Univerzita Karlova v Praze Matematicko-fyzikální fakulta. Josef Knot Velké urychlovače částic. Katedra didaktiky fyziky

Save this PDF as:
 WORD  PNG  TXT  JPG

Rozměr: px
Začít zobrazení ze stránky:

Download "Univerzita Karlova v Praze Matematicko-fyzikální fakulta. Josef Knot Velké urychlovače částic. Katedra didaktiky fyziky"

Transkript

1 Univerzita Karlova v Praze Matematicko-fyzikální fakulta BAKALÁŘSKÁ PRÁCE Josef Knot Velké urychlovače částic Katedra didaktiky fyziky Vedoucí bakalářské práce: doc. RNDr. Zdeněk Doležal, Dr., ÚČJF MFF UK Studijní program: Fyzika, fyzika zaměřená na vzdělávání 2009

2 Zde bych chtěl poděkovat vedoucímu práce doc. RNDr. Zdeňkovi Doležalovi, Dr. za jeho trpělivost, kontrolu a cenné připomínky. Také bych chtěl poděkovat rodině a přátelům, kteří mi vytvořili dobré podmínky pro práci. Prohlašuji, že jsem svou bakalářkou práci napsal samostatně a výhradně s použitím citovaných pramenů. Souhlasím se zapůjčováním práce a jejím zveřejňováním. V Praze dne Josef Knot 2

3 Obsah Předmluva Standardní model hmoty a interakcí Otázky dnešní fyziky, na které standardní model neodpovídá Urychlovače částic Kruhové (cyklické) urychlovače Lineární urychlovače Velké urychlovače částic LHC - Large Hadron Collider ATLAS - A Toroidal LHC ApparatuS CMS - Compact Muon Solenoid ALICE - A Large Ion Collider Experiment LHCb - Large Hadron Collider beauty experiment Menší experimenty na LHC Tevatron Detektory DZero a CDF Collider Detector at Fermilab RHIC - Relativistic Heavy Ion Collider Experimenty na urychlovači RHIC KEKB Závěr Seznam obrázků Literatura

4 Název práce: Velké urychlovače částic Autor: Josef Knot Katedra (ústav): Katedra didaktiky fyziky Vedoucí bakalářské práce: doc. RNDr. Zdeněk Doležal, Dr., Ústav částicové a jaderné fyziky vedoucího: Abstrakt: Tato bakalářská práce se zabývá urychlovači částic. V úvodu je čtenář seznámen se standardním modelem hmoty a interakcí, který je pomocí experimentů na urychlovačích velmi intenzivně testován. Poté je zde zmíněno několik důvodů proč stále pokračuje výzkum v oblasti částicové fyziky a na jaké otázky ještě neznáme odpovědi. Dále je zde pojednáno o obecných vlastnostech urychlovačů a některých jejich typech. V práci jsou zmíněny také některé technologie a technická zařízení, která urychlovače nutně potřebují. Hlavní část práce je zaměřena na popis čtyř hlavních urychlovačů: Velký hadronový srážeč (LHC), Tevatron, Relativistický srážeč těžkých iontů (RHIC) a Asymetrický srážeč elektronů a pozitronů (KEKB). Pozornost je také věnována experimentům, které na těchto urychlovačích probíhají. Klíčová slova: urychlovač částic, detektor, standardní model, částice Title: Large Particle Accelerators Author: Josef Knot Department: Department of Physics Education Supervisor: doc. RNDr. Zdeněk Doležal, Dr., Institute of Particle and Nuclear Physics Supervisor s address: Abstract: This bachelor thesis deals with particle accelerators. The reader becomes familiar with the standard model of particle physics in the introduction. This model is very thoroughly tested by the experiments at accelerators. There we list some reasons why the research in particle physics is still running and at which questions we don't know the answers. The next part is about common characteristics of accelerators and some of their types. Some information is presented about technologies and technical equipment which are necessary for the accelerators. The main part of the work is oriented to description of four large particle accelerators, which are The Large Hadron Collider (LHC), Tevatron, The Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) and Asymmetric electron-positron collider (KEKB). An attention is also paid to the experiments, which are now in progress at these four accelerators. Keywords: particle accelerator, detector, standard model, particle 4

5 Předmluva V této práci shrnuji informace o největších fyzikálních zařízeních, které jsou v dnešní době používány pro účely fyziky vysokých energií. Kromě jejich popisu zde budete seznámeni s experimenty, které na nich v současné době probíhají. Celou práci jsem se snažil psát spíše v populárním duchu a nezacházel jsem do podrobností. Proto může být tato práce užitečná i pro ty, kteří se fyzikou příliš nezabývají. Ze stejného důvodu tato práce slouží spíše jako zdroj základních informací o dané problematice, nebo jako inspirace pro další studium. Není příliš vhodná pro experty, kteří by hledali podrobnosti. 5

6 Kapitola 1 Standardní model hmoty a interakcí Již ve starém Řecku si filozofové kladli otázku z čeho se skládá veškerá hmota, která je obklopovala. Zda je spojitá, nebo tvořena malými dále nedělitelnými částmi hmoty - atomy. Až na začátku 19. století John Dalton potvrdil atomovou teorii, která říkala, že se veškerá hmota skládá z atomů. Na konci 19. století však J. J. Thomson objevil elektron. Což byla první skutečně základní částice tvořící hmotu. Ve 20. století přicházely další objevy a teorie o vnitřní struktuře atomů. V dnešní době se studiem stavby hmoty zabývá samostatný obor fyzika elementárních částic nebo fyzika vysokých energií. Nejnovější poznatky o elementárních částicích shrnuje tzv. standardní model hmoty a interakcí, který vznikl v 70. letech 20. století. Tato teorie shrnuje nejen hierarchii mezi částicemi, ale také jejich vzájemné působení (interakce). Podle tohoto modelu je hmota tvořena dvanácti základními částicemi patřícími mezi fermiony (což jsou částice s neceločíselným spinem), které dělíme do dvou hlavních skupin na leptony a kvarky. Tyto částice řadíme mezi elementární, což znamená, že u nich nebyla pozorována vnitřní struktura. Ke každé z těchto elementárních částic existují antičástice, které se od nich liší pouze znaménkem náboje. Částice jsou tříděny do tří rodin, které tvoří vždy 2 leptony a 2 kvarky. V první rodině jsou elektron, elektronové neutrino (leptony) a kvarky up a down. Tyto čtyři částice jsou stabilní a tvoří celý viditelný svět. Ostatních osm je nestabilních a liší se od svých partnerů pouze vyšší hmotností. Současná struktura tedy vypadá tak, že kvarky tvoří takzvané hadrony. Ty dělíme na dvě skupiny: baryony (tvořené třemi kvarky) a mezony (obsahující pár kvark antikvark). Mezi baryony patří protony a neutrony tvořící jádra všech atomů. Proton obsahuje 2 kvarky up a 1 down a neutron 2 kvarky down a 1 up. Protony, neutrony a elektrony pak již tvoří veškerou viditelnou hmotu kolem nás. Částice na sebe mohou působit čtyřmi základními způsoby, které nazýváme silná, slabá, elektromagnetická a gravitační interakce. Vzájemné působení zajišťují nosiče sil. Tyto částice patří mezi bosony (částice s celočíselným spinem) a můžeme si je představit jako malé balíčky energie s různými vlastnostmi. Podívejme se blíže na jednotlivé interakce: 1. Silná interakce působí pouze na kvarky. Díky ní drží pohromadě hadrony. Jejím zbytkovým projevem je soudržnost atomového jádra. Pro hadrony patří mezi krátkodosahové interakce. To znamená, že je silná na malé vzdálenosti přibližně do m a poté se velmi rychle ztrácí. Mezi kvarky však má dlouhý dosah a dokonce se síla zvětšuje s jejich rostoucí vzdáleností. Nosiče této síly se nazývají gluony. Důsledkem tohoto silného působení je obrovská energie uchovaná v atomovém jádru. 2. Elektromagnetická interakce působí mezi elektricky nebo magneticky nabitými částicemi. Tato síla způsobuje to, že se elektrony dokáží udržet okolo jader a vytvořit tak s nimi atomy. Patří mezi dalekodosahové interakce. Je asi 100 až 1000krát slabší než silná interakce. Jejími nosiči jsou fotony. Projevuje se elektrickými, magnetickými a chemickými vlastnostmi atomů. 3. Slabá interakce působí na kvarky a leptony. Způsobuje přeměnu jednoho kvarku na jiný nebo leptonu na jiný. Působí pouze na vzdálenosti menší než 6

7 10-18 m. Je asi krát slabší než silná interakce. Jejími nosiči jsou takzvané intermediální bosony W +, W - a Z 0. Tato interakce je příčinou pomalých rozpadů částic, například rozpadu beta (přeměna neutronu na proton), nebo samovolných rozpadů částic. Zvláštností tohoto působení je vzrůst jeho velikosti s rostoucí energií částice. 4. Gravitační interakce působí mezi všemi částicemi, které mají nenulovou hmotnost. Významněji se však projevuje pouze u makroskopických těles, jejich vzájemným přitahováním. Působí na obrovské vzdálenosti. Nosiči by mohly být gravitony, které však zatím nebyly objeveny. Tato interakce se někdy do standardního modelu nezahrnuje, protože k jejímu původu zatím nemá co říci. [1, 2] Nyní si ještě vše shrneme do tabulky: Tabulka 1: Dvanáct základních částic a jejich elektrické náboje Částice hmoty (fermiony) Leptony Název Elektrický náboj v e Kvarky Název Elektrický náboj v e 1. Elektron -1 Up 2/3 rodina Elektronové neutrino 0 Down - 1/3 2. Mion -1 Charm 2/3 rodina Mionové neutrino 0 Strange - 1/3 3. Tauon -1 Top 2/3 rodina Tauonové neutrino 0 Bottom - 1/3 Tabulka 2: Základní interakce, zprostředkující částice a jejich elektrické náboje Interakce a jejich zprostředkovatelé (bosony) Interakce Částice Elektrický náboj v e Silná Gluon 0 Elektromagnetická Foton 0 Slabá Z 0 0 W + 1 W - -1 Gravitační Graviton? 7

8 1.1 Otázky dnešní fyziky, na které standardní model neodpovídá Standardní model je nyní testován mnoha různými experimenty a zatím stále odolává. Navíc mnoho jím předpovězených částic bylo objeveno. Tedy se zdá, že by mohl být správně. Bohužel je to spíše popisná teorie a je zde mnoho zásadních otázek, ke kterým tento model nic neříká. O některých se zde stručně zmíníme. Jednou z nich je: proč mají částice hmotnost? S tím je také spojeno zkoumání proč částice W +, W - a Z 0 mají velkou klidovou hmotnost, zatímco foton nemá žádnou. V roce 1964 přišli fyzikové Peter Higgs, Robert Brout a Francois Englert s možným řešením. Navrhovali, že částice získávají hmotnost interakcí s tzv. Higgsovým polem, jehož zprostředkující částicí má být Higgsův boson. Ten však zatím nebyl nikdy pozorován. Teorie nepředpovídá jeho hmotnost, a proto jeho hledání probíhá formou pokusu a omylu. Standardní model popisuje složení viditelné hmoty kolem nás. Z astronomických měření však vyplývá, že ta tvoří pouze 4 % celkové hmotnosti a energie ve vesmíru. Většina vesmíru je tedy tvořena něčím, co nevyzařuje elektromagnetické záření. Tato temná hmota a temná energie interaguje s okolím pouze pomocí gravitace. Temné hmoty by podle pozorování mohlo být kolem 26 % a zbylých asi 70 % zbývá na temnou energii. Otázkou je, z čeho temná hmota je? Jedna z teorií hovoří o tzv. supersymetrických částicích, které existují ke každé částici ze standardního modelu. Jediné, čím se supersymetrické částice liší od svých protějšků je spin a vyšší hmotnost. Zatím však žádná supersymetrická částice nebyla pozorována. Kromě temné hmoty, mohla při vzniku vesmíru existovat ještě tzv. antihmota, které bylo stejné množství jako hmoty. Antičástice se od částic liší pouze znaménkem náboje. Nyní antičástice vznikají pouze při vysokoenergetických srážkách částic. Jinak již antihmota neexistuje. Pokud se srazí částice s antičásticí dojde k anihilaci a veškerá hmota se přemění na energii. Jak ale došlo k tomu, že antičástice z vesmíru zmizely a dnešní hmota zůstala? To je stále nezodpovězenou otázkou. Existenci antihmoty postuloval Paul Dirac v roce 1928 a pozitron (antičástice k elektronu byl pozorován v roce 1932 v kosmickém záření). [2] 8

