Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων ΙΙ (8ου εξαμήνου)

Σχετικά έγγραφα
Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων ΙΙ (8ου εξαμήνου) Χ. Πετρίδου, Κ. Κορδάς. Μάθημα 2α: Επιταχυντές

Μαθηµα Φεβρουαρίου 2011 Tuesday, February 22, 2011

Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων ΙΙ (8ου εξαμήνου) Μάθημα 1γ: Επιταχυντές (α' μέρος) Λέκτορας Κώστας Κορδάς

Βασικές Ιδιότητες των Επιταχυντών Σωµατιδίων

Φυσική Στοιχειωδών Σωµατιδίων ΙΙ

Φυσική Στοιχειωδών Σωµατιδίων ΙΙ. Μάθηµα 1ο 15/2/2011

Πειραµατική Θεµελίωση της Φυσικής Στοιχειωδών Σωµατιδίων. Μάθηµα 1ο 2/3/2017

Φυσική Στοιχειωδών Σωµατιδίων ΙΙ. Μάθηµα 1ο 26/2/2015

Φυσική Στοιχειωδών Σωµατιδίων ΙΙ. Μάθηµα 1ο 24/4/2007

+ E=mc 2! Οι επιταχυντές επιλύουν δυο προβλήματα :

Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων ΙΙ (8ου εξαμήνου)

Cosmotron. Το COSMOTRON ενέργειας 3 GeV ήταν το πρώτο σύγχροτρο πρωτονίων που τέθηκε σε λειτουργία το 1952.

Σύγχρονη Φυσική : Πυρηνική Φυσική και Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων

Theory Greek (Cyprus) Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC) (10 μονάδες)

Theory Greek (Greece) Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC) (10 Μονάδες)

Theory Greek (Greece) Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC) (10 Μονάδες)

Q2-1. Πού βρίσκεται το νετρίνο; (10 μονάδες) Theory. Μέρος A. Η Φυσική του Ανιχνευτή ATLAS (4.0 μονάδες) Greek (Greece)

Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων ΙΙ (8ου εξαμήνου) Χ. Πετρίδου, Κ. Κορδάς. Μάθημα 2β: Πειράματα-Ανιχνευτές

Μαγνητικό πεδίο.

Φυσική Στοιχειωδών Σωµατιδίων. 8 ου Εξαµήνου ιδ. Αν.Καθ Πετρίδου Χαρά Φεβρουάριος 2006

Σχετικιστική Κινηματική

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

Μεγάλα πειράματα για τη Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων

ΕΝΕΡΓΟΣ ΔΙΑΤΟΜΗ ΤΟΥ ΣΩΜΑΤΙΔΙΟΥ W

Φυσικά ή τεχνητά ραδιονουκλίδια

Κωστής Χαλκιαδάκης, φυσικός. Συσκάκης Γιάννης, φυσικός. 10 Ερωτήσεις και 10 απαντήσεις για το CERN

Η ΒΑΣΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ ΣΤΗ ΣΩΜΑΤΙΔΙΑΚΗ ΦΥΣΙΚΗ

Σύγχρονη Φυσική : Πυρηνική Φυσική και Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων 18/04/16

Επιταχυντές και Ανιχνευτές στην Πυρηνική και Σωµατιδιακή Φυσική

Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων ΙΙ (8ου εξαμήνου) Μάθημα 5: Σκέδαση αδρονίων και χρυσός κανόνας του Fermi. Λέκτορας Κώστας Κορδάς

Η κατακόρυφη τομή...

