Frictional Muon Cooling. Na ceste k miónovému urýchľovaču

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Frictional Muon Cooling. Na ceste k miónovému urýchľovaču"

Υγίνος Σπανός
5 χρόνια πριν
Προβολές:

1 Max-Planck-Institut für Physik, München (Werner-Heisenberg-Institut) Frictional Muon Cooling Na ceste k miónovému urýchľovaču Daniel Kollár, Allen Caldwell, Daniel E. Greenwald Seminár KJFB FMFI UK Bratislava, apríl 2005

2 Obsah Prečo miónový kolajder? V čom je problém? Štandardná schéma miónového kolajdera Frictional muon cooling chladenie trením Simulácie FCD experiment na MPI Súhrn a pohľad do budúcnosti KJFB FMFI UK Bratislava, Daniel Kollár #2

3 Prečo miónový kolajder? Elektrónový kolajder čisté prostredie len e + e silné synchrotrónové žiarenie veľké energetické straty veľké polomery, lineárne kolajdery (LEP 200 GeV) energia e + e je známa a pevne určená vhodné pre presné merania Protónový kolajder interaguje len qq zbytok protónu QCD bordel zanedbateľné synchrotrónové žiarenie vyššia energia pre ten istý polomer (LHC 14 TeV) energia qq je neznáma rozsah qq energií pre danú pp energiu vhodné na objavovanie nových vecí Miónový kolajder KJFB FMFI UK Bratislava, Daniel Kollár #3

4 Výhody miónového kolajdera? mióny bodové (elementárne) častice m µ 200 m e P synchr (E/m)4 P µ 10-9 P e Fyzika: časticová fyzika pri vyšších energiách nová fyzika za Štandardným modelom SUSY, GUT,... Higgs Factory: σ xx H m 2 x σ µµ H σ ee H neutrínová fyzika fyzika pomalých miónov KJFB FMFI UK Bratislava, Daniel Kollár #4

5 Veľkosť a energia kolajderov LHC 14 TeV pp ( TeV) VLHC 100 TeV pp (11-17 TeV) Tevatron 2 TeV pp ( TeV) SSC 40 TeV pp ( TeV) ILC TeV e + e Higgs Factory 0.1 TeV µ + µ 0.5 TeV µ + µ 4 TeV µ + µ 10 km KJFB FMFI UK Bratislava, Daniel Kollár #5

6 V čom je problém? Mióny sa rozpadajú τ µ = 2.2 µs µ e + ν + ν µ e + ν + ν + + e µ e µ potrebná kontinuálna výroba miónov multi MW protónový urýchľovač (niekoľko GeV) množstvo vysokoenergetických e + e z rozpadov veľmi krátky čas na prípravu zväzku štandardné techniky príliš pomalé obmedzenia kvôli neutrínami indukovanej radiácii nedá sa odtieniť KJFB FMFI UK Bratislava, Daniel Kollár #6

Štandardná schéma miónového kolajdera Protónový urýchľovač 2-16 GeV, niekoľko MW (10 22 p/rok) Terč pre produkciu π π rozpadový kanál µ chladiaci kanál Zdroj miónov: π µ π rozpadový kanál 30 m

7 Štandardná schéma miónového kolajdera Protónový urýchľovač 2-16 GeV, niekoľko MW (10 22 p/rok) Terč pre produkciu π π rozpadový kanál µ chladiaci kanál Zdroj miónov: π µ π rozpadový kanál 30 m Protóny Solenoidy: niekoľko T 20 T Terč µ urýchľovače Popis µ zväzku: 6D normalizovaná emitancia (fázový priestor zväzku) σ xσ yσ zσ p ε = 6D,N x σ ( π mc) 3 p y σ p z Muon collider Odhad ε 6D,N pre mióny na konci π rozpadového kanála σ: x,y,z 0.05, 0.05, 10 m p x,p y,p z 50, 50, 100 MeV ε 6D,N = (πm) 3 µ zväzok pre kolajder: ε 6D,N = (πm) 3 KJFB FMFI UK Bratislava, Daniel Kollár #7

8 Štandardná schéma miónového kolajdera Protónový urýchľovač 2-16 GeV, niekoľko MW (10 22 p/rok) Terč pre produkciu π π rozpadový kanál µ chladiaci kanál Počiatočná emitancia µ zväzku ε 6D,N = (πm) 3 µ urýchľovače Chladenie miónov Muon collider Požadovaná emitancia µ zväzku ε 6D,N = (πm) 3 KJFB FMFI UK Bratislava, Daniel Kollár #8