9 Kapitola 2 Urychlovače částic Hledání odpovědí na otázky, jako jsou například jaké byly podmínky na počátku vesmíru nebo z čeho se skládá hmota, je velice náročné. Vědci potřebují zkoumat vlastnosti částic, které nejsou rozeznatelné ani nejlepšími mikroskopy. Dokonce nestabilních částic, které existovaly právě jen na počátku vesmíru a poté se rozpadly. Nyní vznikají jen v kosmickém záření a velmi rychle se rozpadají. Proto bylo potřeba přijít s nějakým nápadem, jak tyto překážky překonat. Tímto základním principem se stalo srážení vysokoenergetických částic mezi sebou. Nejen, že se při takové srážce může ukázat, z čeho srážené částice jsou sestaveny, ale také mohou vzniknout zcela nové, které schází fyzikům k lepšímu pochopení světa. Další pomůckou při studiu struktury může být využití vlnových vlastností částic. Pokud totiž chceme rozlišit strukturu látky pomocí nějakého záření, pak jeho vlnová délka musí být kratší než rozměry zkoumané struktury. Pro charakteristickou vlnovou délku částic však platí, že je tím kratší, čím větší je kinetická energie částice. V obou dvou případech je tedy vhodné mít částice s co největší energií. A právě urychlovače částic jsou přístroje na dodávání velkého množství energie svazkům částic, pro jejich následné použití. [3] Nyní se podívejme, co mají všechny urychlovače podobné a bez jakých technologií a technických zařízení by nemohly pracovat. Každý by samozřejmě měl mít svůj zdroj urychlovaných částic. Souhrnně se jim říká iontové zdroje. Při jeho výběru se dbá na intenzitu svazku, malou emitanci (rozbíhavost), trvanlivost a stabilitu. Zdrojem elektronů bývá žhavená katoda, nebo se využívá fotoelektrického jevu. V iontových zdrojích se ionty získávají pomocí srážek atomů s elektrony, nebo elektrického výboje. Vzniklé ionty jsou pak odváděny elektrickým polem. Zdrojem záporných iontů může být tzv. tandemový urychlovač, o kterém bude podrobněji psáno později. Urychlovány někdy bývají i antičástice. Ty se však dají získávat pouze pomocí již urychlených částic, při jejich srážkách s kovovým terčíkem. Další potřebnou součástí každého urychlovače jsou různé druhy magnetů. Protože jsou většinou potřeba velmi silná magnetická pole, převažují hlavně magnety supravodivé. To jsou elektromagnety, které mají cívku namotanou ze supravodivého materiálu. U klasických elektromagnetů se ztrácí energie kvůli elektrickému odporu vodičů. Tento problém u supravodivých magnetů není, protože supravodiče nekladou průchodu elektrického proudu téměř žádný odpor. Další výhodou je, že supravodivé vodiče mohou mít mnohem menší průřez než klasické při stejné hodnotě proudu. Tedy cívky mohou mít mnohem více závitů a magnety mohou dosahovat silnějších polí. Je zde ale jiný problém a to ten, že vlastnost supravodivosti vodiče získávají pouze při velmi nízkých teplotách (menších než 23 K v závislosti na materiálu). Proto je využívání supravodičů doprovázeno velmi výkonnými chladícími systémy, které využívají kapalné helium. Magnety se používají například na zakřivování trajektorie nabitých částic, magnetické pole sloužící k tomuto účelu nemá žádný vliv na velikost rychlosti částic. Relativistická částice, pohybující se v homogenním magnetickém poli v rovině kolmé na směr magnetické indukce B r, se pohybuje po kružnici s poloměrem R, pro který platí 9

10 R = m0v = 2 v ZeB 1 c 2 p ZeB, (1) kde c je rychlost světla, m 0 je klidová hmotnost částice, v je velikost její rychlosti, Ze její náboj a p její hybnost. Částice se pak pohybuje úhlovou rychlostí ω c určenou vztahem 2 v ZeB 1 2 v c 2 ZeBc ω c = = =, (2) R m T 0 kde T je celková energie částice. Viz [1]. Dalším použitím magnetů může být fokusace (zaostřování) svazku částic. To je třeba, protože se ve svazku pohybují částice se stejným nábojem a navzájem se odpuzují. To vede k rozšiřování svazku a snížení pravděpodobnosti srážek a také k nárazům částic na stěny urychlovače. Fokusace má zajistit, aby se odchýlené částice opět vrátily na ideální dráhu. Existuje několik způsobů, jak toho docílit. Pro částice pohybující se po kruhové dráze a mající spíše nižší energie se používá slabá fokusace. Ta využívá nehomogenního magnetického pole, vytvořeného například tvarováním magnetů. Magnetická indukce použitého pole bývá obvykle dána vztahem B ( r) B( R) n r =, (3) R < n. Podrobnější popis lze najít v [4]. Další možností jak zaostřit svazek el. nabitých částic je použití tzv. magnetické čočky. Její magnetické pole by mělo směřovat odchýlené částice zpět ke správné dráze tím silněji, čím více jsou odchýleny. Výpočet ohniska a fokusační schopnosti lze najít ve [4]. Prakticky lze toto pole vytvořit pomocí kvadrupólových magnetů. Magnetické pole kvadrupólu zužuje svazek jen v jednom směru (viz obrázek 1). Proto se nastavují dva magnety za sebou, které jsou navzájem pootočeny, jak je znázorněno na obrázku 2. kde R je poloměr stabilní dráhy a n je index pole ( 0 < 1) Obrázek 1: Magnetické pole kvadrupólu a síly působící na pohybující se záporně nabitou částici. Obrázek byl získán z [5]. 10

11 Obrázek 2: Dva navzájem pootočené kvadrupólové magnety. Pro účely magnetické čočky se takto natočené magnety staví za sebe a zaostřují tak svazek v obou směrech. Obrázek byl získán z [5]. Další vlastností, kterou je třeba zajistit u každého urychlovače, je udržování co nejvyššího vakua. To je důležité, protože srážením urychlovaných částic s atomy prostředí by docházelo ke snižování energie částic. Druhým negativním dopadem by bylo odchylování částic ze správného směru. [3, 4] Urychlovačů je několik druhů, které můžeme rozdělit podle různých kritérií. Například podle typu částic, které jsou v nich urychlovány. Nejčastěji to jsou stabilní nabité částice jako elektrony a protony nebo to mohou být i ionty. Ale mohou se také použít částice v urychlovači vyrobené např. pozitrony. Další rozdělení se může vázat na způsob urychlování částic. Jiným kritériem může být tvar trajektorie částic. Ty mohou být urychleny buď po přímé dráze lineární urychlovač, nebo po kruhové cyklický urychlovač. 2.1 Kruhové (cyklické) urychlovače Nyní se blíže podíváme na urychlovače, ve kterých se částice pohybují po kruhové trajektorii. Hlavní výhodou těchto urychlovačů je, že se v nich mohou částice nechat obíhat a ty pak získávají energii několikanásobným průletem dutinovými rezonátory. Asi hlavní nevýhodou je, že elektricky nabité částice, které se nepohybují po přímé trajektorii, ztrácejí energii takzvaným synchrotronovým (brzdným) zářením. Jeho energie a intenzita se zvyšuje s rostoucí rychlostí částice. Tyto ztráty se sníží, pokud budou urychlovány těžké částice, protože energie brzdného záření klesá s kvadrátem hmotnosti částice. Při srážení těžších částic, které mají vnitřní strukturu, mezi sebou se však nevyužije celá energie na produkci nových částic. To proto, že velká část energie zůstane schována v pohybu zbylých částí sražených částic. Pokud chceme urychlovat částice na rychlosti blízké rychlosti světla, tak dalším problémem je potřeba urychlovačů s velkým poloměrem, jak je vidět ze vztahu (1). Toto lze částečně řešit použitím co možná nejsilnějšího magnetického pole. Podívejme se nyní na některé druhy kruhových urychlovačů. Jedním typem je betatron. Je to kruhový urychlovač elektronů, u kterého magnetické pole neslouží jen k vedení svazků částic, ale zároveň je urychluje. K vytvoření urychlovacího napětí 11

12 V využívá elektromagnetickou indukci a řadí se mezi indukční urychlovače. Pro napětí V platí V = r r Φ Eds =, (4) t Φ kde je časová změna magnetického indukčního toku plochou ohraničenou t trajektorií částice a E r je vektor intenzity indukovaného el. pole. Magnetická indukce pole betatronu musí dále splňovat Wideroeho podmínku B 1 =, (5) 2 ( R) B( R) kde ( R) B je střední hodnota magnetické indukce pole uvnitř plochy ohraničené trajektorií částic. Při splnění této podmínky budou částice urychlovány po správně zakřivené trajektorii. [1, 4] Na zaostření svazku je zde používána slabá fokusace. Urychlovač je tvořen elektromagnetem, mezi jehož vinutím je evakuovaná kruhová uzavřená trubice, kterou prolétávají elektrony. Tento typ urychlovačů se používá jen na malé energie částic (kolem 50 MeV) a využívá se jako zdroj brzdného záření. [1] Dalším druhem je cyklotron, který patří mezi vysokofrekvenční urychlovače. Používá se na urychlování protonů a těžších iontů. Na vedení svazku je využit elektromagnet vytvářející homogenní magnetické pole a zajišťující slabou fokusaci svazku. Částice se pohybují ve vakuové komoře, kde jsou také umístěny dvě duté urychlovací elektrody (duanty) připojené ke zdroji vysokofrekvenčního napětí. Urychlování probíhá vždy při průletu částice mezi duanty. Je tedy důležité, aby frekvence zdroje napětí odpovídala frekvenci průletu částic a byla vždy taková, aby byly částice skutečně urychleny. Tato frekvence je ω ze vztahu (2). Zdroj částic je umístěn uprostřed komory. Jejich trajektorie je spirála. Po urychlení jsou vyvedeny ven pomocí deflektoru (odchylovače) s vhodným napětím. Pro maximální energii částic platí ( ZeRB) 0 2 T =, (6) 2m kde Ze je náboj, B je velikost magnetické indukce, R je maximální poloměr trajektorie a m 0 klidová hmotnost urychlované částice. Viz [1]. Dalším typem jsou synchrotrony. To jsou vysokofrekvenční urychlovače sestavené ze střídajících se magnetů a dutinových rezonátorů. Částice jsou zde udržovány na uzavřené trajektorii blízké kružnici. Dutinové rezonátory jsou vytvořeny tak, aby v nich vzniklo elektromagnetické vlnění, které má vodorovnou složku elektrického pole. Tato složka by měla být nejsilnější uprostřed trubice. Jejím působením jsou částice urychlovány. Pro urychlování je nejvýhodnější, aby fázová rychlost elektromagnetické vlny byla stejná jako rychlost procházejících částic. Protože bývá fázová rychlost větší, vkládají se do trubic rovnoměrně rozmístěné clony, které ji zmenšují. [4] c 12

