia każdej z wiązek ( m) T.Lesiak Fizyka cząstek elementarnych 26

Świetlność akceleratora Świetlność scałkowana (integrated luminosity) L= Ldt np. na rok lub cały okres pracy akceleratora; jednostka fb -1, pb -1 np. HERA 100 pb -1 (na rok) W praktyce pomiaru świetlności dokonuje się nie w oparciu o definicję geometryczną, ale licząc liczbę zdarzeń dla procesu referencyjnego, dla którego przekrój czynny można wyznaczyć teoretycznie z wysoką dokładnością. Dla procesu referencyjnego odwraca się formułę: L = R calib / calib Dla zderzeń e + e - takim procesem jest rozpraszanie Bhabha e + e - e + e - expt =0.04 % theor =0.045 % T.Lesiak Fizyka cząstek elementarnych 27

Magnesy dipolowe Dla akceleratora kołowego, z drugiego prawa Newtona wynika: Służą do odkształcania trajektorii cząstek naładowanych P pęd (GeV/c) B pole magnetyczne (Tesla) promień krzywizny toru (m) np. LEP P = 100 GeV/c = 27 Km / 2 = 4300 m B = 0.0775 Tesla Magnesy dipolowe wewnątrz tunelu LHC np. LHC P = 7 TeV/c = 7000 GeV/c B = 8.33 Tesla (nadprzewodzące 1.9 K) Największy na świecie system kriogeniczny T.Lesiak Fizyka cząstek elementarnych 28

Magnesy dipolowe T.Lesiak Fizyka cząstek elementarnych 29

Magnesy kwadrupolowe Służą do (tzw. silnego) ogniskowania wiązek FODO Cell (FO focus; DO defocus) T.Lesiak Fizyka cząstek elementarnych 30

Magnesy sekstupolowe i oktupolowe Służą do poprawiania (korekcji) toru wiązek Niedoskonałości w konstrukcji magnesów mogą powodować perturbacje w orbitach wiązek, wymagające ich korekcji. T.Lesiak Fizyka cząstek elementarnych 31

Akceleratory fizyki cząstek Docelowa energia zderzeń LHC 7 TeV x 7 TeV T.Lesiak Fizyka cząstek elementarnych 32

CERN: przykład kompleksu akceleratorów Centre European Researche Nucleare European Organization for Nuclear Research http://home.web.cern.ch T.Lesiak Fizyka cząstek elementarnych 33

CERN: przykład kompleksu akceleratorów T.Lesiak Fizyka cząstek elementarnych 34

LHC Large Hadron Collider T.Lesiak Fizyka cząstek elementarnych 35

Akceleratory przyszłości HL-LHC - high luminosity LHC HE-LHC - high energy LHC L = 5 10 34 cm -2 s -1 Energia wiązki wynika z wartości pola magnetycznego nadprzewodzących magnesów dipolowych: 16-20 T 26-33 TeV in the centre of mass. T.Lesiak Fizyka cząstek elementarnych 36

Akceleratory przyszłości FCC-pp B~16 T energia zderzeń 100 TeV pp dla obwodu 100 km B~20 T energia zderzeń 100 TeV pp dla obwodu 80 km Energia zmagazynowana w obu wiązkach: 16 GJ total odpowiada to energii ruchu Airbusa A380 (560 t) z pełną prędkością (850 km/h) T.Lesiak Fizyka cząstek elementarnych 37

Akceleratory przyszłości ILC International Linear Collider Japonia?, po 2020r. T.Lesiak Fizyka cząstek elementarnych 38

Akceleratory przyszłości ILC International Linear Collider Japonia?, po 2020r. CLIC - Compact Linear Collider CERN; Data początku pracy? T.Lesiak Fizyka cząstek elementarnych 39

Akceleratory przyszłości KOŁOWE KEKB Collider Belle detector Future Circular Collider, CERN, Switzerland Slogan z ostatnich dwóch dekad: Nie będzie już kolejnego zderzacza kołowego e + e - po LEP ALE obecnie SuperKEKB RF cavity e + source Circular Electron Positron Collider, Qinghuada, China oraz SFF Super Flavor Factory - SuperKEKB T.Lesiak Fizyka cząstek elementarnych 40

Akceleratory przyszłości T.Lesiak Fizyka cząstek elementarnych 41

Akceleratory przyszłości HADRON- LEPTON COLLIDERS erhic USA, Brookhaven FCC ep (LHeC) At CERN T.Lesiak Fizyka cząstek elementarnych 42

Akceleratory przyszłości T.Lesiak Małe rozmiary akceleratora Wysoka czułość na nowe zjawiska Niski poziom promieniowania synchrotronowego Problem: czas życia i schładzanie wiązki (w przestrzeni fazowej) Fizyka cząstek elementarnych 43

Akceleratory plazmowe W akceleratorach plazmowych rolę struktur przyspieszających odgrywa plazma (zjonizowany gaz (brak zatem ograniczeń wynikających z możliwości przebicia) Źródłem energii przyspieszającej nie jest promieniowanie mikrofalowe, lecz wiązka lasera lub wiązka cząstek naładowanych (wiązka pilotująca drive beam ). Plazma jako całość jest elektrycznie neutralna. Jednak intensywna wiązka laserowa lub wiązka pilotująca powoduje lokalne odepchnięcie lżejszych elektronów od cięższych jonów i powstanie różnicy potencjałów, którą można wykorzystać do przyspieszanie cząstek wiązki właściwej.. Główna zaleta: możliwość uzyskania gradientów pól przyspieszających wielokrotnie przewyższających te uzyskiwane w dotąd omawianych, standardowych strukturach. T.Lesiak Fizyka cząstek elementarnych 44

Akceleratory plazmowe T.Lesiak Fizyka cząstek elementarnych 45

Akceleratory plazmowe T.Lesiak Fizyka cząstek elementarnych 46

Akceleratory plazmowe T.Lesiak Fizyka cząstek elementarnych 47

Akceleratory plazmowe T.Lesiak Fizyka cząstek elementarnych 48

Zastosowania akceleratorów Obecnie na świecie działa ponad 10 000 akceleratorów. Jedynie ok. 100 spośród nich służy swemu oryginalnemu celowi tj. tzw. czystej nauce. Wszystkie pozostałe są używanie do tzw. do zastosowań fizyki:. Przykład: pierwsze zastosowanie cyklotronu 1932 r. Ernest Lawrence buduje pierwszy cyklotron w Berkeley. 1938 r. - matka Lawrence a pierwszą pacjentką wyleczoną przy pomocy wiązki neutronów. Najważniejsze dziedziny zastosowania akceleratorów: Medycyna terapia nowotworów. Sterylizacja (żywność, artykuły medyczne, odpady). Spalanie odpadów promieniotwórczych. Źródła promieniowania synchrotronowego (biologia, chemia, fizyka ciała stałego, inżynieria materiałowa ). Zastosowania źródeł neutronów (biologia, chemia, fizyka ciała stałego, inżynieria materiałowa ). T.Lesiak Fizyka cząstek elementarnych 49

Backup T.Lesiak Fizyka cząstek elementarnych 50