9 Chladenie miónov Štandardné techniky chladenia príliš pomalé pre mióny študované nové metódy spomaľovanie miónov pri prechode materiálom opätovné resp. paralelné urýchľovanie magnetické fokusovanie Štandardná schéma chladenia Ionizačné chladenie mióny sú udržiavané pri energii typicky okolo 200 MeV striedavým prechodom spomaľovacím médiom a urýchľovacou komorou simulované faktory chladenia do 100 nedostatočné pre miónový kolajder OK pre ν factory experimentálne preukázanie fungovania principípu MICE KJFB FMFI UK Bratislava, Daniel Kollár #9

10 Frictional Muon Cooling Chladenie miónov trením (idea prvý krát študovaná na PSI) mióny prechádzajú materiálom, dochádza k ich spomaľovaniu využitie oblasti kinetickej energie T, v ktorej dt/dx s energiou rastie aplikovanie konštantného urýchľovacieho el. poľa rovnovážna energia dt/dx [MeV cm 2 g 1 ] Rovnovážna energia Hélium Efektívne de/dx z el. poľa štandardná schéma vysoké dt/dx pre nízke T nízka priemerná hustota materiálu PLYN T [MeV] KJFB FMFI UK Bratislava, Daniel Kollár #10

11 Frictional Muon Cooling Chladenie miónov trením beam aplikovanie mag. poľa kolmo na el. pole E B, aby sa mióny dostali pod pík dt F = q( E + v B) v 0 dx B E dt/dx [MeV cm 2 g 1 ] E Hélium el. pole v B y x z 10 štandardná schéma pomalé mióny prejdú pred rozpadom len krátku vzdialenosť d = 10cm T s T vev extrahovanie miónov na strany T [MeV] KJFB FMFI UK Bratislava, Daniel Kollár #11

12 Frictional Muon Cooling Interakcie pomalých miónov µ + záchyt e a sformovanie miónového atómu µ + + He M µ + He + inverzný proces odtrhnutia e je v He pravdepodobnejší M µ + He µ + + He + e σ [cm 2 ] M µ +He µ + µ + +He M µ Energia [ev] µ záchyt µ na jadre He zostup na najnižšiu hladinu a vyžiarenie charakteristického X-ray 2.2 kev následný rozpad miónu µ je pre ďalší transport stratené žiadne exp. dáta teória σ [cm 2 ] Energia [ev] KJFB FMFI UK Bratislava, Daniel Kollár #12

13 Simulovaná schéma kolajdera chladiaci kanál phase rotation záchyt a drift terč E(t) na spätný odraz reakcelerácia kolajder spomaľovacie médium: µ + He µ H MARS simulácia produkcie π ± vyšší výťažok s E π < 100 MeV kolmo na smer protónov interakcia s elektrónmi Bethe-Bloch interakcia s jadrami (rozptyl pod veľkými uhlami) Monte Carlo KJFB FMFI UK Bratislava, Daniel Kollár #13

14 Pohyb miónov v chladiacom kanále trajektória xy kinetická energia vs. čas rms. trajektória yz Oscilácie okolo rovnovážnej energie určujú emitanciu KJFB FMFI UK Bratislava, Daniel Kollár #14

15 Spätný odraz zväzku dolet miónov v He (ρ = 10 4 g/cm 3 ) D [m] = p 3.35 [MeV/c] väčšina miónov má príliš vysokú hybnosť a nie je možné ich schladiť jedným preletom schladené len mióny s p. 35 MeV/c odraz zväzku a opätovný prelet chladiacim kanálom optimalizácia E(t) t.j. E zmax, t 1, t 2 pre max. výťažok µ v nízkych energiách Phase Rotation 50 t 1 t El. pole [kv/cm] E zmax Čas [ns] KJFB FMFI UK Bratislava, Daniel Kollár #15

16 Výsledky simulácií (arxiv: physics/ ) Miónový zväzok po prechode chladiacim kanálom a počiatočnom urýchlení σ : x,y,z 0.015, 0.036, 30 m p x,y,z 0.18, 0.18, 4.0 MeV ε 6D,N = (πm) 3 Lepšie ako hodnota potrebná pre miónový kolajder ε 6D,N = (πm) 3 Výťažok µ na 2 GeV protón je potrebné zlepšenie aspoň o faktor 5 KJFB FMFI UK Bratislava, Daniel Kollár #16