13 Další důležitou věcí je synchronizování průchodu částic dutinovým rezonátorem a frekvence urychlovacího napětí. To je zajištěno takzvaným samočinným fázováním. To funguje díky tomu, že částice přicházející do rezonátoru dříve je urychlena méně, než ta, která přijde později. Po několika průletech se částice dostane na rovnovážnou dráhu. V elektronovém synchrotronu se využívá toho, že při zvyšování magnetické indukce roste úhlová rychlost částic a tak se dostanou do dutinového rezonátoru včas na to, aby opět mohly získat energii. Tyto urychlovače pracují v pulzním režimu. Elektronové synchrotrony, které využívají slabou fokusaci svazku dosahují energií až 500 MeV a využívají se opět jako zdroje brzdného záření. Při použití silné fokusace (např. kvadrupólových magnetů) lze dosahovat ještě vyšších energií. Protonový synchrotron se od elektronového liší tím, že se zvyšující se energií protonů roste i jejich obvodová rychlost v. U elektronů byla tato rychlost téměř konstantní. Pro poloměr trajektorie protonů platí r m T 0 v Ze 1 + m c, (7) 0 B = 2 kde Ze je náboj, m 0 je klidová hmotnost, T je energie protonu a B je velikost magnetické indukce. [1] Pro udržení konstantního poloměru je zde potřeba měnit spolu s magnetickou indukcí i frekvenci urychlujícího napětí. Tento typ urychlovače se používá pro největší konstrukce. Vstřikují se do něj již předurychlené částice, některým z menších urychlovačů. Výsledná energie protonů může dosahovat až jednotek TeV. [1] 2.2 Lineární urychlovače Jak již bylo napsáno, nevýhodou kruhových urychlovačů je brzdné záření částic. V lineárních urychlovačích tento problém odpadá. Proto se otevírá lepší možnost urychlovat elektrony, které již nemají vnitřní strukturu a při jejich srážce se využije celá jejich kinetická energie. Nevýhodou však je, že částice mohou projít dutinovými rezonátory pouze jednou, což snižuje šanci předat jim velkou energii. Existují dva základní druhy lineárních urychlovačů a to elektrostatické a vysokofrekvenční. Elektrostatické urychlovače využívají k urychlování homogenní elektrostatické pole mezi anodou a katodou. Pro přírůstek energie v takovém poli platí dt dt rr = ZevE, (8) kde Ze je náboj, v r je rychlost částice a E r je vektor intenzity el. pole. [1] Skládají se ze zdroje vysokého napětí a urychlovací trubice. Zdrojem napětí může být Van de Graaffův generátor nebo Cockroftův-Waltonův generátor. V urychlovači s Van de Graaffovým generátorem mohou částice získat energii kolem 10 MeV. Pokud dáme elektrodu s generátorem do středu trubice můžeme záporné ionty urychlit dvakrát. Poprvé mezi nulovým napětím na začátku a nabitou elektrodou. Poté se jim dá do cesty vhodný materiál, při jehož procházení změní ionty svůj náboj na opačný a opět mohou být urychleny mezi nabitou elektrodou a nulovým napětím 13

14 na konci urychlovače. Takovému urychlovači se říká tandemový a lze na něm získat energie až 30 MeV. Vysokofrekvenční urychlovače využívají k urychlování několikanásobného průchodu částic potenciálovým rozdílem, který je tvořen v prostorech mezi válcovými elektrodami poskládanými za sebou. Tyto elektrody jsou napájeny vysokofrekvenčním zdrojem napětí tak, aby byly částice v mezerách vždy urychleny. V čase, kdy je částice uvnitř elektrod, musí se otočit jejich polarita. Jinak by v další části nebyl urychlen. Délka elektrod tedy musí být taková, aby se přepólování stihlo provést. Při průletu částic mezi elektrodami se svazek částic mírně přibližuje k ose urychlovače díky tvaru el. pole. Situace je znázorněna na obrázku 3. Obrázek 3: Tvar el. pole mezi elektrodami a jeho účinky na svazek elektronů. Díky urychlení částic působí síla F r 1 delší dobu než síla F r 2 a proto převáží její účinek. Sílu F r 2 lze vyrušit vložením stínící síťky. Obrázek byl získán z [6]. Kromě těchto urychlovačů existují ještě vysokofrekvenční urychlovače s nosnou vlnou. Princip dutinových rezonátorů s vlnovodem byl přiblížen v části o cyklotronech. V těchto urychlovačích dosahují elektrony energií vyšších než 20 GeV. [1, 4, 6] V obou typech urychlovačů (kruhových i lineárních) lze srážet dva svazky částic proti sobě, nebo poslat urychlené částice proti pevnému terčíku například z nějakého kovu. Každý z těchto způsobů má něco do sebe. Při vstřícných srážkách se uvolňuje energie o velikosti součtu energií obou svazků, ale je zde menší pravděpodobnost srážek, než když jsou částice urychleny proti terčíku. Ten má totiž větší hustotu částic. Při střílení svazku do terčíku je využitelná energie úměrná odmocnině z energie nalétávající částice. Tato závislost je důsledkem relativistických rychlostí částic. 14

15 Kapitola 3 Velké urychlovače částic 3.1 LHC - Large Hadron Collider Velký srážeč hadronů LHC nebo také supravodivý protonový synchrotron pro vstřícné svazky je největším kruhovým urychlovačem na světě. Je závěrečným článkem v soustavě navzájem propojených urychlovačů v CERNu, což je Evropská laboratoř fyziky částic v Ženevě ve Švýcarsku. LHC je umístěn pod hranicemi mezi Švýcarskem a Francií v tunelu o průměru 3,8 m a v průměru 100 m pod povrchem. Náklon urychlovače je 1,4 %. Umístění pod zemí je výhodné z několika důvodů, mezi které patří nižší cena (nemusely se vykupovat pozemky na povrchu), zachování krajiny nebo ochrana proti záření. LHC je napojen na několik menších urychlovačů, které kromě svých vlastních experimentů slouží k předurychlení částic, které jsou poté do nich vstříknuty. Celý systém je znázorněný na obrázku 4. Obrázek 4: Soustava propojených urychlovačů v CERNu. Obrázek byl získán z [9]. 15

16 Hlavním úkolem LHC je srážet dva proti sobě jdoucí svazky protonů. Ty jsou získávány z atomů vodíku odebráním jejich elektronů. Z jednoho centimetru krychlového vodíkového plynu lze urychlovač naplnit až krát. Získané protony jsou pak postupně urychlovány pomocí lineárního urychlovače Linac 2, dvou protonových synchrotronů PSB a PS, superprotonového synchrotronu SPS a LHC. Do LHC budou přicházet protony s rychlostí, která činí 99, % rychlosti světla a budou mít energii 450 GeV. Asi po dvaceti minutách urychlování se dostanou na 99, % rychlosti světla a každý z protonů bude mít energii 7 TeV. Mnohem méně častěji zde budou urychlována jádra olova, která se budou získávat ionizováním olověných par. Získané ionty budou postupně zbavovány elektronů. Jejich urychlování bude postupně probíhat v urychlovačích Linac 3, LEIR (urychlovač pro ionty s nízkou energií), PS, SPS a LHC. Konečná energie v té době již samotných jader bez elektronů bude dosahovat 2,76 TeV na jeden nukleon. To bude dostatečná energie na vytvoření podobného prostředí, jako bylo ve vesmíru v čase kolem s po velkém třesku. Tomuto prostředí se říká kvark-gluonové plazma a jeho vlastnosti budou zkoumány. Částice budou obíhat okruh dlouhý m ve dvou oddělených trubicích o průměru 6,3 cm, ve kterých bude udržován tlak 10-8 Pa, což je velmi dobré vakuum srovnatelné s tím, které je ve vnějším vesmíru. Ve vakuu musí být také umístěny kryogenní magnety a distribuční kanál tekutého helia. Celý urychlovač je složen ze šestnácti částí. Osm z nich je tvořeno dipólovými magnety a slouží k zakřivování trajektorie částic. Ve zbylých osmi částech se nechávají částice srážet, slouží k zavádění, čištění, nebo absorpci svazku. Pro lepší orientaci je LHC rozdělen na osm oktantů, jak je znázorněno na obrázku 5 Obrázek 5: Schéma rozdělení urychlovače LHC na oktanty. Obrázek byl získán z [8] 16

17 Celý magnetický systém je tvořen 9593 supravodivými elektromagnety, jejichž vinutí je z niob-titanu. Jsou zde vychylovací magnety, kterými bude procházet el. proud A, a které budou chlazeny na teplotu 1,9 K (-273,1 C). Jimi vytvořené magnetické pole bude dosahovat intenzity 8,3 T. Dále zde najdeme kvadrupóly a další typy magnetů, které slouží na zaostření a optimalizaci vlastností svazku. Na obrázku 6 je znázorněn řez jednoho z osmi bloků magnetů. Vedení svazků se provádí s přesností na jednotky až desítky mikrometrů. Obrázek 6: Počítačově znázorněný řez magnetem. Obrázek získán z [8]. K chlazení částí urychlovače se používá tekuté helium, které se napřed tekutým dusíkem ochladí na 80 K, poté se nechá zchladit až na 4,5 K a po naplnění do zařízení se dochladí na požadovaných 1,9 K. V celém urychlovači bude asi 120 t helia. Částice jsou urychlovány pomocí supravodivých vysokofrekvenčních dutinových rezonátorů, které jsou zchlazeny na teplotu 4,5 K (-268,7 C). V LHC jich je osm na obou trubicích, z nichž každý vytváří pole s napětím 2 MV při frekvenci 400 MHz. Kvůli způsobu urychlování nelze používat spojitý svazek a tak se urychlují diskrétní shluky obsahující kolem 100 miliard protonů. V jednom svazku je 2808 shluků, které mají mezi sebou odstup kolem 7 m. Při jejich rychlosti vykonají oběhů za sekundu. Luminosita (fyzikální veličina označující intenzitu a zaostření svazku) svazku je cm -2 s -1. Protony jsou sráženy na čtyřech místech, kde se kříží obě trubice. Pro větší pravděpodobnost srážky jsou shluky upraveny na průměr 16 µm a délku 80 mm. Přesto dojde jen asi ke dvaceti srážkám. Při plné intenzitě to znamená kolem 600 milionů srážek za sekundu. Tyto srážky budou sledovány pomocí detektorů, o kterých bude psáno později. Zde se jen zmíním o způsobu zaznamenávání a distribuci dat získaných z detektorů. 17

18 Protože je množství srážek obrovské, je velmi náročné stihnout sebrat a uložit všechny informace. Proto je vyvinut velmi rychlý systém, který má za úkol vyhodnotit, která srážka bude dále sledována a která ne. Tímto prvním sítem projde asi případů za sekundu. Po několika dalších redukcích bude skutečně zaznamenaných událostí za sekundu zhruba 100. Z každé srážky se získá asi 1 MB dat. Získané informace se budou shromažďovat v hlavním výpočetním středisku v CERNu označovaném jako Tier 0. Odsud se budou data distribuovat pomocí systému GRID do 11 center ve světě (Tier 1). Sem se pomocí internetu mohou připojit menší stanice jakou je například Goliáš v Praze. [7 11] V následujících částech se blíže seznámíme s experimenty na urychlovači LHC ATLAS - A Toroidal LHC ApparatuS ATLAS je experiment, ve kterém půjde, kromě jiného o detekci Higgsova bosonu, studování vlastností kvarku top a jeho antičástice, nebo hledání částic, které by mohly tvořit temnou hmotu. Nástrojem pro toto zkoumání je detektor ATLAS. Má válcový tvar, je dlouhý 46 m a má 25 m průměr. Jeho hmotnost je 7000 t. Skládá se z osmi supravodivých magnetů uspořádaných kolem místa srážek částic a z velkého toroidálního magnetu umístěného na krajích detektoru. Pomocí těchto magnetů je vytvořeno magnetické pole o intenzitě 2 T. Detektor je tvořen několika vrstvami subdetektorů. Nejblíže ke svazku je vnitřní dráhový detektor, který má tvar válce o délce 6,80 m a poloměru 1,15 m. Ten slouží ke sledování drah elektricky nabitých částic. Jeho rozlišení se pohybuje v řádu desítek mikrometrů. Při průletu částice detektorem dochází k ionizaci, což registrují elektrody uvnitř křemíkových destiček. Vnitřní vrstvu tvoří pixelové detektory, v nichž elektrody tvoří buňky (pixely) o rozměrech několika desítek mikrometrů. Ty jsou nejpřesnější. Další vrstvu tvoří stripové detektory, v nichž jsou elektrody ve tvaru pásků. Dráhy částic jsou vlivem magnetického pole zakřiveny a podle toho lze určit znaménko náboje a hybnost dané částice. Vnější vrstvu tvoří TRT (Transition Radiation Tracker), což je detektor přechodového záření. Tento druh záření emituje částice pohybující se téměř rychlostí světla při průchodu mezi prostředími o různých indexech lomu. TRT je tvořen trubičkami obklopenými vhodným materiálem pro tvorbu přechodového záření. Po průletu částice vzniklé přechodové záření ionizuje plyn v trubičkách a vzniklé ionty jsou pak detekovány. Vnitřní detektor je obklopen elektromagnetickým a hadronovým kalorimetrem. Tyto detektory mají za úkol zjistit celkovou energii částic. Blíže ke svazku částic je elektromagnetický kalorimetr. V něm se budou měřit částice elektromagneticky interagující. Tento kalorimetr je složen z olověných desek pokrytých ocelí, které fungují jako absorbátory. Jako aktivní medium je použit kapalný argon, uvnitř kterého jsou elektrody. Průletem fotonů nebo leptonů materiálem detektoru vznikají elektromagnetické spršky tvořené fotony, elektrony a pozitrony. Ty poté ionizují argon a vzniklé ionty jsou detekovány elektrodami. Dalším subdetektorem je hadronový scintilační dlaždicový kalorimetr TileCal (The Tile Hadronic Calorimeter). Jeho hlavní součástí jsou železné desky, které plní funkci absorbátorů. Mezi nimi jsou plastové destičky. Při průchodu hadronů železem vznikají hadronové spršky. Nárazy vzniklých hadronů vyvolávají v plastových destičkách jemné záblesky (hadrony excitují atomy destiček, které při návratu do základního stavu vyzařují fotony). Ty jsou poté pomocí optických vláken přeneseny 18

