Akceleratory cząstek

W jaki sposób dokonujemy odkryć
w fizyce cząstek elementarnych?
Maciej Trzebiński
Instytut Fizyki Jądrowej
im. Henryka Niewodniczańskiego
Polskiej Akademii Nauk
Gimli Glider
Boeing 767-233
lot: Air Canada 143
dzień: 23.06.1983
trasa: Montreal – Edmonton
zatankowane paliwo: 22 300 funtów
potrzebne paliwo: 22 300 kg
1 funt (lb) = 0.45 kg
Edmonton
Gimli
Montreal
Wygodne podejście: unifikacja jednostek!
Międzynarodowy Układ jednostek Miar (SI)
●
Zatwierdzony w 1960 przez Generalną Konferencję Miar.
●
W Polsce układ SI obowiązuje od 1966 roku.
●
Jednostki dzielą się na podstawowe i pochodne.
Nazwa
Jednostka
Wielkość fizyczna
metr
m
długość
kilogram
kg
masa
sekunda
s
czas
amper
A
natężenie prądu
elektrycznego
kelwin
K
temperatura
kandela
cd
światłość
mol
mol
ilość materii
●
Wygodny w codziennym użytku, zastosowaniach technicznych, itp.
●
Nie sprawdza się w dyskusji bardzo dużych (Wszechświat) lub bardzo
małych (cząstki elementarne) skali.
Naturalny układ jednostek
●
●
Jednostki Plancka – zestaw jednostek miary wykorzystywanych w fizyce
zaproponowany przez Maxa Plancka.
Jednostki te są zdefiniowane wyłącznie jak kombinacje stałych fizycznych.
Nazwa
Wielkość w jednostkach
Definicja
naturalnych
SI
czas Plancka
tp = √(ħ × G / c5)
1T
5.39121 × 10-44 s
długość Plancka
lp = c × tp = √(ħ × G / c3)
1L
1.61624 × 10-35 m
masa Plancka
mp = √(ħ × c / G)
1M
2.17645 × 10-8 kg
ładunek Plancka
qp = √(4 × π × ε0 × ħ × c)
1Q
1.87555 × 10-18 C
1Θ
1.41679 × 1032 K
temperatura Plancka Tp = mp × c2 / k = √(ħ × c5 / (G × k2))
●
W układzie jednostek Plancka następujące stałe przyjmują wartość jeden:
Stała
Symbol
Wymiar
prędkość światła w próżni
c
L/T
stała grawitacyjna
G
L3 / M T2
zredukowana stała Plancka
ħ = h / 2π
M L2 / T
czynnik stały z prawa Coulomba
1/(4 π ε0)
M L3 / Q2 T2
stała Boltzmana
k
M L2 / T2 Θ
Naturalny układ jednostek w fizyce wysokich energii
Jednostkami naturalnymi dla fizyki wysokich energii (cząstek elementarnych)
są jednostki związane ze skalami występującymi w mechanice kwantowej oraz
w teorii względności:
●
jednostka działania: ħ = 1
●
prędkość światła w próżni: c = 1
●
jednostka energii: GeV (gigaelektronowolt)
Elektronowolt – energia, jaką uzyskuje bądź traci elektron, który przemieścił się
w polu elektrycznym o różnicy potencjałów równej 1 woltowi.
1 eV = 1 e · 1 V = 1.602 × 10-19 J
Jak obserwować?
Zdolność rozdzielcza
jak daleko od siebie muszą być dwa obiekty zanim zleją się w jeden
Oko ludzkie
zdolność rozdzielcza 0.03 mm (odległość najlepszego widzenia)
Mikroskop
(światło widzialne)
powiększenie do 1500 razy
Mikroskop
(światło ultrafioletowe)
powiększenie do 3500 razy
Długość fali, którą oświetlamy obiekt musi być
mniejsza od jego rozmiarów.
6
Jak obserwować?
Dualizm korpuskularno-falowy
materia ma zarówno właściwości korpuskularne jak i falowe
długość fali ~ 1 / energia cząstki
Im większa energia cząstki, tym mniejsza jest długość jej fali.
