Πλησιάζοντας την ταχύτητα του φωτός. Επιταχυντές. Τα πιο ισχυρά μικροσκόπια

Transcript

1 Πλησιάζοντας την ταχύτητα του φωτός Επιταχυντές Τα πιο ισχυρά μικροσκόπια Γιώργος Φανουράκης Ινστιτούτο Πυρηνικής και Σωματιδιακής Φυσικής Ε.Κ.Ε.Φ.Ε. Δημόκριτος Η Φυσική στο Προσκήνιο Ελληνική Ομάδα Εκλαΐκευσης της Επιστήμης

2 Θεμελιώδη ερωτήματα για τη Σωματιδιακή Φυσική (δηλ. τη Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων) Από τι είναι φτιαγμένος ο κόσμος γύρω μας; Ποιοι είναι οι δομικοί λίθοι της ύλης, δηλ. ποια είναι τα στοιχειώδη σωματίδια; Πώς συνδέονται οι δομικοί λίθοι μεταξύ τους, για να συγκροτήσουν την ύλη; ή αλλιώς: ποιες είναι οι θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις;

3 Πως παρατηρούμε? Όργανα και λεπτομέρεια παρατήρησης Δx θ 25 cm Το φως ανακλάται στο αντικείμενο (σκεδάζεται) και εισέρχεται στα μάτια μας, μέσω της κόρης. Ο φακός εστιάζει το φως στον αμφιβληστροειδή χιτώνα που περιέχει φωτοευαίσθητα κύτταρα. Ο εγκέφαλος επεξεργάζεται και ερμηνεύει τα οπτικά ερεθίσματα. Η (χωρική) διακριτική ικανότητα του ματιού είναι: Δx λ/n α cm για n=1.33, λ=500nm, ακτίνα κόρης α=5mm στα 25 cm, η μικρότερη διάσταση που μπορούμε να διακρίνουμε: Δx~12 μm Κύτταρα (~10μm) σαν κουκκίδες

4 Οπτικά μικροσκόπια Δx 0.61 λ n sinθ Για n=1, θ=70 ο, λ=500nm Δx = 325 nm Διακρίνουμε λεπτομέρειες στα κύτταρα (~10μm) και στα βακτήρια (0.8-3μm) Δx Δx λ/n α cm λ n sinθ Η διακριτική ικανότητα είναι ανάλογη του λ, δηλ. του μήκους κύματος του φωτός!!

5 Περισσότερη λεπτομέρεια; Πως όμως θα μπορούσαμε να παρατηρήσουμε ακόμη πιο μικρά αντικείμενα (π.χ. ιούς μεγέθους nm) ;;;;;; Ο De Broglie έκανε την σύνδεση σωμάτιο-κύμα: ένα υλικό σωματίδιο είναι ισοδύναμο με κύμα λ = h/p Ένα ηλεκτρόνιο με ταχύτητα 1% της ταχύτητας του φωτός έχει λ ~ 0.07 nm Επιταχύνοντας σωματίδια ώστε να αποκτήσουν μεγάλες ορμές (δηλαδή μεγάλες ενέργειες) επιτυγχάνομε πολύ καλύτερη διακριτική ικανότητα.

6 λ h c E 1.24 nm E (σε kev) Ηλεκτρονικό μικροσκόπιο (~50 pm, 1 pm= m, picometer) Ενέργειες kev Ιός της γρίπης (D: 200nm) ; Με ισχυρότερους Επιταχυντές Σωματιδίων Ενέργειες GeV (1 fm = m, femptometer)

7 Γιατί χρειαζόμαστε Επιταχυντές; 1) Ο επιταχυντής είναι ένα μικροσκόπιο που όσο πιο μεγάλη ενέργεια διαθέτει, τόσο πιο καλή διακριτική ικανότητα έχει: Ε V V 2) Τα σωματίδια που αναμένουμε να ανακαλύψουμε ή να μελετήσουμε είναι όλο και πιο βαρύτερα: m 115 GeV, m Άρα χρειαζόμαστε την ανάλογη ενέργεια για να τα δημιουργήσουμε e e h ν h 0.01c 1 T E h 0.7nm c 1GeV 0.2 c λ fm Higgs SUSY 1 TeV μεγάλη ενέργεια δυνατότητα παραγωγής σωματιδίων με μεγάλη μάζα (Ε=mc 2 )

8 Ο πιο γνωστός ηλεκτροστατικός επιταχυντής σωματιδίων Κενό Κάθοδος Άνοδος Δακτύλιοι εστίασης Δακτύλιοι απόκλισης Δέσμη ηλεκτρονίων Η ενέργεια των ηλεκτρονίων είναι περίπου 20keV

9 ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος» Ινστιτούτο Πυρηνικής & Σωματιδιακής Φυσικής Ο Επιταχυντής TANDEM (Ηλεκτροστατικός επιταχυντής)