19 do fotonásobičů a dále elektronicky zpracovány. Krajní části hadronového detektoru mají podobnou strukturu jako elektromagnetický kalorimetr. Ale jako detekční medium používají kapalný argon. Zadní část je tvořena měděnými pláty a přední je z wolframu. Oběma kalorimetry již projdou pouze miony a neutrina. Miony jsou chyceny ve vnější části celého ATLASu. Ta plní funkci mionového detektoru, který je tvořen velkým toroidálním magnetem s mionovými komorami. Ze zakřivení dráhy mionů v magnetickém poli toroidu je možné určit znaménko jejich náboje a jejich hybnost. Spektrometr je rozdělen na tři komory, ve kterých jsou vícevrstevné detektory. Ty jsou dvojího druhu. První se nazývají MDT-Monitored Drift Tubes (trubice se sledovaným driftem iontů). Tyto detektory jsou tvořeny hliníkovými trubicemi naplněnými plynem a vodiči. Průchodem mionů dojde k ionizaci a vzniklé ionty se začnou pohybovat směrem k elektrodě. Ze sledování vzniklých pulzů a časového průběhu, pak lze určit polohu mionu s přesností asi 0,1 mm. Druhým typem je CSC- Cathode Strip Chambers. Ty se používají pro měření částic, které se pohybují v blízkosti svazku. Jsou tvořeny rychlými mnohodrátovými proporcionálními komorami se segmentovanými proužky katody. Částice polétávající komorou ionizují plyn uvnitř. Vzniklé elektrony jsou urychleny elektrostatickým polem mezi elektrodami a způsobují další ionizaci, která je detekována. Detektor ATLAS nakonec bez povšimnutí opustí pouze neutrina. Jejich přítomnost je však zjišťována pomocí výpočtu na základě zákona zachování energie a hybnosti. Výběr událostí, které budou zaznamenány nebo ne zajišťuje detektor RPC- Resistive Plate Chambers. Skládá se z anody a katody z nevodivého materiálu, mezi kterými je plyn. Při průchodu mionu dochází k ionizaci plynu a vzniklé elektrony způsobují lavinovitý vznik dalších. Tato reakce je pak zaznamenána pomocí stripových detektorů. Detektor ATLAS je nakreslen na obrázku 7. [12-16, 21] Obrázek 7: Detektor ATLAS. Obrázek byl získán z [12]. 19

20 Na tomto experimentu se významně podílí i Česká republika. Vývojem, stavbou a testováním hadronového kalorimetru TileCal, pixelového a stripového detektoru a stínění se zaobírali čeští fyzici a inženýři z Akademie věd ČR, Českého vysokého učení technického a University Karlovy. Dále ještě pomáhali s plánováním fyzikálního programu. V době provozu budou čeští vědci zajišťovat údržbu a funkčnost těchto zařízení, což jim umožní přístup k naměřeným datům a možnost provádět jejich analýzu a interpretaci. [17] CMS - Compact Muon Solenoid Tento experiment má stejné cíle jako ATLAS. Pro získávání nových objevů je výhodné mít vždy dvě nezávislá pozorování proto, aby nedocházelo k nedorozuměním a bylo možno výsledky ověřovat různými metodami. Detektor CMS je umístěn naproti ATLASu. Má válcový tvar, je dlouhý 21 m a má 15 m v průměru. Jeho hmotnost je t. Pro určování hybnosti částic je opět potřeba magnetické pole. To je zde realizováno supravodivým solenoidem, jehož délka je 13 m a průměr je 7 m. Tento solenoid je největším ze všech použitých magnetů. Intenzita pole, které vytváří je 4 T. Stejně jako ATLAS je i CMS tvořen několika vrstvami subdetektorů. Jsou to dráhový detektor, elektromagnetický kalorimetr (ECAL), hadronový kalorimetr (HCAL) a mionový detektor. Vnitřní dráhový detektor obsahuje křemíkové pixely a stripy a funguje stejně jako na ATLASu. Úkolem tohoto subdetektoru je určit dráhu nabitých částic. Energii fotonů a leptonů opět měří elektromagnetický kalorimetr. V případě CMS jsou jako aktivní medium použity wolframové krystaly (PbWO 4 ). V krajních částech (endcaps) je takzvaný preshower detektor. Je tvořen dvěma olověnými deskami a křemíkovými senzory podobnými těm v dráhovém detektoru. Tato část je přesnější než zbytek kalorimetru a měla by sloužit k odlišení fotonů vzniklých případným rozpadem Higgsovi částice a fotonů vzniklých rozpadem pionů. Další část tvoří hadronový kalorimetr. Ten je poslední uvnitř solenoidu. Tento vzorkovací kalorimetr je tvořen střídáním absorbátorů z mosazi a oceli s plastovými scintilátory. Vnější část opět tvoří mionový systém složený ze železných desek a čtyř vrstev mionových komor. Stejně jako u ATLASu zde jsou použity detektory MDT, CSC a RPC. [18] Detektor CMS je znázorněn na obrázku 8. 20

21 Obrázek 8: Detektor CMS. Obrázek získán z [13] ALICE - A Large Ion Collider Experiment Tato část výzkumu je zaměřena na zkoumání srážek olověných jader. Při srážce těžkých jader s velkými energiemi může vzniknout takzvané kvark-gluonové plazma, což je stav, ve kterém jsou osvobozené kvarky. Předpokládá se, že toto stádium existovalo ve vesmíru těsně po velkém třesku. Zkoumání kvark-gluonového plazmatu, jeho rozpadu a ochlazování může odhalit mechanismus tvorby hmoty existující v současnosti. Detektor ALICE je tedy specializován pouze na srážky olova. Je dlouhý 26 m a jeho průměr je 16 m. Celý detektor váží t. Obrázek 9: Detektor ALICE. Obrázek získán z [19] 21

22 Tento detektor je opět složen z několika různých vrstev sloužících k různým účelům. Mezi jednotlivé složky patří například stripové a pixelové křemíkové detektory. Pro sledování časového vývoje a prostorového rozložení plazmatu slouží TPC Time Projection Chamber. Pro detekování elektronů je zde TRD Transition Radiation Detector, který zachytává záření emitované při průchodu rychlých částic detektorem. Jednou ze součástí je také elektromagnetický kalorimetr PHOS Photon Spectrometer, který sleduje množství fotonů. Z toho se pak dá určit teplota systému. Celý detektor ALICE je obklopen elektromagnetem, který není supravodivý. Na tomto projektu se podílí také Fyzikální ústav a Ústav jaderné fyziky Akademie věd a České vysoké učení technické. [19] LHCb - Large Hadron Collider beauty experiment Výsledky experimentu LHCb by měly především objasnit proč ve vesmíru převážila hmota nad antihmotou. Testuje se nezachování takzvané CP symetrie. CP symetrie znamená, že pokud bychom všechny částice zaměnili za antičástice a ještě vše zobrazily zrcadlově v prostoru, tak by měly být zachovány všechny fyzikální zákonitosti. Tento jev lze nejlépe zkoumat studiem hadronů, které obsahují kvark b. Detektor LHCb váží 5600 t. Jeho délka je 21 m, je vysoký 10 m a široký 13 m. Částice, které sleduje, se pohybují blízko původní trajektorie. Proto tento detektor neobklopuje místo srážky, ale jeho subdetektory jsou naskládané za sebou ve směru svazku. Úkolem subdetektorů je opět určení druhu částice, její trajektorie, hybnosti a energie. Důležitým subdetektorem je VELO Vertex Locator. Jeho úkolem je určit b mezony a měřit vzdálenost mezi místem srážky protonů a místem rozpadu vzniklých b mezonů. Tyto částice se rozpadají velmi rychle, proto je VELO umístěn jen několik milimetrů od místa srážky. Další část tvoří RICH Ring Imaging Cherenkov, který měří Čerenkovovo záření. To vzniká pokud se částice procházející daným prostředím pohybuje rychleji, než by se v tomto prostředí pohybovalo světlo. Pomocí tohoto subdetektoru je možné určovat rychlosti částic. V detektoru LHCb opět nechybí dráhové detektory, kalorimetry nebo systém na detekování mionů. [9, 20] Menší experimenty na LHC Na urychlovači LHC jsou ještě dva experimenty využívající menších detektorů, které se nazývají LHCf a TOTEM. LHCf Large Hadron Collider forward se zaměřuje na částice pohybující se v blízkosti osy svazku. Ty simulují kosmické záření a jejich měření pomůže k vylepšení detektorů na skutečné kosmické záření. LHCb je tvořen dvěma detektory dlouhými 30 cm o průměru 10 cm. [9, 21] TOTEM Total elastic and diffractive cross section zkoumá částice málo odchýlené od původní trajektorie. Slouží k měření účinného průřezu (což je efektivní velikost částic, označující, kdy ještě budou částice mezi sebou interagovat) protonů. Kromě toho ještě měří luminositu svazku. Tento detektor je dlouhý 440 m a na výšku i na šířku má 5 m. Jeho systémy jsou umístěny ve vakuových komorách nazvaných římské hrnce uvnitř detektoru CMS. 22

23 Na tomto experimentu spolupracují čeští vědci z Fyzikálního ústavu Akademie věd. [9, 21] 3.2 Tevatron Je kruhový srážeč protonů a antiprotonů. Tento urychlovač je zařízení centra Fermilab (Fermiho národní urychlovačová laboratoř), které je v USA v Batavii ve státě Ilinoa. Ve Fermilabu se nachází podobný komplex urychlovačů jako v CERNu. Komplex začíná zdrojem vodíkových iontů, které jsou urychleny Cockroft Waltonovým generátorem na energii 750 kev. Pomocí lineárního urychlovače se ionty dostanou na 400 MeV. Na konci této části jsou ionty zbaveny elektronů průchodem uhlíkovou fólií. Poté se již samotné protony dostávají do kruhového urychlovače (Booster), kde dosáhnou energie 8 GeV. Dále částice putují do hlavního vstřikovače (Main injector), odsud odcházejí s energií 150 GeV do závěrečného urychlovače tevatronu. Maximální energie částic se pohybuje kolem 1 TeV. Celý systém urychlovačů je znázorněn na obrázku 10. Obrázek 10: Soustava urychlovačů ve Fermilabu. Obrázek byl získán z [23] V Tevatronu se srážejí protony s antiprotony, ty je však potřeba napřed vytvořit. Antiprotony se získávají při srážkách částic, které mají energii větší než je energie odpovídající hmotnosti dvou protonů, protože se produkují vždy jen páry částiceantičástice. S rostoucí energií svazku je produkce antiprotonů intenzivnější. Pro získání antiprotonů se v hlavním vstřikovači oddělí několik protonů o energii 120 GeV a nasměrují se na terč z niklu. Při této srážce kromě antiprotonů vnikne mnoho 23

