Φυσική Στοιχειωδών Σωµατιδίων ΙΙ Μάθηµα 1ο 15/2/2011
Τι θα συζητήσουμε σήμερα Γενικά στοιχεία για τα πειράματα Στοιχειωδών σωματιδίων Γενικά - χαρακτηριστικά επιταχυντών ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία Γραμμικοί και κυκλικοί επιταχυντές Επιταχυντές Σταθερού στόχου (fixed target) και Συγγρουόμενων δεσμών (colliding beams colliders) Τι σωματίδια επιταχύνουμε και συγκρούουμε; Επιταχυντές - ελεγχόμενο περιβάλλον σκεδάσεων 2
Τα πειράµατα στη Φυσική Στοιχειωδών Σωµατιδίων (παρόν-µέλλον) Πολύπλοκα: Δέσµες σωµατιδίων Επιταχυντές δεσµών Σωµατιδίων Κατασκευή ανιχνευτή Ηλεκτρονικά Computers Ανιχνευτική Διάταξη Λήψη Δεδοµένων LEP πειράµατα : > 300 άτοµα LHC πειράµατα : >2000 άτοµα (φυσικοί, µηχανικοί, τεχνικοί) Ανάλυση Δεδοµένων Φυσική - Νεα Γνώση
Τα πειράµατα στη Φυσική Στοιχειωδών Σωµατιδίων (παρόν-µέλλον) Accelerator(s) Accelerator of stable charged particles: p, p, e + e -, A n+ Beam lines Interactions, Bremshtralung, beam halo, Beam-Beam or beam-target collisions
Τα πειράµατα στη Φυσική Στοιχειωδών Σωµατιδίων (παρόν-µέλλον) Detector system Control Monitor Fast electronics Interface Time, position and amplitude measurement Event selection (trigger) Event building, buffering and transfer of data to mini computers On-line computers Magnetic tape (CD, Hard Disk) Recording of data, control, monitoring Storage of raw data
Πολύπλοκα: δέσµες επιταχυντών Κατασκευή ανιχνευτή Ηλεκτρονικά Computers LEP πειράµατα>300 άτοµα Control Τα πειράµατα στη Φυσική Στοιχειωδών Σωµατιδίων (παρόν-µέλλον) Accelerator(s) LHC πειράµατα>2000 άτοµα(τεχνικοί, φυσικοί, µηχανικοί) Monitor Beam lines Beam-Beam or beam-target collisions Detector system Fast electronics Interface On-line computers Magnetic tape Off-line computers Data summary tape PHYSICS Accelerator of stable charged particles: p,p, e + e -,A n+ Interactions Time, position and amplitude measurement and event selection (trigger) Event building, buffering and transfer of data to mini computers Recording of data, control, monitoring Storage of raw data Off-line analysis
Οι επιταχυντές σωµατιδίων Βασικές αρχές και στοιχεία επιταχυντή σωµατιδίων Ιδιότητες ενός επιταχυντή Προταιρήµατα και µειονεκτήµατα τύπων επιταχυντών Παραδείγµατα σύγχρονων επιταχυντών
Γενική περιγραφή επιταχυντών σωµατιδίων Γραµµικός επιταχυντής Πηγή σωµατιδίων Κυκλικός επιταχυντής Κοιλότητες επιτάχυνσης Βending Μαγνήτες καµπύλωσης
ΟΙ ΕΠΙΤΑΧΥΝΤΕΣ ΣΤΗ ΦΥΣΙΚΗ ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ Επιταχυντές: Δέσµες «σταθερών» σωµατιδίων e +, e -, p, pbar, A n+, µ ±?(µέλλον) Επιταχυντές Συγκρουοµένων Δεσµών (Colliders): SppS, LEP, HERA, TeVatron, LHC, CLIC, ILC... Head on συγκρούσεις στον σωλήνα κενού του επιταχυντή: ppbar, pp, e + e -, ep, Pb-Pb Επιταχυντές Σταθερού Στόχου (Fixed target): PS, SPS Η δέσµη (p) προσκρούει σε σταθερό στόχο παράγονται δευτερεύουσες δέσµες: (µ ±, Κ ±, π ±, p ±, e ±, v, γ, Κ L )
ΟΙ ΕΠΙΤΑΧΥΝΤΕΣ ΣΤΗ ΦΥΣΙΚΗ ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ Σταθερού στόχου Συγκρουστήρες δεσµών
