Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων ΙΙ (8ου εξαμήνου)

Transcript

1 Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων ΙΙ (8ου εξαμήνου) Μάθημα 2α: Επιταχυντές (β' μέρος) Λέκτορας Κώστας Κορδάς Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Στοιχειώδη ΙΙ, Αριστοτέλειο Παν. Θ/νίκης, 9 Μαρτίου 2010

2 Τι θα συζητήσουμε Τι είδαμε στο προηγούμενο μά8ημα Επιταχυντές (β' μέρος): Φωτεινότητα και ενεργός διατομή Συγκρουστές ηλεκτρονίων ή πρωτονίων; Τι συγκρούεται πραγματικά σε σκεδάσεις πρωτονίων Παραδείγματα επιταχυντών 2

3 Επιταχυντές προηγούμενο μάθημα Γενικά - συστατικά επιταχυντών ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία Γραμμικοί και κυκλικοί επιταχυντές Σταθερού στόχου (fixed target) και Συγγρουόμενων δεσμών (colliding beams colliders) Τι σωματίδια επιταχύνουμε και συγκρούουμε; Επιταχυντές - ελεγχόμενο περιβάλλον σκεδάσεων 3

4 Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων Πολύπλοκα πειράματα Συνέργεια πολλών: Δέσμες σωματιδίων Επιταχυντές δεσμών Σωματιδίων Ανιχνευτές Ηλεκτρονικά Ανιχνευτική Διάταξη Υπολογιστές Συλλογή Δεδομένων Πειράματα στο CERN: πειράματα στο LEP: Ανάλυση Δεδομένων > 300 άτομα πειράματα στο LHC: > 2000 άτομα (φυσικοί, μηχανικοί, τεχνικοί) Φυσική - Νέα Γνώση 4

5 Επιτάχυνση σωματιδίων σε δέσμες Γραμμικός επιταχυντής Φορά σωματιδίων Πηγή σωματιδίων Κοιλότητες επιτάχυνσης με εναλλασόμενο πεδίο Γραμμικός επιταχυντής Βending DE Με τις κοιλότητες πετυχαίνουμε ομαδοποίηση των επιταχυνόμενων σωματιδίων σε δέσμες z Μαγνήτες καμπύλωσης 5

6 Κυκλικοί επιταχυντές αρχές: κύκλοτρο Εναλλάσουμε το ηλεκτρικό πεδίο και κρατάμε το μαγνητικό σταθερό μεγαλώνει η ακτίνα της κυκλικής τροχιάς στο κύκλοτρο πρωτόνια 100 MeV = 0.1 GeV 1930,1930, Lawrence, πρωτόνιατου 100 Lawrence; MeV Σημείωση: 1 πρωτόνιο έχει μάζα ~1 GeV η ενέργεια που έχει επειδή απλά υπάρχει: όση Kινητική Ενέργεια αποκτά επιταχνόμενο σε 109 Volts 1930, Lawrence, πρωτόνια 100 MeV 1 ηλεκτρόνιο έχει μάζα ~2000 φορές λιγότερο (0.51 MeV) 6

7 Κυκλικοί επιταχυντές Τα επιταχυνόμενα σωματίδια περνούν πολλές φορές από τις ίδιες κοιλότητες ραδιοσυχνοτήτων (RF cavities) Κράτημα σε κυκλική τροχιά με διπολικούς μαγνήτες Αλλά τότε: Όσο η ενέργεια της δέσμης αυξάνει, πρέπει να αυξάνουν ταυτόχρονα (συγχρόνως) και η συχνότητα αλλαγής του ηλεκτρικού πεδίου και τα μαγνητικά πεδία (synchronously -> Synchrotron ) LHC tunnel 7