24 jiných částic. Proto je potřeba zvláštní elektrické a magnetické pole, kterým jsou antiprotony odděleny od ostatních částic. Protože jich takto vzniká relativně málo, jsou nasměrovány do akumulačního prstence, kde obíhají, dokud jich není získáno více. V tomto prstenci také dochází k zaostřování antiprotonového svazku. Když je antiprotonů dostatečné množství, pak jsou vráceny do hlavního vstřikovače. Zde se již urychlují společně s protony. Výhodou antiprotonů je jejich opačný elektrický náboj než mají protony, díky němuž je může udržovat na správné dráze stejné magnetické pole jako protony a přesto se oba svazky pohybují proti sobě. Oba svazky se tedy mohou pohybovat ve stejné trubici a magnety mají jednodušší konstrukci. Nevýhodou je, již zmíněná výroba a nižší intenzita antiprotonového svazku. Samotný urychlovač je velmi podobný urychlovači LHC. Letecký snímek areálu, kde se Tevatron nachází je na obrázku 11. Urychlovač je umístěn necelých 8 m pod zemí. Jeho obvod je 6,3 km. Částice procházejí evakuovanou trubicí a jejich trajektorie je upravována pomocí supravodivých magnetů (dipólů pro zakřivení trajektorie, kvadrupólů pro zaostřování svazku a dalších jemnějších typů). Magnety jsou chlazeny pomocí tekutého helia na teplotu 4,2 K. Urychlování probíhá v dutinových rezonátorech. Při maximálním výkonu se částice pohybují 99, % rychlosti světla a celý okruh proletí asi 47000krát za sekundu. Rozestup jednotlivých shluků částic je 132 ns a maximální luminosita svazku se pohybuje kolem cm -2 s -1. [22, 23] Obrázek 11: Letecký pohled na areál urychlovače Tevatron. Obrázek získán z [23] 24

25 3.2.1 Detektory DZero a CDF Collider Detector at Fermilab Na tevatronu probíhají dva experimenty, jejichž detektory jsou velmi podobné detektorům ATLAS a CMS na urychlovači LHC. Opět jsou sestaveny z jednotlivých vrstev, které jsou tvořeny dráhovými detektory, kalorimetry a mionovým systémem. Jedním z nejzajímavějších objevů, které byly uskutečněny při těchto experimentech je nalezení nejtěžšího kvarku top. Studování této částice pokračuje a mělo by pomoct pochopit jak se vytváří hmotnost. Při experimentu D0 vědci mimo jiné sledují hadrony obsahující kvark b a jejich rozpady. Probíhá také hledání Higgsova bosonu. Na analýze dat z detektoru D0 se podílejí i čeští vědci z Fyzikálního ústavu AV ČR, Matematicko fyzikální fakulty University Karlovy a fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské Českého vysokého učení technického. [23] 3.3 RHIC - Relativistic Heavy Ion Collider Tento kruhový urychlovač těžkých iontů je provozován Brookhavenskou národní laboratoří v New Yorku v USA. RHIC uzavírá soustavu menších urychlovačů, která začíná tandemovým lineárním urychlovačem s Van de Graafovým generátorem. Tento urychlovač může dodat jádrům zlata 1 MeV na jeden nukleon. Dále jsou jádra vedena do kruhového synchrotronu, ve kterém se dostanou až na energii 95 MeV na nukleon. Odtud se jádra dostávají do urychlovače AGS - Alternating Gradient Synchrotron. Poté je svazek rozdělen pomocí magnetu do dvou směrů. Na závěr putují s energií 8,86 GeV do RHICu, ve kterém se částice pohybují proti sobě. Maximální energie jader na konci urychlování se pohybuje kolem 100 GeV na nukleon. Protony jsou na začátku urychlovány v lineárním urychlovači Linac, který jim dodá energii 200 MeV. Dále je cesta protonů stejná jako pro jádra. Maximální energie protonů se pohybuje kolem 250 GeV. Schéma komplexu je na obrázku 12. Obrázek 12: Komplex urychlovačů v Brookhavenu. Obrázek získán z [24] 25

26 Urychlovač RHIC se používá pro srážení protonů, jader mědi a zlata. Je to první urychlovač, který dokázal urychlovat těžké ionty. RHIC je umístěn asi 3,7 m pod zemí a má obvod 3,8 km. Skládá se ze dvou evakuovaných trubic, které se na šesti místech kříží. Pro vedení svazků je použito 1740 supravodivých magnetů, chlazených tekutým heliem na teplotu 4,5 K. Urychlování částic probíhá ve vysokofrekvenčních dutinových rezonátorech. [24] Parametry svazku si přiblížíme na srážce iontů zlata Au 79+, prováděné V jednom svazku bylo 56 shluků, z nichž každý obsahoval 0,4 10 iontů. Průměr svazku byl 150 µm a průměrná luminosita parametry lze najít v [25]. 23 1,2 10 cm -2 s -1. Tyto a další Experimenty na urychlovači RHIC Kolem urychlovače RHIC jsou vytvořeny čtyři experimentální zařízení STAR, PHENIX, BRAHMS a PHOBOS. STAR the Solenoidal Tracker at RHIC je detektor specializovaný na sledování drah vzniklých částic, studování formování a vlastností kvark-gluonového plazmatu a chování hmoty při vysoké hustotě energie. Váží 1200 t a jeho hlavním subdetektorem je TPC. Tento detektor je znázorněn na obrázku 13. Obrázek 13: Detektor STAR. Obrázek získán z [24] Na sledování a analýze dat z tohoto experimentu spolupracuje skupina z Českého vysokého učení technického a Ústavu jaderné fyziky AV ČR. PHENIX the Pioneering High Energy Nuclear Interaction experiment je největší detektor na RHICu, je vybaven na zachytávání vzniklých částic, určování jejich drah, 26

27 hybností a energií. Především je zaměřen na elektrony, miony a fotony. Díky fotonům se například dá určit teplota při srážce. Tento detektor se také využívá pro zjištění místa, kde došlo ke srážce a zda byla srážka centrální. PHENIX váží 4000 t a je se staven z více než deseti subdetektorů (znázorněných na obrázku 14), mezi které patří například elektromagnetický kalorimetr nebo Ring Imaging Cerenkov. Obrázek 14: Detektor PHENIX. Obrázek získán z [24] Jedním ze dvou menších detektorů je BRAHMS Broad Range Hadron Magnetic Spectrometer. Ten sleduje nabité hadrony, které jsou po srážce jen málo vychýleny od osy původního svazku. Má za úkol velmi přesně určit jejich hybnosti a energie. Posledním detektorem je PHOBOS. Ten je určen pro podání celkové zprávy o srážce. Do které patří celkový počet produkovaných částic, jejich úhlové rozložení, teplota a hustota prostředí vzniklého při srážce. [24] 3.4 KEKB KEKB je asymetrický srážeč elektronů a pozitronů. Je provozován japonskou Národní laboratoří pro fyziku vysokých energií KEK v Tsukubě v Japonsku. Zde jsou pomocí lineárního urychlovače, dlouhého 400 m, urychlovány elektrony, které dosahují energie 8 GeV a pozitrony, které získají energii 3,5 GeV. Částice jsou pak poslány do oddělených akumulačních prstenců, kde se jejich energie udržuje 27

28 pomocí vysokofrekvenčních dutinových rezonátorů. Obvod prstenců je 3016 m. Částice se nechávají srážet v jednom ze čtyř míst, kde se jejich dráhy kříží. Energie srážky v těžišťové soustavě dosahuje 10,58 GeV. Pohled na laboratoř je ukázán na obrázku 15. Obrázek 15: Urychlovač KEKB. Obrázek získán z [26] Výhodou asymetrické srážky je, že se vzniklé částice pohybují ve směru energetičtějšího svazku s vyšší rychlostí, než by tomu bylo u symetrické srážky. Díky zvýšení rychlosti se částice rozpadají pomaleji (což je důsledek dilatace času popisované speciální teorií relativity) a tím se zlepšuje možnost jejich přímého zkoumání. Zařízení KEKB dosahuje nejvyšší luminosity svazku na světě. Rekord je 34 1,96 10 cm -2 s -1. V celém okruhu se pohybuje až 5000 shluků částic s odstupem 2 ns. Délka shluků je 0,4 cm. Počet pozitronů ve shluku je 10 1, ,3 10 a elektronů je Hlavní úkolem tohoto urychlovače je produkce takzvaných B mezonů, což jsou částice obsahující kvark b. Na urychlovači KEKB je provozován jediný experiment s názvem Belle. Jeho úkolem je sledovat B mezony a jejich rozpady za účelem zjištění příčiny nerovnováhy mezi hmotou a antihmotou. Také se zabývá studiem narušení CP symetrie. Tento detektor je sestaven ze sedmi subdetektorů, mezi kterými je například SVD Silicon Vertex Detector, který určuje vrcholy rozpadů B mezonů. Kromě subdetektorů je zde také supravodivý solenoid, který vytváří magnetické pole o intenzitě 1,5 T. [27] Na tomto experimentu se podílí také Matematicko-fyzikální fakulta University Karlovy. 28

Urychlovače částic principy standardních urychlovačů částic

Urychlovače částic principy standardních urychlovačů částic Urychlovače částic principy standardních urychlovačů částic Základní info technické zařízení, které dodává kinetickou energii částicím, které je potřeba urychlit nabité částice jsou v urychlovači urychleny

Více

Jana Nováková Proč jet do CERNu? MFF UK

Jana Nováková Proč jet do CERNu? MFF UK Jana Nováková MFF UK Proč jet do CERNu? Plán přednášky 4 krát částice kolem nás intermediální bosony mediální hvězdy hon na Higgsův boson - hit současné fyziky urychlovač není projímadlo detektor není

Více

Theory Česky (Czech Republic)

Theory Česky (Czech Republic) Q3-1 Velký hadronový urychlovač (10 bodů) Než se do toho pustíte, přečtěte si prosím obecné pokyny v oddělené obálce. V této úloze se budeme bavit o fyzice částicového urychlovače LHC (Large Hadron Collider

Více

Za hranice současné fyziky

Za hranice současné fyziky Za hranice současné fyziky Zásadní změny na počátku 20. století Kvantová teorie (Max Planck, 1900) teorie malého a lehkého Teorie relativity (Albert Einstein) teorie rychlého (speciální relativita) Teorie

Více

Standardní model a kvark-gluonové plazma

Standardní model a kvark-gluonové plazma Standardní model a kvark-gluonové plazma Boris Tomášik Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská, ČVUT International Particle Physics Masterclasses 2012 7.3.2012 Struktura hmoty molekuly atomy jádra a elektrony

Více

Experiment ATLAS. Shluky protiběžných částic se srážejí každých 25 ns. tj. s frekvencí. Počet kanálů detektoru je 150 mil.

Experiment ATLAS. Shluky protiběžných částic se srážejí každých 25 ns. tj. s frekvencí. Počet kanálů detektoru je 150 mil. Experiment ATLAS Shluky protiběžných částic se srážejí každých 25 ns tj. s frekvencí 40 MHz Počet srážek 40 MHz x 20 = 800 milionů / s Počet kanálů detektoru je 150 mil. Po 1. úrovni rozhodování (L1 trigger)

Více

Urychlovače nabitých částic

Urychlovače nabitých částic Urychlovače nabitých částic Osnova přednášky 1. Úvod, základní třídění urychlovačů, historie, 2. Pohyb částice v elektrickém a magnetickém poli, vedení svazků částic 3. Lineární urychlovače elektrostatické,

Více

2. Prostudovat charakter interakcí různých částic v hadronovém kalorimetru

2. Prostudovat charakter interakcí různých částic v hadronovém kalorimetru Pracovní úkol: 1. Seznámit se s interaktivní verzí simulace 2. Prostudovat charakter interakcí různých částic v hadronovém kalorimetru 3. Kvantitativně srovnat energetické ztráty v kalorimetru pro různé

Více

Lineární urychlovače. Jan Pipek jan.pipek@gmail.com 24.11.2011 Dostupné na http://fjfi.vzdusne.cz/urychlovace

Lineární urychlovače. Jan Pipek jan.pipek@gmail.com 24.11.2011 Dostupné na http://fjfi.vzdusne.cz/urychlovace Lineární urychlovače Jan Pipek jan.pipek@gmail.com 24.11.2011 Dostupné na http://fjfi.vzdusne.cz/urychlovace Lineární urychlovače Elektrostatické urychlovače Indukční urychlovače Rezonanční urychlovače

Více

Standardní model částic a jejich interakcí

Standardní model částic a jejich interakcí Standardní model částic a jejich interakcí Jiří Rameš Fyzikální ústav AV ČR, v. v. i., Praha Přednáškové dopoledne Částice, CERN, LHC, Higgs 24. 10. 2012 Hmota se skládá z atomů Každý atom tvoří atomové

Více

Úloha č.: I Název: Studium relativistických jaderných interakcí. Identifikace částic a určování typu interakce na snímcích z bublinové komory.