Δ. Σαμψωνίδης & Κ.Κορδάς. Ανιχνευτές : Μάθημα 2β Μέτρηση ορμής σωματιδίου

Μάθημα 3α Ενεργός διατομή και μέση ελεύθερη διαδρομή

Όλοι οι επιταχυντές αξιοποιούν ηλεκτρικά πεδία για την επιτάχυνση φορτισμένων σωματιδίων (ηλεκτρονίων, πρωτονίων ή βαρύτερων ιόντων) σε υψηλές

Εισαγωγή στη Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων. 5 ο Εξάμηνο Δεκέμβριος 2009

Μάθημα 4 Mέγεθος πυρήνα

Σοιχεία Πυρηνικής Φυσικής και Στοιχειωδών Σωματιδίων 5ο εξάμηνο Μάθημα 1

Ευτράπελα σχετικά με τον επιταχυντή LHC και τους ελέφαντες. Μετάφραση του Fun facts about LHC and elephants του Πανεπιστημίου του Birmingham

Μάθημα 9o' 12/5/2014

Άσκηση ATLAS Z path Τι θα μετρήσουμε σήμερα και πώς

Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων ΙΙ (8ου εξαμήνου) Μάθημα 3β: Σκέδαση αδρονίων και χρυσός κανόνας του Fermi

Τα μεγάλα πειράματα στο LHC

Μάθημα 5 α) Μέγεθος του πυρήνα β) Μάζα πυρήνα, ενέργεια σύνδεσης, έλλειμα μάζας γ) Ασκήσεις σετ #2 - εκφωνήσεις

Επιταχυντϋσ Σωματιδύων

Καλώς Ορίσατε στο CERN

Μάθημα 2 α) QUIZ. Ενεργός διατομή β) Μέγεθος του πυρήνα γ) Μάζα πυρήνα, ενέργεια σύνδεσης, έλλειμα μάζας

Στοιχειώδη Σωματίδια. Διάλεξη 10η Πετρίδου Χαρά. Τμήμα G3: Κ. Κορδάς & Χ. Πετρίδου

Το Μποζόνιο Higgs. Το σωματίδιο Higgs σύμφωνα με το Καθιερωμένο Πρότυπο

Δύο Συνταρακτικές Ανακαλύψεις

Εισαγωγή στη Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων. Δήμος Σαμψωνίδης ( ) Στοιχεία Πυρηνικής Φυσικής & Φυσικής Στοιχειωδών Σωματιδίων 5 ο Εξάμηνο

ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ

Νετρίνα υπερ-υψηλών ενεργειών UHE

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ. Το πείραμα στο CERN και ο σκοπός του. Το «πολυπόθητο» μποζόνιο Higgs. Μηχανισμοί ανίχνευσης του μποζονίου Higgs. και τι περιμένουμε;

Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων ΙΙ (8ου εξαμήνου)

Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων ΙΙ (8ου εξαμήνου) Χ. Πετρίδου, Κ. Κορδάς. Μάθημα 3a: Σκέδαση αδρονίων και χρυσός κανόνας του Fermi

λ Ε Πχ. Ένα σωματίδιο α έχει φορτίο +2 όταν επιταχυνθεί από μια διαφορά Για ακτίνες Χ ή ακτινοβολία γ έχουμε συχνότητα

Μάθημα 7o Συντονισμοί & Παραγωγή Σωματιδίων στις Υψηλές Ενέργειες 27/4/2017

Μάθημα 5 Μάζα πυρήνα, ενέργεια σύνδεσης, έλλειμα μάζας

ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΤΙ ΕΙΝΑΙ ΤΟ CERN ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΗ ΣΩΜΑΤΙΔΙΑ ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΟΥ CERN ΜΕΓΑΛΕΣ ΦΥΣΙΟΓΝΩΜΙΕΣ ΤΟΥ CERN ΚΑΙ ΤΗΣ ΣΩΜΑΤΙΔΙΑΚΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΕΠΙΤΑΧΥΝΤΕΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ

Πεδία δυνάμεων. Ηλεκτρισμός και μαγνητισμός διαφορετικές όψεις του ίδιου φαινομένου του ηλεκτρομαγνητισμού. Ενοποίηση των δύο πεδίων μετά το 1819.