10 Ο επιταχυντής Tandem του ΙΠΣΦ 5.5 ΜV + + Α + + C D Ε Β + Scale 1m +

11 Κάτοψη

12 Η δέσμη ιόντων του επιταχυντή Tandem του ΙΠΣΦ χρησιμοποιείται σε: Πειράματα Πυρηνικής Φυσικής και Αστροφυσικής. Ερευνητές του ΙΠΦ και συνεργάτες από Πανεπιστήμια της Ελλάδας και του εξωτερικού σχεδιάζουν και εκτελούν πειράματα όπου μελετώνται ενδιαφέρουσες, από πλευράς πυρηνικής φυσικής και αστροφυσικής, πυρηνικές αλληλεπιδράσεις. Π.χ. Μετρήσεις των αντιδράσεων 19 F(p,g) 16 O και 27 Al(p,g) 28 Si σε ενέργειες MeV και MeV (σχετικές με τους κύκλους CNO και Mg-Al) Εφαρμογές Βιοφυσικής, Αρχαιομετρίας, Υγειοφυσικής, Περιβαλλοντικού ενδιαφέροντος. Προσδιορισμός ιχνοστοιχείων σε βιολογικά δείγματα, μη καταστρεπτική ανάλυση αντικειμένων (αρχαιομετρία). Εφαρμογές στην Φυσική Στερεού. Τεχνικές όπως το PIXE και το RBS εφαρμόζονται για να εξάγουμε πληροφορίες για την δομή και σύσταση υλικών όπως και για την μελέτη των κρυσταλλικών ανωμαλιών που δημιουργούνται με την ακτινοβόληση υλικών.

13 Ο Γραμμικός Επιταχυντής SLAC 50GeV electrons (Stanford Linear Collider) CLIC TeV electrons (CERN Compact LInear Collider - Μελλοντικός Επιταχυντής)

14 Το Κύκλοτρο ο πρώτος κυκλικός επιταχυντής μεταλλικά D υψηλή τάση (εναλλασσόμενη) ΔE κιν q U F q κενό v B επιτάχυνσης v max q B R m Μαγνητικό πεδίο Β πρωτόνια 1 2 q B R E max 2 mv max t 2 m s v 2 F k π r v m v r 2 t π q r m B m v q B ~10 MeV ( B=0.5Τ και R=0.3m)

15 γραμμικοί επιταχυντές κυκλικοί σταθερού στόχου κυκλικοί συγκρουόμενων δεσμών

16 CERN Το Ευρωπαϊκό Ερευνητικό Εργαστήριο για την Σωματιδιακή Φυσική στην Γενεύη. LHC SPS LHC Το CERN διεξάγει Βασική Έρευνα Όμως χρειάζεται να επινοήσουμε συσκευές που δεν υπάρχουν ακόμα Παράπλευρες ανακαλύψεις (WWW, ιατρικές εφαρμογές, ηλεκτρονικά κλπ) CERN Site (Meyrin) Tim Berners-Lee Κάθε χρόνο ~25,000 άτομα επισκέπτονται το CERN Τα Σχολεία είναι ευπρόσδεκτα

17 Ο Επιταχυντής LEP Η ενέργεια των ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων ήταν περίπου 100 GeV

18 LHC

19 Ο επιταχυντής LHC

20 Οι μαγνήτες στρέψης του LHC Μαγνητικό Πεδίο: 9Τ (~ φορές μεγαλύτερο από της Γης) Ρεύμα ~12000 Α Θερμοκρασία -271 ο C (1.9 K) 1232 υπεραγώγιμοι μαγνήτες, ψύχονται με υγρό άζωτο αρχικά και υπέρευστο Ήλιο στο τελικό στάδιο ψύξης. Μήκος καλωδίων = 5 φορές την απόσταση Γης Ήλιου!!!

21 Συγκρούσεις Πρωτονίων-Πρωτονίων Παράγονται σωματίδια και αντισωματίδια g g p πρωτόνιο g E = mc 2 p πρωτόνιο Η διαθέσιμη ενέργεια είναι 13 TeV!!! (2015) ή περίπου μάζες πρωτονίου Η τελική ενέργειά του θα είναι 14 TeV g

22 Ένα πρωτόνιο που κινείται με ταχύτητα V γ V = 1% της ταχύτητας του φωτός = 0.01c V = 50% = 0.50c V = 99% = 0.99c V = υπολείπεται 1/1000 = c V = υπολείπεται 36/ = c V = υπολείπεται 9/ = c (3.5TeV) (7.0TeV) E Ενέργεια πρωτονίου m p c 2 V 1 c 2 2 g m p c 2

23 Επιταχυντικό Σύμπλεγμα CERN (LHC) TI2 Beam 1 Beam 2 TI8 LHC proton path

24

25 Οι ανιχνευτές του LHC Γενικής χρήσης Higgs Ενοποίηση?? Βαριών Ιόντων (Pb) Πλάσμα Κουάρκ - Γκλουονίων Φυσική του - b Ασυμμετρία Ύλης - Αντιύλης LHC Υπεραγώγιμοι μαγνήτες Γενικής χρήσης Higgs Ενοποίηση??

26 Demokritos Participation in CMS at CERN Μία πραγματική σύγκρουση Στο κέντρο του πειράματος 27 CMS

27 Διάσπαση Higgs boson σε 2 φωτόνια (CMS)

28 H γ γ