Úloha č.: I Název: Studium relativistických jaderných interakcí. Identifikace částic a určování typu interakce na snímcích z bublinové komory. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK PRAKTIKUM IV Úloha č.: I Název: Studium relativistických jaderných interakcí. Identifikace částic a určování typu interakce na snímcích

Více

DOUTNAVÝ VÝBOJ. Další technologie využívající doutnavý výboj

DOUTNAVÝ VÝBOJ. Další technologie využívající doutnavý výboj DOUTNAVÝ VÝBOJ Další technologie využívající doutnavý výboj Plazma doutnavého výboje je využíváno v technologiích depozice povlaků nebo modifikace povrchů. Jedná se zejména o : - depozici povlaků magnetronovým

Více

Od kvarků k prvním molekulám

Od kvarků k prvním molekulám Od kvarků k prvním molekulám Petr Kulhánek České vysoké učení technické v Praze Hvězdárna a planetárium hl. m. Prahy Aldebaran Group for Astrophysics kulhanek@aldebaran.cz www.aldebaran.cz ZÁKLADNÍ SLOŽKY

Více

A Large Ion Collider Experiment

A Large Ion Collider Experiment LHC není pouze Large Hadron Collider ATLAS ALICE CMS LHCb A Large Ion Collider Experiment Alenka v krajině ě velmi horké a husté éjaderné éhmoty a na počátku našeho vesmíru Díky posledním pokrokům se v

Více

Fyzika II, FMMI. 1. Elektrostatické pole

Fyzika II, FMMI. 1. Elektrostatické pole Fyzika II, FMMI 1. Elektrostatické pole 1.1 Jaká je velikost celkového náboje (kladného i záporného), který je obsažen v 5 kg železa? Předpokládejme, že by se tento náboj rovnoměrně rozmístil do dvou malých

Více

LEPTONY. Elektrony a pozitrony a elektronová neutrina. Miony a mionová neutrina. Lepton τ a neutrino τ

LEPTONY. Elektrony a pozitrony a elektronová neutrina. Miony a mionová neutrina. Lepton τ a neutrino τ LEPTONY Elektrony a pozitrony a elektronová neutrina Pozitronium, elektronové neutrino a antineutrino Beta rozpad nezachování parity, měření helicity neutrin Miony a mionová neutrina Lepton τ a neutrino

Více

I N V E S T I C E D O R O Z V O J E V Z D Ě L Á V Á N Í. neutronové číslo

I N V E S T I C E D O R O Z V O J E V Z D Ě L Á V Á N Í. neutronové číslo JADERNÁ FYZIKA I N V E S T I C E D O R O Z V O J E V Z D Ě L Á V Á N Í 1. Úvod 4 14 17 1 jádra E. Rutherford, 1914 první jaderná reakce: α+ N O H 2 7 8 + 1 jaderné síly = nový druh velmi silných sil vzdálenost

Více

Struktura atomu. Beránek Pavel, 1KŠPA

Struktura atomu. Beránek Pavel, 1KŠPA Struktura atomu Beránek Pavel, 1KŠPA Co je to atom? Částice, kterou již nelze chemicky dělit Fyzikálně ji lze dělit na elementární částice Modely atomů Model z antického Řecka (Démokritos) Pudinkový model

Více

Podivnosti na LHC. Abstrakt

Podivnosti na LHC. Abstrakt Podivnosti na LHC O. Havelka 1, J. Jerhot 2, P. Smísitel 3, L. Vozdecký 4 1 Gymnýzium Trutnov, ondra10ax@centrum.cz 2 SPŠ Strojní a elektrotechnická, České Budějovice, jerrydog@seznam.cz 3 Gymnázium Vyškov,

Více

IONTOVÉ ZDROJE. Účel. Požadavky. Elektronové zdroje. Iontové zdroje. Princip:

IONTOVÉ ZDROJE. Účel. Požadavky. Elektronové zdroje. Iontové zdroje. Princip: Účel IONTOVÉ ZDROJE vyrobit svazek částic vytvarovat ho a dopravit do urychlovací komory předurychlit ho (10 kev) Požadavky intenzita svazku malá emitance svazku trvanlivost zdroje stabilita zdroje minimální

Více

[KVANTOVÁ FYZIKA] K katoda. A anoda. M mřížka

[KVANTOVÁ FYZIKA] K katoda. A anoda. M mřížka 10 KVANTOVÁ FYZIKA Vznik kvantové fyziky zapříčinilo několik základních jevů, které nelze vysvětlit pomocí klasické fyziky. Z tohoto důvodu musela vzniknout nová teorie, která by je přijatelně vysvětlila.

Více

CERN Otázky. a odpovědi LHC. Co je to

CERN Otázky. a odpovědi LHC. Co je to CERN Otázky a odpovědi Co je to LHC Tento soubor informací a údajů o urychlovači LHC (Large Hadron Collider, česky doslova Velký srážeč hadronů) je uspřádán ve formě otázek a odpovědí. Otázky jsou rozděleny

Více

Hmotnostní spektrometrie

Hmotnostní spektrometrie Hmotnostní spektrometrie Princip: 1. Ze vzorku jsou tvořeny ionty na úrovni molekul, nebo jejich zlomků (fragmentů), nebo až volných atomů dodáváním energie, např. uvolnění atomů ze vzorku nebo přímo rozštěpení

Více

STŘEDOČESKÝ KRAJ ANTIHMOTA

STŘEDOČESKÝ KRAJ ANTIHMOTA ENERSOL 2011 STŘEDOČESKÝ KRAJ ANTIHMOTA Adresa autora projektu: Jméno, příjmení autorů projektu Enersol 2011: Jakub Rohan, Richard Měcháček Učební, studijní obor, ročník studia: Informační technologie,

Více

postaven náš svět CERN

postaven náš svět CERN Standardní model elementárních částic a jejich interakcí aneb Cihly a malta, ze kterých je postaven náš svět CERN Jiří Rameš, Fyzikální ústav AV ČR, v.v.i. Czech Teachers Programme, CERN, 3.-7. 3. 2008

Více

Detekce nabitých částic Jak se ztrácí energie průchodem částice hmotou?

Detekce nabitých částic Jak se ztrácí energie průchodem částice hmotou? Detekce nabitých částic Jak se ztrácí energie průchodem částice hmotou? 10/20/2004 1 Bethe Blochova formule (1) je maximální možná předaná energie elektronu N r e - vogadrovo čislo - klasický poloměr elektronu

Více

2. Prostudovat charakter interakcí různých částic v hadronovém kalorimetru

2. Prostudovat charakter interakcí různých částic v hadronovém kalorimetru 1 Pracovní úkol 1. Seznámit se s interaktivní verzí simulace 2. Prostudovat charakter interakcí různých částic v hadronovém kalorimetru 3. Kvantitativně srovnat energetické ztráty v kalorimetru pro různé

Více

Mezony π, mezony K, mezony η, η, bosony 1

Mezony π, mezony K, mezony η, η, bosony 1 Mezony π, mezony K, mezony η, η, bosony 1 Mezony π, (piony) a) Nabité piony hmotnost, rozpady, doba života, spin, parita, nezachování parity v jejich rozpadech b) Neutrální piony hmotnost, rozpady, doba

Více

Plazmové metody. Základní vlastnosti a parametry plazmatu

Plazmové metody. Základní vlastnosti a parametry plazmatu Plazmové metody Základní vlastnosti a parametry plazmatu Atom je základní částice běžné hmoty. Částice, kterou již chemickými prostředky dále nelze dělit a která definuje vlastnosti daného chemického prvku.

Více

4.4.6 Jádro atomu. Předpoklady: Pomůcky:

4.4.6 Jádro atomu. Předpoklady: Pomůcky: 4.4.6 Jádro atomu Předpoklady: 040404 Pomůcky: Jádro je stotisíckrát menší než vlastní atom (víme z Rutherfordova experimentu), soustřeďuje téměř celou hmotnost atomu). Skládá se z: protonů: kladné částice,

Více

Příklady Kosmické záření

Příklady Kosmické záření Příklady Kosmické záření Kosmické částice 1. Jakou kinetickou energii získá proton při pádu z nekonečné výšky na Zem? Poloměr Zeměje R Z =637810 3 maklidováenergieprotonuje m p c 2 =938.3MeV. 2. Kosmickékvantum

Více

3.1 Magnetické pole ve vakuu a v látkovén prostředí

3.1 Magnetické pole ve vakuu a v látkovén prostředí 3. MAGNETSMUS 3.1 Magnetické pole ve vakuu a v látkovén prostředí 3.1.1 Určete magnetickou indukci a intenzitu magnetického pole ve vzdálenosti a = 5 cm od velmi dlouhého přímého vodiče, jestliže jím protéká

Více

Elementární částice. 1. Leptony 2. Baryony 3. Bosony. 4. Kvarkový model 5. Slabé interakce 6. Partonový model

Elementární částice. 1. Leptony 2. Baryony 3. Bosony. 4. Kvarkový model 5. Slabé interakce 6. Partonový model Elementární částice 1. Leptony 2. Baryony 3. Bosony 4. Kvarkový model 5. Slabé interakce 6. Partonový model I.S. Hughes: Elementary Particles M. Leon: Particle Physics W.S.C. Williams Nuclear and Particle

Více

zve studenty 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, (tedy všech) ročníků

zve studenty 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, (tedy všech) ročníků detektory statistické metody Skupina částicové fyziky SLO/UPOL zve studenty 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, (tedy všech) ročníků na stručnou prezentaci výsledků své práce a nabídku neuronové sítě statistické metody

Více

Fyzikální vzdělávání. 1. ročník. Učební obor: Kuchař číšník Kadeřník. Implementace ICT do výuky č. CZ.1.07/1.1.02/ GG OP VK

Fyzikální vzdělávání. 1. ročník. Učební obor: Kuchař číšník Kadeřník. Implementace ICT do výuky č. CZ.1.07/1.1.02/ GG OP VK Fyzikální vzdělávání 1. ročník Učební obor: Kuchař číšník Kadeřník 1 Fyzika atomu - model atomu struktura elektronového obalu atomu z hlediska energie atomu - stavba atomového jádra; základní nukleony

Více

CERN Otázky. a odpovědi LHC. Co je to

CERN Otázky. a odpovědi LHC. Co je to CERN Otázky a odpovědi Co je to LHC Tento soubor informací a údajů o urychlovači LHC (Large Hadron Collider, česky doslova Velký srážeč hadronů) je uspřádán ve formě otázek a odpovědí. Otázky jsou rozděleny

Více

Wilsonova mlžná komora byl první přístroj, který dovoloval pozorovat okem dráhy elektricky

Wilsonova mlžná komora byl první přístroj, který dovoloval pozorovat okem dráhy elektricky Mlžná komora Kristína Nešporová, G. Boskovice Tomáš Pikálek, G. Boskovice Martin Valko, SPŠE a VOŠ Olomouc Abstrakt Tato práce se zabývá problematikou detekce ionizujícího záření pomocí difúzní mlžné komory.

Více

Přednášky z lékařské biofyziky Biofyzikální ústav Lékařské fakulty Masarykovy univerzity, Brno

Přednášky z lékařské biofyziky Biofyzikální ústav Lékařské fakulty Masarykovy univerzity, Brno Přednášky z lékařské biofyziky Biofyzikální ústav Lékařské fakulty Masarykovy univerzity, Brno 1 Přednášky z lékařské biofyziky Biofyzikální ústav Lékařské fakulty Masarykovy univerzity, Brno Struktura

Více

O čem se mluví v CERNu? Martin Rybář

O čem se mluví v CERNu? Martin Rybář O čem se mluví v CERNu? 29.11. 2012 Martin Rybář CERN Evropská organizace pro jaderný výzkum (Conseil Européen pour la recherche nucléaire) Založen roku 1954 ČR součástí od roku 1993 nejrozsáhlejší výzkumné

Více

FYZIKA II. Petr Praus 7. Přednáška stacionární magnetické pole náboj v magnetickém poli

FYZIKA II. Petr Praus 7. Přednáška stacionární magnetické pole náboj v magnetickém poli FYZIKA II Petr Praus 7. Přednáška stacionární magnetické pole náboj v magnetickém poli Osnova přednášky Stacionární magnetické pole Lorentzova síla Hallův jev Pohyb a urychlování nabitých částic (cyklotron,

Více

High Energy Physics Jiří Kvita, MFF UK

High Energy Physics Jiří Kvita, MFF UK High Energy Physics Jiří Kvita, MFF UK High Energy Physics Experimentalist s point of View O čem budu povídat? Co chceme (a mů můžeme) pozorovat v mikrosvě mikrosvětě. Částice a Standardní Standardní Model.

