Urychlovače částic principy standardních urychlovačů částic

Transkript

1 Urychlovače částic principy standardních urychlovačů částic

2 Základní info technické zařízení, které dodává kinetickou energii částicím, které je potřeba urychlit nabité částice jsou v urychlovači urychleny rozdílem potenciálů elektrického pole urychlovače slouží k výzkumu elementárních částic při čelních srážkách se částice rozptýlí produkty srážky při dostatečné energii detektor ionizujícího záření fce záznamu průběhu srážky

3 Iontový zdroj produkce nabitých částic Z čeho se urychlovač skládá Elektrostatické nebo proměnné elektrické pole urychlení částice urychlovací systém Magnetické pole určuje dráhu částice, provádí fokusaci svazku magnetické čočky vedou svazek a snaží se co nejvíce jej zúžit Vakuový systém částice se při urychlování musí pohybovat ve vysokém vakuu nutný systém vývěv Chlazení supravodivé magnety potřebují heliové teploty Radiační ochrana zajištění bezpečnosti pomoci stínění Řídící systém ovládání, řízení a kontrola práce urychlovače Zdroj plazmy elektrický výboj Kryogenní systém pro LHC Řídící centrum urychlovačů v CERNu Vedení svazku magnetickými čočkami

4 Druhy urychlovačů Existují dva základní typy urychlovačů: Lineární urychlovač Kruhový urychlovač

5 Lineární urychlovače k urychlení využívá pouze elektrického pole toto pole může být statické, nebo se může měnit + relativně jednoduchá konstrukce, není potřeba stáčení dráhy - velké rozměry, potřeba vysokého napětí

6 Letecký záběr Stanfordského lineárního urychlovače SLAC.

7 Kruhové urychlovače + lze opakovaně částice urychlovat mezi elektrodami s menším urychlovacím napětím, obecně lze dospět k lepším výsledkům než u lineárního urychlovače - je potřeba magnetického pole k zakřivení dráhy částic, částice vyzařují elmag. záření ztráty energie, ta lze snížit zvětšením poloměru zakřivení dráhy

8 Cyklotron frekvence střídavého napětí konstantní částice se pohybuje po spirálové dráze speciální princip (odlišuje se tedy od synchrotronu, kde frekvence urychlování není stálá a dráha je čistě kruhová) urychlovací komora, elektromagnet a zdroj urychlovacího napětí první kruhový urychlovač (1930) výzkumné účely, příprava radionuklidů, medicína, průmysl a další

9 Lawrence u cyklotronu Moderní malý cyklotron První cyklotron

10 Synchrotron magnetické a elektrické pole určitým způsobem zesynchronizováno s prolétávajícími částicemi skládá se ze tří částí: 1) lineární urychlovač (LINAC) urychlení elektronů na stovky MeV, 2) BOOSTER urychlení na rychlosti blízké c, 3) STORAGE RING paprsek urychlených částic je skladován

11 Tevatron ve Fermiho národní urychlovačové laboratoři (USA)

12 Large Hadron Collider

13 LHC v kruhovém tunelu o obvodu 27 km, m pod zemí, má mírný sklon kvůli ražbě tunelu tunel přechází mezi hranicemi Francie a Švýcarska, na zemském povrchu se nachází některé budovy (kompresory, ventilace, chlazení, ovládací stanice) 20 srážek na každých 200 miliard vystřelených částic, 30 milionů srážek za sekundu svazek má možnost obíhat až 10 hodin, urazí dráhu větší než 10 miliard km nízká teplota elektromagnetů kolem 1.9 K umožňuje supravodivost (za pokojové teploty by prstenec musel mít 120 km a pro dosažení stejných výsledků by spotřeboval 40 krát více energie)

14 Proč supravodivý synchrotron urychlující protony a jádra? Synchrotron kruhový urychlovač - urychlování na relativistické hmotnosti, vzrůst hmotnosti vzrůst magnetického pole (zůstává stejný poloměr dráhy a frekvence) Proč supravodivý? jediná možnost získat tak silné magnetické pole ~ 10 T (mag. pole Země 0,04 mt) Maximum pro teplé magnety ~ 2 T. Nutnost chlazení tekutým heliem. Jeden z největších teplých magnetů (experiment ALICE) Magnet urychlovače LHC Proč vstřícné svazky? získaná energie ve srážce ( E KIN = 7 TeV): Pevný terč: 0,118 TeV Vstřícné svazky: 14 TeV Elektrony: výhody: bodový objekt veškerá energie koncentrována do jedné interakce nevýhody: brzdné záření Protony: výhody zanedbatelné brzdné záření, možnost srážet těžké ionty nevýhody proton je složená částice, sráží se jeho jednotlivé komponenty

15 Větší detaily, energie a teploty, produkce těžších částic Experimentální pozorování je rozhodujícím kritériem pro uznání platnosti hypotézy a její přeměnu v teorii Stěžejní nástroj srážka urychlených částic Nárůst energie větší detaily Zatím největší urychlovače před LHC E ~ 100 GeV m Produkce částic s vyšší klidovou energií (hmotností) Klidová hmotnost protonu: ~ 1 GeV LHC srážka protonů s energiemi 7000 GeV Jádra olova (208 nukleonů) na každý 2700 GeV GeV = 1, J 1 ev = 1, J Energie už přímo makroskopické pád 0,02 g z výšky 1 m srážka dvou menších much nebo větších komárů Stejná energie Rozdíl rozměrů V současné době se připravují ke startu Hmotnost 1 g se stejnou rychlostí J ( hirošimských bomb)

16 LHC schéma a experimenty ALICE olověné ionty pro vytváření kvark-gluonového plazmatu ATLAS, CMS pátrání po Higgsově bosonu, extra dimenzích a částicích tvořících temnou hmotu LHCb studium nepatrných rozdílů mezi hmotou a antihmotou, proč je vesmír tvořen výhradně z hmoty částice jsou předurychleny na 0.45 TeV, ve velkém tunelu pak dourychleny až na 7 TeV urychlující elektrické pole vytvářeno ve speciálních dutinách dva paralelní svazky se mohou protnout ve čtyřech místech

17 doba života Higssova bosonu velmi krátká, rozpadá se na fotony, W a Z bosony, tauony, kvarky vůně b