źródło elektronów
Mikroskop elektronowy
powiększenie 10 000 000 razy
zdolność rozdzielcza 50 pm
rozpędzanie
(zwiększanie energii)
w polu elektrycznym
skupianie wiązki w polu
magnetycznym
(soczewka)
“oświetlanie” przedmiotu
odczyt danych
mili
m
10-3
mikro
µ
10-6
nano
n
10-9
piko
p
10-12
femto
f 7
10-15
Jak obserwować?
długość fali ~ 1 / energia cząstki
Większa energia → potrzeba rozpędzania (nadawania energii)
-
+
-
kolejne etapy
przyśpieszania
w polu
elektrycznym
Cyklotron
cząstka
przyśpieszana w polu elektrycznym
zakrzywiana w polu magnetycznym
8
Stała tarcza czy wiązki przeciwbieżne?
(E, 0, 0, p)
(m, 0, 0, 0)
(E, 0, 0, p)
√ s tar ≈ √ 2mE
(E, 0, 0, -p)
√ s cen =2 E
√ s tar = √ 2mE
√ s cen 2E
9
LHC (Large Hadron Collider)
obwód: ok. 27 km (~100 m pod ziemią)
energia: do 14 TeV
zderzenia: proton-proton, proton-ołów, ołów-ołów
prędkość cząstek: 0.999999991c
TeV → eV: 14x1012
ev → dżule: 1.602x10-19
14 TeV = 22.4x10-7 dżula
energia ruchu fruwającego komara
ALE
skupiona na miliardy razy mniejszym obszarze
10
11
Elementy akceleratora LHC
Magnesy:
- dipolowe (D1, D2),
- kwadrupolowe (Q1 – Q6),
- multipolowe: sekstupolowe, oktupolowe, dedaktupolowe.
Monitory pozycji wiązki (BPM – Beam Position Monitor).
Kolimatory (TAN, TAS).
Detektory „do przodu”:
- ALFA – istniejące, zainstalowane 240 m od punktu oddziaływania ATLASa, służące
głównie do pomiaru rozproszenia elastycznego oraz miękkiej dyfrakcji,
- AFP – planowane do zainstalowania 210 m od punktu oddziaływania ATLASa, służące
głównie do pomiaru twardej dyfrakcji.
12
Elementy akceleratora LHC – magnesy dipolowe
Zadania:
- zakrzywianie wiązki (akcelerator jest kołowy!),
- łączenie / separacja wiązek w okolicy punktów
oddziaływań,
Promień zakrzywienia jest proporcjonalny do
energii cząstki naładowanej.
13
Elementy akceleratora LHC – magnesy kwadrupolowe
Zadanie:
- skupianie wiązki.
14
Elementy akceleratora LHC – magnesy multipolowe
Zadanie:
- korekcja wiązki.
15
Elementy akceleratora LHC – monitory położenia wiązki
Zadanie:
- dostarczenie informacji o położeniu wiązki.
16
Elementy akceleratora LHC – kolimatory
Zadanie:
- ochrona magnesów LHC.
17
Świetlność akceleratora – jak często zajdzie dany przypadek?
Podczas wojny secesyjnej dwóch
amerykańskich żołnierzy – jeden
walczący po stronie Unii a drugi po
stronie Konfederacji wystrzeliło do
siebie. Ich pociski zderzyły się
w połowie drogi!
Bardzo rzadki przypadek, ale ja
chcę go odtworzyć w warunkach
laboratoryjnych!
18
Świetlność akceleratora – jak często zajdzie dany przypadek?
L=
f n N1 N2 τ
4π σx σy
eksperyment z pociskami
akcelerator LHC
- szybsze strzelanie
f – częstotliwość obiegu
- użycie większej liczby pistoletów
n – liczba paczek protonowych w wiązce
- jednoczesne wystrzelenie kilku pocisków
N1, N2 – liczba cząstek w paczce protonowej
- celowanie (minimalizacja obszaru)
σx, σy – gaussowska szerokość wiązki
- dłuższe strzelanie
τ – czas zbierania danych
19
Z czego składa się proton?
kwarki walencyjne
+ skomplikowana mieszanina
(„morze”) kwarków i gluonów
Na LHC zderzamy partony!
20
Zderzenie protonów
Nie można bezpośrednio badać, co się stało w
punktcie oddziaływania
ALE
badając zachowanie i właściwości stabilnych wyprodukowanych
cząstek możemy o tym wnioskować.
21