Více

Relativistická dynamika

Relativistická dynamika Relativistická dynamika 1. Jaké napětí urychlí elektron na rychlost světla podle klasické fyziky? Jakou rychlost získá při tomto napětí elektron ve skutečnosti? [256 kv, 2,236.10 8 m.s -1 ] 2. Vypočtěte

Více

Fyzika elementárn (Standardní model)

Fyzika elementárn (Standardní model) Fyzika elementárn rních částic (Standardní model) Zdenka.Broklova@mff.cuni.cz Délková škála 2 Jak pozorovat malé objekty? Částice mají i vlnové vlastnosti (dualismus, QM) Vlnová délka částice je nepřímo

Více

Opakování

Opakování Slabé vazebné interakce Opakování Co je to atom? Opakování Opakování Co je to atom? Atom je nejmenší částice hmoty, chemicky dále nedělitelná. Skládá se z atomového jádra obsahujícího protony a neutrony

Více

STACIONÁRNÍ MAGNETICKÉ POLE. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Elektřina a magnetismus - 3. ročník

STACIONÁRNÍ MAGNETICKÉ POLE. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Elektřina a magnetismus - 3. ročník STACIONÁRNÍ MAGNETICKÉ POLE Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Elektřina a magnetismus - 3. ročník Magnetické pole Vytváří se okolo trvalého magnetu. Magnetické pole vodiče Na základě experimentů bylo

Více

Úvod do moderní fyziky. lekce 3 stavba a struktura atomu

Úvod do moderní fyziky. lekce 3 stavba a struktura atomu Úvod do moderní fyziky lekce 3 stavba a struktura atomu Vývoj představ o stavbě atomu 1904 J. J. Thomson pudinkový model atomu 1909 H. Geiger, E. Marsden experiment s ozařováním zlaté fólie alfa částicemi

Více

Kosmické záření a jeho detekce stanicí CZELTA

Kosmické záření a jeho detekce stanicí CZELTA Kosmické záření a jeho detekce stanicí CZELTA Jiří Slabý slabyji2@fjfi.cvut.cz 30.10.2008, Fyzikální seminář, Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská Českého vysokého učení technického v Praze Co nás čeká

Více

Paul Adrien Maurice Dirac

Paul Adrien Maurice Dirac Hmota a antihmota Paul Adrien Maurice Dirac 1926 (24) - objevil souvislost Poissonových závorek s kvantovou teorií. 1926 (24) - nezávisle na Fermim odvodil statistické rozdělení pro soustavu částic s

Více

Pokroky matematiky, fyziky a astronomie

Pokroky matematiky, fyziky a astronomie Pokroky matematiky, fyziky a astronomie Jiří Chudoba; Rupert Leitner; Michal Suk Hledání top kvarku v experimentech na urychlovačích částic Pokroky matematiky, fyziky a astronomie, Vol. 40 (1995), No.

Více

Jak můžeme vidět částice?

Jak můžeme vidět částice? Jak můžeme vidět částice? J. Žáček Ústav částicové a jaderné fyziky, Matematicko-fyzikální fakulta Karlova Univerzita v Praze H1 po 20. rokoch, Prírodovedecká fakulta UPJŠ v Košiciach Proč chceme částice

Více

Referát z atomové a jaderné fyziky. Detekce ionizujícího záření (principy, technická realizace)

Referát z atomové a jaderné fyziky. Detekce ionizujícího záření (principy, technická realizace) Referát z atomové a jaderné fyziky Detekce ionizujícího záření (principy, technická realizace) Měřicí a výpočetní technika Šimek Pavel 5.7. 2002 Při všech aplikacích ionizujícího záření je informace o

Více

ELEKTŘINA A MAGNETIZMUS Řešené úlohy a postupy: Magnetická síla a moment sil

ELEKTŘINA A MAGNETIZMUS Řešené úlohy a postupy: Magnetická síla a moment sil ELEKTŘINA A MAGNETIZMUS Řešené úlohy a postupy: Magnetická síla a moment sil Peter Dourmashkin MIT 006, překlad: Jan Pacák (007) Obsah 6. MAGNETICKÁ SÍLA A MOMENT SIL 3 6.1 ÚKOLY 3 ÚLOHA 1: HMOTNOSTNÍ

Více

Pokroky matematiky, fyziky a astronomie

Pokroky matematiky, fyziky a astronomie Pokroky matematiky, fyziky a astronomie Rupert Leitner; Michal Suk Velké detekční systémy ve fyzice částic Pokroky matematiky, fyziky a astronomie, Vol. 42 (1997), No. 6, 313--324 Persistent URL: http://dml.cz/dmlcz/138098

Více

FYZIKA MIKROSVĚTA. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Fyzika mikrosvěta - 3. ročník

FYZIKA MIKROSVĚTA. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Fyzika mikrosvěta - 3. ročník FYZIKA MIKROSVĚTA Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Fyzika mikrosvěta - 3. ročník Mikrosvět Svět o rozměrech 10-9 až 10-18 m. Mikrosvět není zmenšeným makrosvětem! Chování v mikrosvětě popisuje kvantová

Více

DOUTNAVÝ VÝBOJ. 1. Vlastnosti doutnavého výboje 2. Aplikace v oboru plazmové nitridace

DOUTNAVÝ VÝBOJ. 1. Vlastnosti doutnavého výboje 2. Aplikace v oboru plazmové nitridace DOUTNAVÝ VÝBOJ 1. Vlastnosti doutnavého výboje 2. Aplikace v oboru plazmové nitridace Doutnavý výboj Připomeneme si voltampérovou charakteristiku výboje v plynech : Doutnavý výboj Připomeneme si, jaké

Více

Dosah γ záření ve vzduchu

Dosah γ záření ve vzduchu Dosah γ záření ve vzduchu Intenzita bodového zdroje γ záření se mění podobně jako intenzita bodového zdroje světla. Ve dvojnásobné vzdálenosti, paprsek pokrývá dvakrát větší oblast povrchu, což znamená,

Více

POKUSY VEDOUCÍ KE KVANTOVÉ MECHANICE III

POKUSY VEDOUCÍ KE KVANTOVÉ MECHANICE III POKUSY VEDOUCÍ KE KVANTOVÉ MECHANICE III FOTOELEKTRICKÝ JEV OBJEV ATOMOVÉHO JÁDRA 1911 Rutherford některé radioaktivní prvky vyzařují částice α, jde o kladné částice s nábojem 2e a hmotností 4 vodíkových

Více

(v zrcadle výtvarné estetiky)

(v zrcadle výtvarné estetiky) Několik vět o nejmenším: kosmickém záření a elementárních částicích (v zrcadle výtvarné estetiky) Jan Hladký, Fyzikální ústav v. v. i., AV ČR Praha. Proč studia částic a KZ provádíme? - základní výzkum

Více

Rozluštění skrytých symetrií přírody

Rozluštění skrytých symetrií přírody Rozluštění skrytých symetrií přírody Jaroslav Jindra 1, Fakulta pedagogická Západočeské univerzity v Plzni Studium symetrií a spontánních symetrií přineslo v roce 2008 Nobelovu cenu celkem třem vědcům.

Více

Lineární urychlovače. Jan Pipek Dostupné na

Lineární urychlovače. Jan Pipek Dostupné na Lineární urychlovače Jan Pipek jan.pipek@gmail.com 25.11.2009 Dostupné na http://fjfi.vzdusne.cz/urychlovace Poznámka: První srážky na LHC Lineární urychlovače Elektrostatické urychlovače Indukční urychlovače

Více

Elektřina a magnetismus úlohy na porozumění

Elektřina a magnetismus úlohy na porozumění Elektřina a magnetismus úlohy na porozumění 1) Prázdná nenabitá plechovka je umístěna na izolační podložce. V jednu chvíli je do místa A na vnějším povrchu plechovky přivedeno malé množství náboje. Budeme-li

Více

Experimentální metody ve fyzice vysokých energií Alice Valkárová

Experimentální metody ve fyzice vysokých energií Alice Valkárová Experimentální metody ve fyzice vysokých energií Alice Valkárová alice@ipnp.troja.mff.cuni.cz 10/20/2004 1 Literatura o detektorech částic Knihy: C.Grupen, Particle detectors,cambridge University Press,1996

Více

Encyklopedický slovník. T. D. Lee, Rev. Mod. Phys. 47, 267, 1975

Encyklopedický slovník. T. D. Lee, Rev. Mod. Phys. 47, 267, 1975 Jaderná a částicová fyzika Vladimír Wagner Nejsilnější síla HADES studuje vlastnosti částic ve velmi horkém a hustém prostředí Hádes v řecké mytologii bůh mrtvých, podsvětí a podzemních pokladů, syn Kronův

Více

Projekt podpořený Operačním programem Přeshraniční spolupráce Slovenská republika Česká republika 2007-2013

Projekt podpořený Operačním programem Přeshraniční spolupráce Slovenská republika Česká republika 2007-2013 Projekt podpořený Operačním programem Přeshraniční spolupráce Slovenská republika Česká republika 2007-2013 Novinky z jaderné a částicové fyziky Pokud označíme snahu o nalezení příznaků nové fyziky pomocí

Více

Pozitron teoretická předpověď

Pozitron teoretická předpověď Pozitron teoretická předpověď Diracova rovnice: αp c mc x, t snaha popsat relativisticky pohyb elektronu x, t ˆ i t řešení s negativní energií vakuum je Diracovo moře elektronů pozitrony díry ve vaku Paul

Více

ELEKTROMAGNETICKÉ POLE

ELEKTROMAGNETICKÉ POLE ELEKTROMAGNETICKÉ POLE 1. Magnetická síla působící na náboj v magnetickém poli Fyzikové Lorentz a Ampér zjistili, že silové působení magnetického pole na náboj Q, závisí na: 1. velikosti náboje Q, 2. relativní

Více

Jaroslav Reichl. Střední průmyslová škola sdělovací techniky Panská 3 Praha 1 Jaroslav Reichl, 2017

Jaroslav Reichl. Střední průmyslová škola sdělovací techniky Panská 3 Praha 1 Jaroslav Reichl, 2017 Střední průmyslová škola sdělovací techniky Panská Praha 1 Jaroslav Reichl, 017 určená studentům 4. ročníku technického lycea jako doplněk ke studiu fyziky Jaroslav Reichl Obsah 1. SPECIÁLNÍ TEORIE RELATIVITY....

