Úvod do experimentální fyziky vysokých energií

Transkript

1 Úvd d experimentální fyziky vyských energií aneb z čeh se skládá hmta, jaké síly ji vládají a jak prbíhá experimentální výzkum J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR kurz na PŘF UP Olmuc Mderní technlgie ve studiu aplikvané fyziky reg. č.: CZ.1.07/2.2.00/

2 Téma 4 Urychlvače 1.úvd a trcha histrie 2.lineární a kruhvé urychlvače, principy urychlvání 3.uspřádání: pevný terč vs. vstřícné svazky 2

3 3

4 Opět trcha histrie Nejstarší urychlvač "kapesní" cykltrn (Ernest Lawrence, 1930) Replika f Lawrenceva cykltrnu v CERNském Micrcsmu 4

5 Typy urychlvačů (1) Urychlení nabitých částic pmcí elektrickéh ple Dvě mžnsti dělení: lineární kruhvé urychlvače elektrnů těžších částic (prtny, inty,...) Lineární urychlvače: výhdy a nevýhdy: jedndušší fkusace, nejsu ztráty brzdným zářením neptřebuje dipólvé magnetické ple částice prběhne jen jednu, urychlvač musí být dstatečně dluhý příklady: elektrstatické: van de Graff 5

6 Typy urychlvačů (2) vyskfrekvenční: urychlení pmcí dutinvých reznátrů 6

7 Typy urychlvačů (3) Kruhvé urychlvače: elektrické ple urychluje, dipólvé magnetické drží na kruhvé dráze příklady: cykltrn: knstantní magnetické ple, vyskfrekvenční el.ple mezi elektrdami (tzv. duanty) 7

8 Typy urychlvačů (4) betatrn: urychlvací el.ple generván časvě prměnným magnetickým plem B(t) částice drženy na dráze knstantním plměru => betatrnvá pdmínka B ( t ) = 2 B ( t) 0 8

9 Typy urychlvačů (5) synchrtrny urychlení pmcí dutinvých reznátrů knstantní plměr dráhy => magn.ple rste s rstucí energií částice fkusace svazku pmcí vícepólvých magnetů (kvadrupóly, ktupóly,...). Cílem je mít c nejmenší průřez svazku. výhdy a nevýhdy kruhvých urychlvačů: částice je urychlvána pstupně během každéh běhu slžitější ladění svazku, ztráty energie brzdným zářením (=> nelze urychlit na libvlnu energii) Důležité parametry urychlvačů: energie svazku luminsita: závisí na průřezu svazku, pčtu částic "v balíčcích" a frekvenci srážek 9

10 Univerzita Palackéh v Olmuci Na něklika místech jsu částice urychlvány vyskfrekvenčním plem v urychlvacích dutinách.

11 Krmě zahýbacích magnetů má urychlvač magnety na zastřvání svazku. K letu p kruhvé dráze jsu urychlvané částice nuceny magnetickým plem magnetů bklpujících svazkvu trubku. Univerzita Palackéh v Olmuci

12 Uspřádání urychlvačů (1) Ptřebujeme-li urychlit částice na vysku energii, řeší se t technicky v něklika stupních příklad v CERN: LINAC PS (E max = 26 GeV) SPS (E max = 450 GeV, R = 1.1 km) LHC (E max = 7000 GeV, R = 4.3 km) 12

13 Uspřádání urychlvačů (2) Dříve LEP, d rku 2010 LHC 13

14 Téma 5 Sučasné a buducí experimenty na břích urychlvačích 1. typické uspřádání experimentu a detektrů 2. Vybrané urychlvače a nejdůležitější výsledky LEP Tevatrn 3. Největší experimenty dneška (ATLAS@LHC) 14

15 Schéma urychlvačvéh experimentu Na míst srážky dhlíží detektr. Některé částice právě prchly z blasti srážky, další srážka bezprstředně hrzí. Detektr by měl: zachytit c nejvíce částic být přesný být rychlý (a laciný a...) Každý elektrn má energii GeV, Létají ve shlucích s elektrny, tj. každý shluk má energii ev = = ev = 5 kj. T je makrskpická energie!!! 15

16 Přehled knstrukce sučasných detektrů pr urychlvačvé experimenty Nadpis snímku elektrn Magnetické ple zahýbá dráhy částic a pmáhá měřit jejich hybnsti. min Hadrnvý kalrimetr: nabízí svůj materiál pr rzvj hadrnvých spršek a měří energii, kteru v něm částice zanechají. Neutrina utíkají nepzrvána. hadrny Vnitřní dráhvý detektr: Minimum materiálu, jemná segmentace aby byl mžné měřit přesně bdy na drahách částic. Elektrmagnetický kalrimetr: nabízí materiál pr rzvj elektrmagnetických spršek a měří absrbvanu energii. Minvý detektr: nepkuší se miny zachytit, ale zaznamenává jejich dráhy. 16

17 Experiment Všechny detektry balují trubku se svazky částic a místem srážky: 17

18 Experimenty na urychlvači LEP (1) Na urychlvači LEP (CERN, Ženeva, ) se měřily srážky elektrn-pzitrn ve dvu etapách: LEP-1: GeV (celkvá těžišťvá energie 90 GeV, v píku bsnu Z 0 ) LEP-2: zdvjnásbení energie svazků (max. energie dsažená v těžišti až 208 GeV) Fungvaly zde čtyři velké experimenty (detektry): ALEPH DELPHI L3 OPAL e + e Z

19 Experimenty na urychlvači LEP (2) 19

20 Experimenty na urychlvači LEP (3) LEP přinesl celu řadu velmi přesných měření (hmty částic, vazbvé knstanty atd) Speciálně určil pčet lehkých neutrin: N ν = 3.00 ± Z qq 70% Z Z 0 0 l + l νν 10% 20% 20

21 Experimenty na urychlvači Tevatrn (1) Tevatrn (Fermilab, Batavia, USA; pracuje d rku 1987) sráží prtny s antiprtny energiích GeV Experimenty: CDF D0 Přinesly celu řadu výsledků, např.: měření vazbvé knstanty silné interakce testy kvantvé chrmdynamiky bjev tp-kvarku (1996) 21

22 Experimenty na urychlvači Tevatrn (2) Případ prdukce páru tpantitp: t + t W + b + W b + e ν + 4 jets chybějící příčná energie E T miss e + 22

23 Experimenty na urychlvači LHC (1) Large Hadrn Cllider (CERN, Ženeva) sráží prtny s prtny, energie TeV (pzději též těžká jádra Pb+Pb na energii TeV) uvedení d prvzu v rce 2010 Experimenty pr pp srážky: ATLAS (A Tridal LHC ApparatuS) CMS (Cmpact Mun Slenid) Očekáváme: přesnější měření parametrů Standardníh mdelu (CP narušení,...) vyřešení tázky půvdu hmt, bjev Higgsva bsnu? fyzika za Standardním mdelem: SUSY, bjev nvých částic? vnitřní struktura kvarků? více dimenzí?...? 23

24 Experimenty na urychlvači LHC (2) experiment ATLAS 22 m 44 m 24

25 Nadpis snímku Text snímku.