8 Ακτινοβολία Σύγχροτρον Όταν ένα φορτισμένο σωμάτιο επιταχύνεται, εκπέμπει ακτινοβολία χάνει ενέργεια Στον κυκλικό επιταχυντή, τα σωματίδια έχουν κεντρομόλο επιτάχυνση, ακόμα κι όταν φτάσουν στη μέγιστη ενέργεια και δεν αποκτούν επιπλέον ορμή Απώλεια ενέργειας ανά περιστροφή: Παράδειγμα: LEP, 2πR=27Km, Ee=100 GeV (το 2000 είχαμε ηλεκτρόνια) ΔΕ = 2GeV! => στο LEP χρειάζεται ενέργεια για να αντισταθμίσει αυτή που χάνεται,και να παραμείνουν τα ηλεκτρόνια με ενέργεια 100 GeV ΝΒ: για σχετικιστιστικά πρωτόνια(β 1) ΔΕ[p]/ΔΕ[e] = (me/mp)4 = 10-13! επιταχυντής HERA : Ee = 27.6 GeV & Ep =920 GeV, ΔΕ[p]/ΔΕ[e] =

9 Επιταχυντές για πειράματα σταθερού στόχου Σταθερού στόχου = fixed targetσυγκρουστήρες δεσμών Βλήμα Στόχος Η εξαγόμενη δέσμη (p) προσκρούει σε σταθερό στόχο --> παράγονται δευτερεύουσες δέσμες: (μ ±, Κ±, π ±, p ±, e ±, v, γ, Κ L) Έτσι μπορούμε να παράγουμε δέσμες «σταθερών» σωματιδίων: e+, e-, p, pbar, An+, μ±?(μέλλον) Κατά κανόνα λίγη ενέργεια είναι διαθέσιμη για την παραγωγή σωματιδίων (Εcm = ενέγεια στο κέντρο μάζας), ενώ πολύ ενέργεια γίνεται κινητική ενέργεια των προϊόντων της σύγκρουσης 9

10 Επιταχυντές για πειράματα συγκρουόμενων δεσμών Σταθερού στόχου δεσμών Συγκρουστήρες Συγκρουστήρες δεσμών 1 M Μ Κατά κανόνα πολύ ενέργεια είναι διαθέσιμη για την παραγωγή σωματιδίων (Εcm = ενέγεια στο κέντρο μάζας) Παράδειγμα: Συγκρουόμενες δέσμες πρωτονίων με 450 GeV η κάθε μία --> Ecm = ( ) GeV = 900 GeV διαθέσιμη για τη δημιουργία σωματιδίων 10

11 Είδη επιταχυνόμενων σωματιδίων Φορτισμένα Σταθερά ή αταθή αλλά αρκετά μακρόβια Ασταθή; αλλά, εξ' αιτίας του παράγοντα Lorentz: γτ Ένα σωματίδιο με χρόνο ζωής τ (στο δικό του σύστημα) Έχει χρόνο ζωής γτ στο δικό μας σύστημα παρατήρησης Στην πράξη σήμερα οι συγκρουστήρες σωματιδίων χρησιμοποιούν: Ηλεκτρόνια (e-) Ποσιτρόνια (e+) Πρωτόνια Αντιπρωτόνια (p) (p) 11

12 Όλο και μεγαλύτερη ενέργεια ανακαλύψεις FT 2 E Lab = E cm 2mp αναγωγή σε αντίστοιχη ενέργεια βλήματος για πείραμα σταθερού στόχου ( fixed target experiment ) 1 EeV LHC 100 PeV 10 PeV Tevatron 1 PeV SppS 100 TeV HERA 10 TeV LEP ISR 1 TeV 100 GeV 10 GeV 1 GeV 100 MeV 10 MeV 1 MeV Χρονιά Έναρξης Λειτουργίας 12

13 Σύμπαν vs. Συγκρουστές δεσμών (colliders) particles/km2/year LHC Κοσμική ακτινοβολία προσπίπτει στην ανώτερη ατμόσφαιρα και δίνει συγκρούσεις σταθερού στόχου με ενέργεια πολύ μεγαλύτερη από το LHC Αλλά και πολύ πιο σπάνιες και προς όλες τις κατευθύνσεις LHC: 109 συγκρούσεις ανά δεπτερόλεπτο σε ελεγχόμενο περιβάλλον 13