Více

Příklady: 31. Elektromagnetická indukce

Příklady: 31. Elektromagnetická indukce 16. prosince 2008 FI FSI VUT v Brn 1 Příklady: 31. Elektromagnetická indukce 1. Tuhý drát ohnutý do půlkružnice o poloměru a se rovnoměrně otáčí s úhlovou frekvencí ω v homogenním magnetickém poli o indukci

Více

Jak se dělajíčástice Jiří Kvita, MFF UK

Jak se dělajíčástice Jiří Kvita, MFF UK Jak se dělajíčástice 19.12.2007 1 Jiří Kvita, MFF UK Fyzika vysokých energií Z experimentálního pohledu O čem budu povídat? Co chceme (a můžeme) pozorovat v mikrosvětě. Částice a síly v mikrosvětě. Jak

Více

1 Měření na Wilsonově expanzní komoře

1 Měření na Wilsonově expanzní komoře 1 Měření na Wilsonově expanzní komoře Cíle úlohy: Cílem této úlohy je seznámení se základními částicemi, které způsobují ionizaci pomocí Wilsonovi mlžné komory. V této úloze studenti spustí Wilsonovu mlžnou

Více

Jádro se skládá z kladně nabitých protonů a neutrálních neutronů -> nukleony

Jádro se skládá z kladně nabitých protonů a neutrálních neutronů -> nukleony Otázka: Atom a molekula Předmět: Chemie Přidal(a): Dituse Atom = základní stavební částice všech látek Skládá se ze 2 částí: o Kladně nabité jádro o Záporně nabitý elektronový obal Jádro se skládá z kladně

Více

Přehled veličin elektrických obvodů

Přehled veličin elektrických obvodů Přehled veličin elektrických obvodů Ing. Martin Černík, Ph.D Projekt ESF CZ.1.7/2.2./28.5 Modernizace didaktických metod a inovace. Elektrický náboj - základní vlastnost některých elementárních částic

Více

Úvod do fyziky plazmatu

Úvod do fyziky plazmatu Úvod do fyziky plazmatu Lenka Zajíčková, Ústav fyz. elektroniky Doporučená literatura: J. A. Bittencourt, Fundamentals of Plasma Physics, 2003 (3. vydání) ISBN 85-900100-3-1 Navazující a související přednášky:

Více

Prověřování Standardního modelu

Prověřování Standardního modelu Prověřování Standardního modelu 1) QCD hluboce nepružný rozptyl, elektron (mion) proton, strukturní funkce fotoprodukce γ proton produkce gluonů v e + e produkce jetů, hadronů 2) Elektroslabá torie interference

Více

Elektrostatické pole. Vznik a zobrazení elektrostatického pole

Elektrostatické pole. Vznik a zobrazení elektrostatického pole Elektrostatické pole Vznik a zobrazení elektrostatického pole Elektrostatické pole vzniká kolem nepohyblivých těles, které mají elektrický náboj. Tento náboj mohl vzniknout například přivedením elektrického

Více

Elektrické a magnetické pole zdroje polí

Elektrické a magnetické pole zdroje polí Elektrické a magnetické pole zdroje polí Podstata elektromagnetických jevů Elementární částice s ohledem na elektromagnetické působení Elektrické a magnetické síly a jejich povaha Elektrický náboj a jeho

Více

Měření absorbce záření gama

Měření absorbce záření gama Měření absorbce záření gama Úkol : 1. Změřte záření gama přirozeného pozadí. 2. Změřte záření gama vyzářené gamazářičem. 3. Změřte záření gama vyzářené gamazářičem přes absorbátor. 4. Naměřené závislosti

Více

S p e c i f i c k ý n á b o j e l e k t r o n u. Z hlediska mechanických účinků je magnetická síla vlastně silou dostředivou.

S p e c i f i c k ý n á b o j e l e k t r o n u. Z hlediska mechanických účinků je magnetická síla vlastně silou dostředivou. S p e c i f i c k ý n á b o j e l e k t r o n u Ú k o l : Na základě pohybu elektronu v homogenním magnetickém poli stanovit jeho specifický náboj. P o t ř e b y : Viz seznam v deskách u úlohy na pracovním

Více

Integrovaná střední škola, Sokolnice 496

Integrovaná střední škola, Sokolnice 496 Název projektu: Moderní škola Integrovaná střední škola, Sokolnice 496 Registrační číslo: CZ.1.07/1.5.00/34.0467 Název klíčové aktivity: V/2 - Inovace a zkvalitnění výuky směřující k rozvoji odborných

Více

R10 F Y Z I K A M I K R O S V Ě T A. R10.1 Fotovoltaika

R10 F Y Z I K A M I K R O S V Ě T A. R10.1 Fotovoltaika Fyzika pro střední školy II 84 R10 F Y Z I K A M I K R O S V Ě T A R10.1 Fotovoltaika Sluneční záření je spojeno s přenosem značné energie na povrch Země. Její velikost je dána sluneční neboli solární

Více

Vlastnosti atomových jader Radioaktivita. Jaderné reakce. Jaderná energetika

Vlastnosti atomových jader Radioaktivita. Jaderné reakce. Jaderná energetika Jaderná fyzika Vlastnosti atomových jader Radioaktivita Jaderné reakce Jaderná energetika Vlastnosti atomových jader tomové jádro rozměry jsou řádově 1-15 m - složeno z protonů a neutronů Platí: X - soustředí

Více

6.3.5 Radioaktivita. Předpoklady: Graf závislosti vazebné energie na počtu částic v jádře pro částice z minulé hodiny

6.3.5 Radioaktivita. Předpoklady: Graf závislosti vazebné energie na počtu částic v jádře pro částice z minulé hodiny 6.3.5 Radioaktivita Předpoklady: 6304 Graf závislosti vazebné energie na počtu částic v jádře pro částice z minulé hodiny Vazebná energie na částici [MeV] 10 9 8 Vazebná energie [MeV] 7 6 5 4 3 1 0 0 50

Více

POPIS VYNÁLEZU K AUTORSKÉMU OSVĚDČENÍ. (Bl) (И) ČESKOSLOVENSKA SOCIALISTICKÁ REPUBLIKA ( 1S ) (SI) Int Cl* G 21 G 4/08

POPIS VYNÁLEZU K AUTORSKÉMU OSVĚDČENÍ. (Bl) (И) ČESKOSLOVENSKA SOCIALISTICKÁ REPUBLIKA ( 1S ) (SI) Int Cl* G 21 G 4/08 ČESKOSLOVENSKA SOCIALISTICKÁ REPUBLIKA ( 1S ) POPIS VYNÁLEZU K AUTORSKÉMU OSVĚDČENÍ 262470 (И) (Bl) (22) přihláženo 25 04 87 (21) PV 2926-87.V (SI) Int Cl* G 21 G 4/08 ÚFTAD PRO VYNÁLEZY A OBJEVY (40)

Více

Stručný úvod do spektroskopie

Stručný úvod do spektroskopie Vzdělávací soustředění studentů projekt KOSOAP Slunce, projevy sluneční aktivity a využití spektroskopie v astrofyzikálním výzkumu Stručný úvod do spektroskopie Ing. Libor Lenža, Hvězdárna Valašské Meziříčí,

Více

Fyzika je přírodní věda, která zkoumá a popisuje zákonitosti přírodních jevů.

Fyzika je přírodní věda, která zkoumá a popisuje zákonitosti přírodních jevů. Fyzika je přírodní věda, která zkoumá a popisuje zákonitosti přírodních jevů. Násobky jednotek název značka hodnota kilo k 1000 mega M 1000000 giga G 1000000000 tera T 1000000000000 Tělesa a látky Tělesa

Více

1. Struktura hmoty. Následující schéma uvádí tento pojem do souvislosti s dalším

1. Struktura hmoty. Následující schéma uvádí tento pojem do souvislosti s dalším 1. Struktura hmoty Hmota je tvořena z hlediska vnějšího pohledu různými látkami. Následující schéma uvádí tento pojem do souvislosti s dalším členěním: Atomy jsou tvořeny elementárními částicemi (pojem

Více

Jihočeská universita v Českých Budějovicích Pedagogická fakulta. Urychlovače nabitých částic

Jihočeská universita v Českých Budějovicích Pedagogická fakulta. Urychlovače nabitých částic Jiri Bruckner Strana 0 5.8.00 Jihočeská universita v Českých Budějovicích Pedagogická fakulta Urychlovače nabitých částic Vypracoval:Jiří Bruckner Ročník: II. Studijní obor: Měřící a výpočetní technika-kombinované

Více

ELEKTROMAGNETICKÁ INTERAKCE

ELEKTROMAGNETICKÁ INTERAKCE ELEKTROMAGNETICKÁ INTERAKCE Základní informace Působení výběrové (na Q e 0) Dosah Symetrie IM částice nekonečný U(1) loc γ - foton Působení interakce: Elektromagnetická interakce je výběrová interakce.

Více

HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETRIE - kvalitativní i kvantitativní detekce v GC a LC - pyrolýzní hmotnostní spektrometrie - analýza polutantů v životním

HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETRIE - kvalitativní i kvantitativní detekce v GC a LC - pyrolýzní hmotnostní spektrometrie - analýza polutantů v životním HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETRIE - kvalitativní i kvantitativní detekce v GC a LC - pyrolýzní hmotnostní spektrometrie - analýza polutantů v životním prostředí - farmakokinetické studie - kvantifikace proteinů

Více

Hvězdy se rodí z mezihvězdné látky gravitačním smrštěním. Vlastní gravitací je mezihvězdný oblak stažen do poměrně malého a hustého objektu

Hvězdy se rodí z mezihvězdné látky gravitačním smrštěním. Vlastní gravitací je mezihvězdný oblak stažen do poměrně malého a hustého objektu Hvězdy se rodí z mezihvězdné látky gravitačním smrštěním. Vlastní gravitací je mezihvězdný oblak stažen do poměrně malého a hustého objektu kulovitého tvaru. Tento objekt je nazýván protohvězda. V nitru

Více

Reliktní záření a jeho polarizace. Ústav teoretické fyziky a astrofyziky

Reliktní záření a jeho polarizace. Ústav teoretické fyziky a astrofyziky Reliktní záření a jeho polarizace Jiří Krtička Ústav teoretické fyziky a astrofyziky Proč je obloha temná? v hlubohém lese bychom v každém směru měli vidět kmen stromu. Proč je obloha temná? pokud jsou

Více

Praktikum III - Optika

Praktikum III - Optika Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK Praktikum III - Optika Úloha č. 13 Název: Vlastnosti rentgenového záření Pracoval: Matyáš Řehák stud.sk.: 13 dne: 3. 4. 2008 Odevzdal

Více

Struktura elektronového obalu

Struktura elektronového obalu Projekt: Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.08/03.0009 Struktura elektronového obalu Představy o modelu atomu se vyvíjely tak, jak se zdokonalovaly možnosti vědy

Více

o Mají poločíselný spin (všechny leptony a kvarky, všechny baryony - například elektron, neutrino, proton, neutron, baryony Λ hyperon...).

o Mají poločíselný spin (všechny leptony a kvarky, všechny baryony - například elektron, neutrino, proton, neutron, baryony Λ hyperon...). Rozdělení částic Elementární částice můžeme dělit buď podle "rodové příslušnosti" na leptony, kvarky, intermediální částice a Higgsovy částice nebo podle statistického chování na fermiony a bosony. Dělení

Více

Magnetické pole - stacionární

Magnetické pole - stacionární Magnetické pole - stacionární magnetické pole, jehož charakteristické veličiny se s časem nemění kolem vodiče s elektrickým polem je magnetické pole Magnetické indukční čáry Uzavřené orientované křivky,

Více

2. Atomové jádro a jeho stabilita

2. Atomové jádro a jeho stabilita 2. Atomové jádro a jeho stabilita Atom je nejmenší hmotnou a chemicky nedělitelnou částicí. Je tvořen jádrem, které obsahuje protony a neutrony, a elektronovým obalem. Elementární částice proton neutron

Více

Zájezd do CERNu 2012. Obsah. Jakub Šerých, serych@panska.cz

Zájezd do CERNu 2012. Obsah. Jakub Šerých, serych@panska.cz Zájezd do CERNu 2012 Jakub Šerých, serych@panska.cz Obsah Metody zkoumání hmoty Trocha z historie představ o stavbě hmoty Dnešní představa o stavbě hmoty Principy urychlovačů Typy urychlovačů Urychlovač

Více

Kalorimetry 10/29/2004 1

Kalorimetry 10/29/2004 1 Kalorimetry měření energie s pomocí totální absorpce kombinované s prostorovou rekonstrukcí kalorimetrie je destruktivní metoda odezva detektoru E kalorimetrie funguje pro nabité částice (e+, e- a hadrony)

Více

4. V jednom krychlovém metru (1 m 3 ) plynu je 2, molekul. Ve dvou krychlových milimetrech (2 mm 3 ) plynu je molekul

4. V jednom krychlovém metru (1 m 3 ) plynu je 2, molekul. Ve dvou krychlových milimetrech (2 mm 3 ) plynu je molekul Fyzika 20 Otázky za 2 body. Celsiova teplota t a termodynamická teplota T spolu souvisejí známým vztahem. Vyberte dvojici, která tento vztah vyjadřuje (zaokrouhleno na celá čísla) a) T = 253 K ; t = 20

Více