Πρότυπο Αδρονίων µε Στατικά κουάρκ ΙΙ

Μάθημα 2 α) Μέγεθος του πυρήνα β) Μάζα πυρήνα, ενέργεια σύνδεσης, έλλειμα μάζας γ) Ασκήσεις σετ #2 - εκφωνήσεις

Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων ΙΙ (8ου εξαμήνου) Μάθημα 6: Xρυσός κανόνας του Fermi, χώρος των φάσεων, υπολογισμοί, ισοσπίν

Μάθημα 4 Mέγεθος πυρήνα

ΕΣΧΑΤΑ ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ ΤΗΣ ΥΛΗΣ

Μάθημα 1 α) Ύλη, τρόπος διαβάσματος και εξέτασης β) Εισαγωγή στο αντικείμενο γ) Πείραμα Rutherford, μονάδες, χρόνος ζωής ενεργός διατομή και ορισμοί

Αναζητώντας παράξενα σωματίδια στο A LargeIonColliderExperimnent. MasterClasses : Μαθήματα στοιχειωδών σωματιδίων

Μάθημα 2 α) QUIZ στην τάξη. Ενεργός διατομή β) Μέγεθος του πυρήνα γ) Μάζα πυρήνα, ενέργεια σύνδεσης, έλλειμα μάζας

To CERN (Ευρωπαϊκός Οργανισµός Πυρηνικών Ερευνών) είναι το µεγαλύτερο σε έκταση (πειραµατικό) κέντρο πυρηνικών ερευνών και ειδικότερα επί της σωµατιδι

Ανιχνευτές σωματιδίων

Μάθημα 5 Μάζα πυρήνα, ενέργεια σύνδεσης, έλλειμα μάζας

Ο Πυρήνας του Ατόμου

Και τα τρία σωμάτια έχουν σπιν μονάδα.

Πειραµατική Θεµελείωση της Φυσικής

Ενεργός διατοµή Χρυσός Κανόνας του Fermi

Μάθημα 2 α) QUIZ στην τάξη. Ενεργός διατομή β) Μέγεθος του πυρήνα γ) Μάζα πυρήνα, ενέργεια σύνδεσης, έλλειμα μάζας

Διάλεξη 6: Φυσική Ραδιενέργεια και πυρηνικές αντιδράσεις

Δ. Σαμψωνίδης & Κ.Κορδάς. Ανιχνευτές : Μάθημα 1α Ενεργός διατομή αλληεπίδρασης σωματιδίων, μέση ελεύθερη διαδρομή σωματιδίου

Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων ΙΙ (8ου εξαμήνου) Μάθημα 10: Διαγράμματα Feynman. Λέκτορας Κώστας Κορδάς

Κίνηση φορτισµένου σωµατιδίου σε µαγνητικό πεδίο

Μάθημα 2 Πείραμα Rutherford και μέγεθος πυρήνων, Πυρήνες-συμβολισμοί

Αντιδράσεις των κοσμικών ακτίνων στην ατμόσφαιρα,

n proton = 10N A 18cm 3 (2) cm 2 3 m (3) (β) Η χρονική απόσταση δύο τέτοιων γεγονότων θα είναι 3m msec (4)

Η ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΤΟΥ ΑΤΟΜΟΥ ΤΟΥ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ

Μάθημα 5 α) Μέγεθος του πυρήνα β) Μάζα πυρήνα, ενέργεια σύνδεσης, έλλειμα μάζας γ) Ασκήσεις σετ #2 - εκφωνήσεις

Αντιδράσεις των κοσμικών ακτίνων στην ατμόσφαιρα, Καταιονισμοί.


Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων ΙΙ (8ου εξαμήνου) Μάθημα 1β: Εισαγωγή

Διάλεξη 1: Εισαγωγή, Ατομικός Πυρήνας

Μάθημα 2 α) Μέγεθος του πυρήνα β) Μάζα πυρήνα, ενέργεια σύνδεσης, έλλειμα μάζας γ) Ασκήσεις σετ #2 - εκφωνήσεις

Μάθημα 2c Ενεργός διατομή, μέση ελεύθερη διαδρομή και ρυθμός διασπάσεων

Μιχάλης Κορατζίνος. Πρόγραμμα καθηγητών Φυσικής μέσης εκπαίδευσης του CERN, Τετάρτη, 25 Ιουνίου Αντιύλη 1

Μάθημα 18 Αλληλεπίδραση ακτινοβολίας με την ύλη.