14 Επιταχυντές β' μέρος Φωτεινότητα και ενεργός διατομή Συγκρουστές ηλεκτρονίων ή πρωτονίων; Τι συγκρούεται πραγματικά σε σκεδάσεις πρωτονίων Παραδείγματα επιταχυντών 14

15 Φωτεινότητα και ενεργός διατομή Προϋπόθεση για αλληλεπίδραση δύο σωματιδίων, είναι να βρεθούν κοντά. Πόσα σωματίδια περνoύν ανά cm2 σε κάθε δευτερόλεπτο; Δηλ., ποιά είναι η φωτεινότητα της περιοχής συγκρούσεων; Η πιθανότητα αλληλεπίδρασης δίνεται από την ενεργό διατομή (σ) dn/dt = σ L αριθμός αλληλεπιδράσεων ανά sec Η ενεργός διατομή σ μιας αλληλεπίδρασης, έχει μονάδες επιφάνειας Τα σωματίδια ως πιάτα επιφανειας σ, που αλληλεπιδρούν με ό,τι βρούν στο διάβα τους. Ενεργός διατομή = Cross section Φωτεινότητα = Luminosity 15

16 Φωτεινότητα σε πειράματα fixed target Προϋπόθεση για αλληλεπίδραση δύο σωματιδίων, είναι να βρεθούν κοντά. Πόσα σωματίδια περνoύν ανά cm2 σε κάθε δευτερόλεπτο; Δηλ., ποιά είναι η φωτεινότητα της περιοχής συγκρούσεων; Η πιθανότητα αλληλεπίδρασης δίνεται από την ενεργό διατομή (σ) 16

17 Φωτεινότητα σε colliders Πόσα σωματίδια περνoύν ανά cm2 σε κάθε δευτερόλεπτο; Δηλ., ποιά είναι η φωτεινότητα της περιοχή συγκρούσεων; Η πιθανότητα αλληλεπίδρασης δίνεται από την ενεργό διατομή (σ) Η φωτ εινό γεωμε τρικό τητα έιναι χ των σ υγκρο αρακτηριστ υόμεν ων δε ικό σμών Προϋπόθεση για αλληλεπίδραση δύο σωματιδίων, είναι να βρεθούν κοντά. 17

18 Φωτεινότητα σε colliders - Παραδείγματα Τυπικές τιμές φωτεινότητας (luminosity): Συνήθως τα δεδομένα που συλλέγονται εκφράζονται σε [pb-1 ] integrated luminosity Lint = Ldt Το πλήθος των δεδομένων σε μια χρονική περίοδο: Ν = σ Lint = σ Lint = σ Ldt Μονάδες ενεργoύ διατομής: 1 barn = cm2 1 pb (= pico-barn) = barn To LEP (e+e-) μπορούσε να παράγει 3 pb-1 σε μια μέρα σ (e+e- hadrons) = 30 nb => hadronic events/day 18

19 Φωτεινότητα σε colliders - Παραδείγματα Τυπικές τιμές φωτεινότητας (luminosity): e+ Ecm = 91 GeV e+ Ecm = 10.5 GeV Ecm = 14 TeV Συνήθως τα δεδομένα που συλλέγονται εκφράζονται σε [pb-1 ] integrated luminosity Lint = Ldt Το πλήθος των δεδομένων σε μια χρονική περίοδο: Ν = σ Lint = σ Lint = σ Ldt Μονάδες ενεργoύ διατομής: 1 barn = cm2 1 pb (= pico-barn) = barn To LEP (e+e-) μπορούσε να παράγει 3 pb-1 σε μια μέρα σ (e+e- hadrons) = 30 nb => hadronic events/day 19