17 Experiment v Nevis Labs, New York Prvý experiment s protónmi (NIMA 524, 27, 2004) demonštrovanie princípu chladenia trením musí fungovať pre všetky nabité častice protóny Výsledky: neboli pozorované žiadne schladené protóny kvôli nízkej akceptancii a príliš hrubým oknám simulácie ale dobre popísali dané výsledky Experimentálne potvrdenie princípu je však stále potrebné: Frictional Cooling Demonstration (FCD) experiment na MPI KJFB FMFI UK Bratislava, Daniel Kollár #17

18 FCD experiment Schéma Zopakovanie prvého experimentu so zlepšeniami bez okien, v mag. poli, priame meranie energie častíc magnet Hélium urýchľovací grid zdroj protónov detektor E HV B KJFB FMFI UK Bratislava, Daniel Kollár #18

19 FCD experiment Design detektor Hélium zdroj protónov KJFB FMFI UK Bratislava, Daniel Kollár #19

20 FCD experiment Konštrukcia Konštrukcia experimentu Kryostat supravodivého 5 T magnetu prevádzka pri teplote LHe KJFB FMFI UK Bratislava, Daniel Kollár #20

21 FCD experiment Urýchľovací grid Testy prebiehajú: dosiahnuté a udržiavané pole 0.9 MV/m simulácia el. poľa SIMION zdroj KJFB FMFI UK Bratislava, Daniel Kollár #21

22 FCD experiment Zdroj protónov silný zdroj α častíc 241 Am (74 kbq) fólia bohatá na vodík MYLAR protóny uvoľnené odtrhnutím e z atómov vodíka MYLAR fólia α zdroj možnosť pohybu zdroja KJFB FMFI UK Bratislava, Daniel Kollár #22

FCD experiment Detektor Silicon Drift Detector X-ray detektor elektrické pole zabezpečuje drift e k malej anóde malá kapacita malý šum vysoké rozlíšenie doba driftu poloha integrovaný

23 FCD experiment Detektor Silicon Drift Detector X-ray detektor elektrické pole zabezpečuje drift e k malej anóde malá kapacita malý šum vysoké rozlíšenie doba driftu poloha integrovaný FET prvý zosilňovací stupeň ešte menší šum energetické rozlíšenie FWHM = kev pri T = 10 ºC chladenie Peltier elementom KJFB FMFI UK Bratislava, Daniel Kollár #23

citlivý na správne nastavenie všetkých napätí po mnohých

24 FCD experiment Elektronika vyrobená na MPI druhý stupeň zosilnenia signálu + napájanie detektora detektor je veľmi citlivý na správne nastavenie všetkých napätí po mnohých problémoch všetko funguje KJFB FMFI UK Bratislava, Daniel Kollár #24

25 FCD experiment Čo chceme namerať He 1.0 MV/m.9 MV/m.8 MV/m Môžeme meniť tlak/hustotu plynu vzdialenosť medzi zdrojom a detektorom intenzitu elektrického poľa.7 MV/m.6 MV/m Základná otázka: Dokáže náš Monte Carlo kód spoľahlivo predpovedať rovnovážne energie? KJFB FMFI UK Bratislava, Daniel Kollár #25

26 Súhrn Miónový kolajder by znamenal prielom v experimentálnej fyzike (nielen) vysokých energií (hotizont 25 rokov) je nevyhnutné vyriešiť niekoľko problémov chladenie miónového zväzku trením vyzerá sľubne, simulácie ukazujú funkčnosť metódy demonstračný experiment s protónmi na MPI je pred spustením chceme čo najskôr ukončiť všetky testy a začať zber dát KJFB FMFI UK Bratislava, Daniel Kollár #26

27 Pohľad do budúcnosti optimalizácia schémy kolajdera s ohľadom na zvýšenie výťažku miónov štúdium prierazu v silných E B poliach v plynoch výskum v oblasti extrémne tenkých okien príprava experimentu na zmeranie účinného prierezu pre záchyt µ KJFB FMFI UK Bratislava, Daniel Kollár #27

28 FCD First spectra Data taken last week 55 Fe X-ray spectrum (FWHM = kev) 241 Am + plastic foil (23 µm) not yet analyzed 55 Fe X-ray spectrum 241 Am + MYLAR (23 µm) 5.9 kev 59.5 kev 6.49 kev KJFB FMFI UK Bratislava, Daniel Kollár #28

Σχετικά έγγραφα

Prechod z 2D do 3D. Martin Florek 3. marca 2009

Prechod z 2D do 3D. Martin Florek 3. marca 2009 Počítačová grafika 2 Prechod z 2D do 3D Martin Florek florek@sccg.sk FMFI UK 3. marca 2009 Prechod z 2D do 3D Čo to znamená? Ako zobraziť? Súradnicové systémy Čo to znamená? Ako zobraziť? tretia súradnica