Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων ΙΙ (8ου εξαμήνου) Μάθημα 1γ: Επιταχυντές (α' μέρος) Λέκτορας Κώστας Κορδάς Αριστοτέλειο Πανεπιστήμ ιο Θεσσαλονίκης Στοιχειώδη ΙΙ, Αριστοτέλειο Παν. Θ/νίκης, 23 Φεβρουαρίου 2010
Τι θα συζητήσουμε 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 Ηράκλειο - 27 Φεβ.'10 Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 2
Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων - Πολύπλοκα πειράματα Συνέργεια πολλών: Δέσμες σωματιδίων Ανιχνευτές Ηλεκτρονικά Υπολογιστές Επιταχυντές δεσμών Σωματιδίων Ανιχνευτική Διάταξη Συλλογή Δεδομένων Ανάλυση Δεδομένων Φυσική - Νέα Γνώση Ηράκλειο - 27 Φεβ.'10 Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 3
Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων - Πολύπλοκα πειράματα Συνέργεια πολλών: Δέσμες σωματιδίων Ανιχνευτές Ηλεκτρονικά Υπολογιστές Επιταχυντές δεσμών Σωματιδίων Ανιχνευτική Διάταξη Πειράματα στο CERN: πειράματα στο LEP: Συλλογή Δεδομένων Ανάλυση Δεδομένων > 300 άτομα πειράματα στο LHC: > 2000 άτομα (φυσικοί, μηχανικοί, τεχνικοί) Φυσική - Νέα Γνώση Ηράκλειο - 27 Φεβ.'10 Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 4
Σωματίδια για μεγάλη διακριτική ικανότητα Κβαντική Φυσική τα σωματίδια συμπεριφέρονται και ως κύμματα Όσο μεγαλύτερη είναι η ορμή p (= μάζα x ταχύτητα) ενός σωματιδίου τόσο μικρότερο μήκος κύματος (λ) έχει: λ = h p Louis de Broglie (1924) Σταθερά του Plank = h = 6.626 x 10-34 J s Διακριτική ικανότητα του πειράματος του Rutherford: λ= h m α v 6.626 10 34 J s 6.6 10 27 kg 1. 5 10 7 m s 1 6. 7 10 15 m=6.7 10 13 cm α particle mass 0.05 c ~ resolving power of Rutherford s experiment Α.Π.Θ - 23 Φεβ.'10 Κ. Κορδάς - Στοιχειώδη ΙΙ, Εισαγωγή 5
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! Ηράκλειο - 27 Φεβ.'10 Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 6
Γραμμικοί επιταχυντές Γραμμικός επιταχυντής Φορά σωματιδίων + - + - Πηγή σωματιδίων Κοιλότητες επιτάχυνσης με εναλλασόμενο πεδίο Γραμμικός επιταχυντής Βending Ηράκλειο - 27 Φεβ.'10 Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 7
Επιτάχυνση σωματιδίων σε δέσμες Γραμμικός επιταχυντής Φορά σωματιδίων + - + - Πηγή σωματιδίων Κοιλότητες επιτάχυνσης με εναλλασόμενο πεδίο Γραμμικός επιταχυντής Βending DE Μαγνήτες καμπύλωσης z Ηράκλειο - 27 Φεβ.'10 Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 8
Επιτάχυνση σωματιδίων σε δέσμες Γραμμικός επιταχυντής Φορά σωματιδίων + - + - Πηγή σωματιδίων Κοιλότητες επιτάχυνσης με εναλλασόμενο πεδίο Γραμμικός επιταχυντής Βending DE Μαγνήτες καμπύλωσης Με τις κοιλότητες πετυχαίνουμε ομαδοποίηση των επιταχυνόμενων σωματιδίων σε δέσμες z Ηράκλειο - 27 Φεβ.'10 Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 9
Κυκλικοί επιταχυντές (1) Γραμμικός επιταχυντής Φορά σωματιδίων Γραμμικός επιταχυντής Κυκλικός επιταχυντής Πηγή σωματιδίων Κοιλότητες επιτάχυνσης Γραμμικός επιταχυντής Βending Μαγνήτες καμπύλωσης Ηράκλειο - 27 Φεβ.'10 Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 10
Κυκλικοί επιταχυντές (2) 20 x 10 3 ev = 20 kev 100 x 10 9 ev = 100 GeV LHC tunnel Ηράκλειο - 27 Φεβ.'10 Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 11
Κυκλικοί επιταχυντές (3) Τα επιταχυνόμενα σωματίδια περνούν πολλές φορές από τις ίδιες κοιλότητες ραδιοσυχνοτήτων (RF cavities) Κράτημα σε κυκλική τροχιά με διπολικούς μαγνήτες LHC tunnel Ηράκλειο - 27 Φεβ.'10 Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 12
Κυκλικοί επιταχυντές (4) 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 Ηράκλειο - 27 Φεβ.'10 Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 13
Ακτινοβολία Σύγχροτρον (1) Όταν ένα φορτισμένο σωμάτιο επιταχύνεται, εκπέμπει ακτινοβολία χάνει ενέργεια Ηράκλειο - 27 Φεβ.'10 Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 14
Ακτινοβολία Σύγχροτρον (2) 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 Ηράκλειο - 27 Φεβ.'10 Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 15
Ακτινοβολία Σύγχροτρον (3) 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: Ηράκλειο - 27 Φεβ.'10 Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 16