20 Φωτεινότητα σε colliders - Παραδείγματα Τυπικές τιμές φωτεινότητας (luminosity): e+ Ecm = 91 GeV e+ Ecm = 10.5 GeV Ecm = 14 TeV Συνήθως τα δεδομένα που συλλέγονται εκφράζονται σε [pb-1 ] integrated luminosity Li nt = Ldt Το πλήθος των δεδομένων σε μια χρονική περίοδο: Ν = σ Lint = σ Li nt = σ Ldt Μονάδες ενεργoύ διατομής: 1 barn = cm2 1 pb (= pico-barn) = barn To LEP (e+e-) μπορούσε να παράγει 3 pb-1 σε μια μέρα σ (e+e- hadrons) = 30 nb => hadronic events/day 20

21 Γιατί είναι σημαντικό να έχουμε μεγάλη φωτεινότητα; Π.χ. Συγκρουστές πρωτονίων σ (nb) ==> Διότι : 1) Τα ενδιαφέροντα γεγονότα είναι σπάνια! (μικρή ενεργό διατομή για την παραγωγή τους) 2) Όσο περισσότερα δεδομένα συλλέγουμε, τόσο καλύτερη μέτρηση κάνουμε (με μικρότερο στατιστικό σφάλμα) Ecm (TeV) Δυό γενιές συγκρουστών πρωτονίων - Tevatron: proton antiproton - LHC: proton - proton 21

22 Σύγκρουση ηλεκτρονίων, π.χ. στο LEP Έχουμε δεί ότι η ενέργεια που χάνει ένα σωματίδιο σε μια περιστροφή του γύρω σ'έναν κυκλικό επιταχυντή έιναι: ΔΕ ~ Ανάγκη γραμμικού επιταχυντή για μεγαλύτερες ενέργειες Σε e+ e-, συκρούονται στοιχειώδη σωμάτια (χωρίς δομή) R M4 Με το LEP (e+ Ecm = GeV) φτάσαμε στο όριο των κυκλικών επιταχυντών ηλεκτρονίων. 1 όλη η ενέργεια σύγκρουσης είναι διαθέσιμη για παραγωγή νέων σωματιδίων Η ενέργεια είναι ~καθορισμένη ρυθμίζουμε για παραγωγή συγκεριμένου σωματιδίου (π.χ. e+ e-- Ζ, στα 91 GeV) 22

23 Σύγκρουση ηλεκτρονίων: π.χ. στο LEP Η ενέργεια ρυθμίζεται για παραγωγή συγκεριμένου σωματιδίου (π.χ. e+ e-- Ζ, με Ecm = 91 GeV) Αλλά όταν ψάχνουμε για νέα σωματίδια, με άγνωστη μάζα πρέπει να αλλάζουμε την ενέργεια της δέσμης για να ερευνήσουμε μια περιοχή μάζας ( energy scan ) μέχρι να πέσουμε σε συντονισμό 23

24 Σύγκρουση ηλεκτρονίων: π.χ. στο LEP Η ενέργεια ρυθμίζεται για παραγωγή συγκεριμένου σωματιδίου (π.χ. e+ e-- Ζ, με Ecm = 91 GeV) Αλλά όταν ψάχνουμε για νέα σωματίδια, με άγνωστη μάζα πρέπει να αλλάζουμε την ενέργεια της δέσμης για να ερευνήσουμε μια περιοχή μάζας ( energy scan ) μέχρι να πέσουμε σε συντονισμό Λεπτομέρεια : η ενέργεια σύγκρουσης δεν είναι πάντα ακριβώς αυτή που ορίσαμε: αν έχουμε ακτινοβολία γ στην αρχική κατάσταση ( initial state radiation ) τότε έχουμε μια σύγκρουση e+ e-- με λιγότερη ενέργεια απ' ό,τι υπολογίζαμε 24