Oι επιταχυντές σωµατιδίων (αναδροµή) Aντίγραφο του κυκλοτρου του Lawrence στον Μικρόκοσµο του CERN Tο 1930 o Ernest Lawrence εφευρίσκει και κατασκευάζει το πρώτο κύκλοτρο σε µέγεθος τραπεζιού και κόστος 25 $ και σήµερα οι φυσικοί, µετά από δρόµο µακρύ κατασκεύασαν το LHC στο υπόγειο τούνελ του CERN µε κόστος πάνω από 2 Geuro! + - 1930, στο κύκλοτρο του Lawrence; πρωτόνια 100 MeV = 0.1 - + Εναλλάσουμε το ηλεκτρικό πεδίο και κρατάμε το μαγνητικό σταθερό μεγαλώνει η ακτίνα της κυκλικής τροχιάς
Βασικές Ιδιότητες των Επιταχυντών Σωµατιδίων Τα είδη των σωµατιδίων που επιταχύνονται Η ενέργεια στην οποία επιταχύνονται τα σωµατίδια Το ποσοστό της ενέργειας της δέσµης που είναι διαθέσιµο για την παραγωγή ΝΕΩΝ σωµατιδίων Η φωτεινότητα της δέσµης ( Luminosity)
Ποιά είδη σωµατιδίων επιταχύνουµε? Φορτισµένα Επιταχύνονται µε ηλεκτρικά πεδία (Ενέργεια = φορτίο * διαφορά δυναµικού) Οδηγούνται και εστιάζονται µε µαγνητικά πεδία Μακρόβια (σταθερά) 1. άπειρο χρόνο ηµιζωής 2. αλλά : εξαιτίας του παράγοντα Lorentz :γτ, ο χρόνος ζωής µέσα στον επιταχυντή µπορει να ειναι αρκετά µεγάλος Παράδειγµα : Πιόνια, τ=2.6x10-8 sec, E=100 GeV, γ = E/m = 100/0.14 = 1428.6, γτ = 0.04msec, v c, µέση διανυόµενη απόσταση = c γ τ = 11 Km (αρκετή για πειράµατα σταθερού στόχου) Μιόνια, τ=2.2x10-6 sec, E=100 GeV, m=0.1gev/c 2 =1428.6, γτ = 4.4msec!, v c, µέση διανυόµενη απόσταση = c γ τ = 1320 Km!! (υπάρχουν ιδέες για επιταχυντές συγκρουστήρες µιονίων) Στη πράξη οι συγκρουστήρες σήµερα ειναι : Ηλεκτρονίων & αντι-ηλεκτρονίων, πρωτονίων & αντι-πρωτονίων
Τι αλλάζει µε τον τύπο των σωµατιδίων που επιταχύνουµε? Σύγκρουση e -, e + σε quarks e -, e + είναι σηµειακά σωµατίδια Δεν έχουν χρώµα => δεν έχουµε συµβολή της αρχικής µε την τελική κατάσταση (gluon emission) Οι θεωρητικοί υπολογισµοί είναι ευκολοι και ακριβείς Συγκρουστήρες p, p σε quarks και gluons Τα πρωτόνια αποτελούνται από quarks. Αυτά αλληλεπιδρούν, ΜΟΝΟ µέρος της ενεργειας της δέσµης χρησιµοποιείται στην αλληλεπίδραση Οι κατανοµές παρτονίων στο πρωτόνιο ΜΟΝΟ πειραµατικά υπολογίζονται Τα σωµατίδια που συγκρούονται έχουν χρώµα => οι θεωτητικοι υπολογισµοί ειναι δυσκολοι και όχι ακριβείς
Τι αλλάζει µε τον τύπο των σωµατιδίων που επιταχύνουµε? Συγκρούσεις e p π.χ. στον HERA στο DESY τα e είναι σηµειακά και χρησιµοποιούνται για την µελέτη της δοµής του πρωτονίου απο quarks & gluons Στους συγκρουστήρες ep Η δέσµη των e- (e+) έχει απώλειες λόγω ακτινοβολίας σύνχροτρον (µειονέκτηµα) Καλό κενό Η δέσµη των πρωτονίων ΔΕΝ έχει απώλειες λόγω ακτινοβολίας σύνχροτρον (πλεονέκτηµα)
Επιτάχυνση χρειάζεται ηλεκτρικό πεδίο Επιτάχυνση σε διαδοχικές διαφορές δυναμικού Η παρακάτω διάταξη είναι ένας... Γραμμικός Επιταχυντής λ ~ 400 nm 10,000 μπαταρίες στη σειρά; Επιταχυντής! Πέρασμα από διαδοχικές μπαταρίες; Επιταχυντής! 16
Επιτάχυνση σωματιδίων σε δέσμες Γραμμικός επιταχυντής Φορά σωματιδίων + - + - Πηγή σωματιδίων Κοιλότητες επιτάχυνσης με εναλλασόμενο πεδίο Γραμμικός επιταχυντής Βending Με τις κοιλότητες πετυχαίνουμε ομαδοποίηση των επιταχυνόμενων σωματιδίων σε δέσμες Μαγνήτες καμπύλωσης 17