Ακτινοβολία Σύγχροτρον (4) 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] = (m e /m p ) 4 = 10-13! επιταχυντής HERA : Ee = 27.6 GeV & Ep =920 GeV, ΔΕ[p]/ΔΕ[e] = 10-8 Ηράκλειο - 27 Φεβ.'10 Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 17
Επιταχυντές για πειράματα σταθερού στόχου (1) Σταθερού στόχου = fixed target Συγκρουστήρες δεσμών Η εξαγόμενη δέσμη (p) προσκρούει σε σταθερό στόχο --> παράγονται δευτερεύουσες δέσμες: (μ ±, Κ ±, π ±, p ±, e ±, v, γ, Κ L ) Βλήμα Έτσι μπορούμε να παράγουμε δέσμες «σταθερών» σωματιδίων: e +, e -, p, pbar, A n+, μ ±?(μέλλον) Στόχος Ηράκλειο - 27 Φεβ.'10 Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 18
Επιταχυντές για πειράματα σταθερού στόχου (2) Σταθερού στόχου = fixed target Συγκρουστήρες δεσμών Η εξαγόμενη δέσμη (p) προσκρούει σε σταθερό στόχο --> παράγονται δευτερεύουσες δέσμες: (μ ±, Κ ±, π ±, p ±, e ±, v, γ, Κ L ) Βλήμα Έτσι μπορούμε να παράγουμε δέσμες «σταθερών» σωματιδίων: e +, e -, p, pbar, A n+, μ ±?(μέλλον) Στόχος 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 Ηράκλειο - 27 Φεβ.'10 Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 19
Επιταχυντές για πειράματα συγκρουόμενων δεσμών Σταθερού στόχου Συγκρουστήρες δεσμών Συγκρουστήρες δεσμών Κατά κανόνα πολύ ενέργεια είναι διαθέσιμη για την παραγωγή σωματιδίων (Εcm = ενέγεια στο κέντρο μάζας) 1 M Μ Παράδειγμα: Συγκρουόμενες δέσμες πρωτονίων με 450 GeV η κάθε μία --> Ecm = (450 + 450) GeV = 900 GeV διαθέσιμη για τη δημιουργία σωματιδίων Ηράκλειο - 27 Φεβ.'10 Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 20
Είδη επιταχυνόμενων σωματιδίων (1) 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 Ηράκλειο - 27 Φεβ.'10 Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 21
Είδη επιταχυνόμενων σωματιδίων (2) Παραδείγματα: Πιόνια (π): τ=2.6x10-8 sec, E=100 GeV, γ = E/m = 100/0.140 = 714.3 γτ = 18.6 μsec, v c μέση διανυόμενη απόσταση στο εργαστήριο = cγτ = 5.6 Km αρκετή απόσταση για πειράματα σταθερού στόχου Μιόνια (μ): τ=2.2x10-6 sec, E=100 GeV, γ = Ε/m=100/0.105 = 952.4 γτ = 2.1 msec!, v c μέση διανυόμενη απόσταση στο εργαστήριο = cγτ =629 Km γι'αυτό υπάρχουν ιδέες για κυκλικούς επιταχυντές - συγκρουστήρες μιονίων (muon colliders) Ηράκλειο - 27 Φεβ.'10 Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 22
Είδη επιταχυνόμενων σωματιδίων (3) 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 (p) Αντιπρωτόνια (p) Ηράκλειο - 27 Φεβ.'10 Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 23
Όλο και μεγαλύτερη ενέργεια Livingston plot FT E = E 2m Lab 1 EeV 2 cm p αναγωγή σε αντίστοιχη ενέργεια βλήματος για πείραμα σταθερού στόχου ( fixed target experiment ) 100 PeV LHC 10 PeV 1 PeV Tevatron SppS 100 TeV 10 TeV 1 TeV ISR HERA LEP 100 GeV 10 GeV 1 GeV 100 MeV 10 MeV 1 MeV 1930 1950 1970 1990 2010 Χρονιά Έναρξης Λειτουργίας Ηράκλειο - 27 Φεβ.'10 Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 24
Όλο και μεγαλύτερη ενέργεια ανακαλύψεις FT E = E 2m Lab 1 EeV 2 cm p αναγωγή σε αντίστοιχη ενέργεια βλήματος για πείραμα σταθερού στόχου ( fixed target experiment ) 100 PeV LHC 10 PeV 1 PeV Tevatron SppS 100 TeV 10 TeV 1 TeV ISR HERA LEP 100 GeV 10 GeV 1 GeV 100 MeV 10 MeV 1 MeV 1930 1950 1970 1990 2010 Χρονιά Έναρξης Λειτουργίας Ηράκλειο - 27 Φεβ.'10 Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 25
Ο πιο ισχυρός επιταχυντής είναι το σύμπαν 10000 particles/km 2 /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: 10 9 συγκρούσεις ανά δεπτερόλεπτο σε ελεγχόμενο περιβάλλον Ηράκλειο - 27 Φεβ.'10 Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 26
Τι συζητήσαμε 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 Ηράκλειο - 27 Φεβ.'10 Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 27
Επόμενο: Επιταχυντές (β' μέρος): Φωτεινότητα και ενεργός διατομή Συγκρουστές ηλεκτρονίων ή πρωτονίων; Τι συγκρούεται πραγματικά σε σκεδάσεις πρωτονίων Παραδείγματα επιταχυντών Ανιχνευτικές Διατάξεις (Detectors) Ηράκλειο - 27 Φεβ.'10 Κ. Κορδάς - Τα μεγάλα πειράματα, τηλεσκόπια του μικρόκοσμου 28