25 Σύγκρουση πρωτονίων p p: Συγκρούονται MH στοιχειώδη σωμάτια A+B: A+B: Ουσιαστικά, συγκρούονται κάποια απ' τα συστατικά τους ( παρτόνια = κουάρκ και γκλουόνια) a + b, τα οποία είναι στοιχειώδη ECM 2 ~ 4 EA EB a+b: (Effective ECM )2 ~ 4 (xa EA) (xb EB) = xa xb ECM 2 Effective ECM = sqrt(xa xb) ECM Σημείωση: s = ECM 2 ECM = sqrt(s) s^= (Effective ECM )2 25

26 Σύγκρουση πρωτονίων p p: Συγκρούονται MH στοιχειώδη σωμάτια A+B: Ουσιαστικά, συγκρούονται κάποια απ' τα συστατικά τους ( παρτόνια = κουάρκ και γκλουόνια) a + b, τα οποία είναι στοιχειώδη Το κλάσμα της ορμής (xa) που μεταφέρει το παρτόνιο a δεν είναι πάντα το ίδιο κατανομή Παρτόνια μέσα στο πρωτόνιο: valence quarks : u u d gluons sea quarks (απ' όλα τα είδη) x = momentum fraction 26

27 Σύγκρουση πρωτονίων Σύγκρουση p p: τα xa, xb είναι τυχαία Πλεονεκτήματα: διερευνούμε μια περιοχή της ΕC M : καλό για ανακάλυψη άγνωστων/νέων σωματιδίων x = momentum fraction 27

28 Σύγκρουση πρωτονίων Σύγκρουση p p: τα xa, xb είναι τυχαία Πλεονεκτήματα: διερευνούμε μια περιοχή της ΕC M : καλό για ανακάλυψη άγνωστων/νέων σωματιδίων Μειονεκτήματα: Δεν είναι γνωστό ποιά σωματίδια αλληλεπέδρασαν => περίπλοκοι υπολογισμοί x = momentum fraction 28

29 Σύγκρουση πρωτονίων Σύγκρουση p p: τα xa, xb είναι τυχαία Πλεονεκτήματα: διερευνούμε μια περιοχή της ΕC M : καλό για ανακάλυψη άγνωστων/νέων σωματιδίων Μειονεκτήματα: Δεν είναι γνωστό ποιά σωματίδια αλληλεπέδρασαν => περίπλοκοι υπολογισμοί η ΕC M ΔΕΝ είναι γνωστή εκ των προτέρων => θέλουμε p p δέσμες μεγάλης ενέργειας για να έχουμε αρκετή πιθανότητα για μεγάλα pa, pb => για παραγωγή βαρέων σωματιδίων x = momentum fraction 29

30 Σύγκρουση πρωτονίων Σύγκρουση p p: τα xa, xb είναι τυχαία Πλεονεκτήματα: διερευνούμε μια περιοχή της ΕC M : καλό για ανακάλυψη άγνωστων/νέων σωματιδίων Μειονεκτήματα: Δεν είναι γνωστό ποιά σωματίδια αλληλεπέδρασαν => περίπλοκοι υπολογισμοί η ΕC M ΔΕΝ είναι γνωστή εκ των προτέρων => θέλουμε p p δέσμες μεγάλης ενέργειας για να έχουμε αρκετή πιθανότητα για μεγάλα pa, pb => για παραγωγή βαρέων σωματιδίων xa xb => pa -pb => C.M. boosted w.r.t. lab frame => δεν ξέρουμε την αρχική ορμή κατά μήκος των δεσμών πρωτονίων (άξονας z) => μόνο (x,y) x = momentum fraction 30