Ασκήσεις #1 επιστροφή 15/10/2012

Μάθημα 1 α) Ύλη, τρόπος διαβάσματος και εξέτασης β) Εισαγωγή στο αντικείμενο γ) Πείραμα Rutherford, μονάδες, χρόνος ζωής ενεργός διατομή και ορισμοί

Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων ΙΙ (8ου εξαμήνου) Χ. Πετρίδου. Μάθημα 4: Σκέδαση αδρονίων και O Xρυσός Kανόνας του Fermi

Μάθημα 5 - Πυρηνική 1) Ειδη διασπάσεων και Νόμος ραδιενεργών διασπάσεων 2) αλφα, 3) βητα, 4) γαμμα

Εισαγωγή στην Πυρηνική Φυσική και τα Στοιχειώδη Σωµάτια

ΥΤΙΚΗ ΚΑΣΕΤΘΤΝΗ Μ Α Θ Η Μ Α : Ε Π Ω Ν Τ Μ Ο :... Ο Ν Ο Μ Α :... Σελίδα 1 από 5 Ε Π Ι Μ Ε Λ Ε Ι Α Θ Ε Μ Α Σ Ω Ν : ΜΠΑΡΛΙΚΑ ΩΣΗΡΗ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ & ΤΑ ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΗ ΣΩΜΑΤΙΑ. Ισχυρές Αλληλεπιδράσεις Γκλουόνια και Χρώμα Κβαντική Χρωμοδυναμική Ασυμπτωτική Ελευθερία

Transcript:

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

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

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

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

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

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

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

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] = 10-8 8

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

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 = (450 + 450) GeV = 900 GeV διαθέσιμη για τη δημιουργία σωματιδίων 10

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

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 1930 1950 1970 1990 2010 Χρονιά Έναρξης Λειτουργίας 12

Σύμπαν vs. Συγκρουστές δεσμών (colliders) 10000 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

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

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

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

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

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 = 10-24 cm2 1 pb (= pico-barn) = 10-12 barn To LEP (e+e-) μπορούσε να παράγει 3 pb-1 σε μια μέρα σ (e+e- hadrons) = 30 nb => 90000 hadronic events/day 18

Φωτεινότητα σε colliders - Παραδείγματα Τυπικές τιμές φωτεινότητας (luminosity): e+ e- @ Ecm = 91 GeV e+ e- @ Ecm = 10.5 GeV pp @ 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 = 10-24 cm2 1 pb (= pico-barn) = 10-12 barn To LEP (e+e-) μπορούσε να παράγει 3 pb-1 σε μια μέρα σ (e+e- hadrons) = 30 nb => 90000 hadronic events/day 19

Φωτεινότητα σε colliders - Παραδείγματα Τυπικές τιμές φωτεινότητας (luminosity): e+ e- @ Ecm = 91 GeV e+ e- @ Ecm = 10.5 GeV pp @ 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 = 10-24 cm2 1 pb (= pico-barn) = 10-12 barn To LEP (e+e-) μπορούσε να παράγει 3 pb-1 σε μια μέρα σ (e+e- hadrons) = 30 nb => 90000 hadronic events/day 20

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

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+ e-- @ Ecm = 91-209 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

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

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

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

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

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

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

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

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

Παραδείγματα κυκλικών επιταχυντών LEP TEVATRON HERA LHC 31

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

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

Tevatron: p p @ 2 TeV energies 34

HERA: electron-proton collider 35

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

HERA: electron-proton collider 37

LHC: Large Hadron Collider @ 14 TeV 38

LHC: Large Hadron Collider @ 14 TeV 39

LHC: Large Hadron Collider @ 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

LHC: Large Hadron Collider @ 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

Υπάρχοντες επιταχυνες 42

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

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

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