31 Παραδείγματα κυκλικών επιταχυντών LEP TEVATRON HERA LHC 31

32 + -- LEP: Large Electron Positron (e e ) 32

33 + -- LEP: Large Electron Positron (e e ) 33

34 Tevatron: p 2 TeV energies 34

35 HERA: electron-proton collider 35

36 HERA: electron-proton collider Proton beam on top of electron beam 36

37 HERA: electron-proton collider 37

38 LHC: Large Hadron 14 TeV 38

39 LHC: Large Hadron 14 TeV 39

40 LHC: Large Hadron 14 TeV Γιατί πρωτόνιο πρωτόνιο? Και όχι πρωτόνιο αντοπρωτόνιο, όπως στο Fermilab? Για σωμάτιο-αντισωμάτιο μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τον ίδιο σωλήνα δέσμης και τις ίδιες κοιλότητες επιτάχυνσης Ενώ, για πρωτόνιο-πρωτόνιο χρειάζονται δύο σωλήνες δέσμης... Απάντηση: Χρειαζόμαστε μεγάλη φωτεινότητα (L NpartIcl es Δύσκολο να πάρουμε πολλά αντιπρωτόνια, εύκολο να πάρουμε πολλά πρωτόνια Βέβαια, χρειαζόμαστε πρωτόνια-αντιπρωτόνια για κουάρκ-αντικουάρκ αλληλεπιδράσεις συμμετέxουν κυρίως τα κουάρκ σθένους Αλλά: σε υψηλές ενέργειες, τα πολλά γκλουόνια και sea quarks με χαμληλό κλάμα ορμής x έχουν ήδη μπόλικη ενέργεια => τα αντιπρωτόνια δεν έχουν πια πλεονεκτήματα σε σχέση με τα πρωτόνια δεσμών) 40

41 LHC: Large Hadron 14 TeV Γιατί πρωτόνιο πρωτόνιο? Και όχι πρωτόνιο αντοπρωτόνιο, όπως στο Fermilab? Για σωμάτιο-αντισωμάτιο μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τον ίδιο σωλήνα δέσμης και τις ίδιες κοιλότητες επιτάχυνσης Ενώ, για πρωτόνιο-πρωτόνιο χρειάζονται δύο σωλήνες δέσμης... Απάντηση: Χρειαζόμαστε μεγάλη φωτεινότητα (L NpartIcl es Δύσκολο να πάρουμε πολλά αντιπρωτόνια, εύκολο να πάρουμε πολλά πρωτόνια Βέβαια, χρειαζόμαστε πρωτόνια-αντιπρωτόνια για κουάρκ-αντικουάρκ αλληλεπιδράσεις συμμετέxουν κ, ρ κυρίως τα κουάρκ σθένους ά υ ο κ δεσμών) ής τ : σ ς υ ι ο ε ψ γκρπολλά νίγκλουόνια λύενέργειες, Αλλά: σε υψηλές τα και υ α ν σ κ ω ι α ν α ν ο α ί ε ου λ n Γιαquarks κ o r γ sea με χαμληλό κλάμα ορμής x έχουν ήδη t a ς v ή e τ T σ υ αντιπρωτόνια δεν έχουν πια ροτα - το ενέργεια κ μπόλικη => γ υ σ C H L ο τ πλεονεκτήματα σε σχέση με τα πρωτόνια - 41

42 Υπάρχοντες επιταχυνες 42

43 Καινούργιοι / Προτεινόμενοι Ξεκίνησε! Μέλλον (δεν έχει προγραμματιστεί τίποτα ακόμα μάλλον ο Linear Collider θα κατασκευαστεί πρώτα) 43

44 Τι συζητήσαμε Επιταχυντές (β' μέρος): Φωτεινότητα και ενεργός διατομή Συγκρουστές ηλεκτρονίων ή πρωτονίων; Τι συγκρούεται πραγματικά σε σκεδάσεις πρωτονίων Παραδείγματα επιταχυντών 44

45 Επόμενο: Ανιχνευτικές Διατάξεις (Detectors) Τα μάτια που βλέπουν τι παράγεται στις συγκρούσεις σωματιδίων (τις οποίες συγκρόυσεις παρέχουν οι επιταχυντές, όπως είδαμε) 45