A részecskefizika kísérleti eszközei

Átírás

1 A részecskefizika kísérleti eszközei (Gyorsítók és Detektorok) Hamar Gergő MTA Wigner FK 1

2 Tartalom Mit kell/lehet mérni egy részecskén? miben különböznek? hogyan és mit mérünk? Részecskegyorsítók, CERN mire jó a gyorsító? hogyan gyorsít? hogy néz ki? Detektorok és működésük hogyan mérünk láthatatlan villámgyors részecskéket? Óriási kísérletek LHC-n. mi még? van gyorsító nélküli? Alkalmazás gyakorlatban tudjuk ezeket bármi másra is használni? 2

3 Standard modell 3

4 Részecskegyorsítók, ütköztetők Miért kell gyorsítani? Mennyire kell gyorsnak lennie? Milyen részecskéket lehet / kell hasznáni? GSI, DUBNA, CERN, BNL,... Debrecen, WignerFK,.. Technológiai fejlődés 4

5 5

6 Lineáris gyorsító Elektromosan töltött részecskét Lyukas kondenzátor Katódsugárcső (régi TV) Többlépcsős gyorsítás Váltakozó feszültséggel Milyen hosszú lesz? A régimódi képcsöves TV-ben vagy monitorban egy részecskegyorsító rejtőzik 6

7 Ciklotron, Szinkrotron Mágneses térrel görbített pálya Ciklotron 7

8 Nagyenergiás gyorsító ( korábbi ötletek együtt ) Mágneses térrel körpályán Elektromos térrel gyorsít (váltakozó feszültség, RF) + Bemenő e nyalábok e- Ütköztetési pontok Nagyfrekvenciás gyorsító tér Vákuum-cső Fókuszáló Eltérítő mágnes mágnes 8

9 Lépcsőzetes gyorsítás CERN: Hidrogén palack (ev) LINAC (50 MeV) PSBooster (1.4GeV) PS (25GeV) SPS (450GeV) LHC (7TeV) 9

10 LHC (Large Hadron Collider) 10

11 LHC gyűrű 11

12 Ütközési energia Energiaskála mértékegysége : ev = 1.6*10-19J egy elektron által felvett energia 1V hatására elektron fénysebesség 90%-ával : 660keV (210keV) me=511kev, mp=1gev Egyetlen LHC proton : 7 TeV (=7000 GeV) ~ repülő szúnyog Az LHC-ben kerintgő összes proton ~ száguldó elefántcsorda (100 elefánt, 40 km/h ) 12

13 LHC nagy kísérletei CMS és ATLAS Higgs, Extra dimenziós elméletek, Szupeszimmetria ALICE Kvark-gluon-plaza, Kozmológia, Magfizika LHCb Standard modell, Bájos kvark fizikája 13 + TOTEM, MOEDAL, CASTOR

14 Detektorok 14

15 Detektorok Mit akarunk mérni? Mit lehet mérni? tömeg töltés lendület energia részecske fajtája... Hogyan? 15

16 Szcintillátor a fénylő detektor 16

17 Szcintillátor és fénydetektálás 17

18 Pályák vonala Köd kamra Buburék kamra fázisátalakulás közeli állapotban vannak töltött részecske ionizáció lokális fázisátalakulás kamerával figyelhető 18

19 Buborék kamrák 19

20 Gáztöltésű detektorok GM cső Geiger Müller számláló H. Geiger, E. Rutherford W. Müller 1908 H. Geiger cső 1928 W. Müller tökéletesíti Működési elv Töltött részecske ionizálja a gázt ~ 100 elektron ion pár / cm Kevés a detektáláshoz Nagytérerősség elektronlavina Utaztatás + sokszorozás! (nagyfeszültséggel) 20

21 Sokszálas kamra (MWPC) Párhuzamos katódsíkok Közöttük vékony szálak (~20 m) Nagyfeszültség > nagy térerősség a szálak körül Energetikus elektron gáz ütközések Lavina alakul ki a szál mellett, erősítés ~ Parkettázható katódok, felbontás ~ 1mm 2 dimenziós adat Ionizáció nagysága mérhető 21

22 Sokszálas kamra 2D (MWPC) 22

23 Háromdimenziós nyomkövetés Több réteg vagy inkább : Sodródási idő mérése 3 dimenziós mérés 23

24 Sokszálas kamra - 3D (TPC) 24

25 Sokszálas kamra - 3D (TPC) 25

26 Mikrostruktúrás detektorok Modern technikai / kémiai módszerek Nyomtatott áramköri lapok gyártása GEM, ThGEM, MicroMegash, InGrid,... 26

27 Mikrostruktúrás detektorok mpic MM,InGrid 27

28 Félvezető detektorok Szilícium lapkák, integrált struktúrák Pár-tíz mikrométeres felbontás Kiváló az ütközési pont közelében 28

29 Cserenkov sugárzás Hangrobbanás Fényrobbanás? Hogyan detektáljuk? 29

30 Cserenkov sugárzás Hangrobbanás Fényrobbanás? van, a neve: Cserenkov sugárzás: Töltött részecske a közegbeli fénysebességnél gyorsabban megy fényt sugároz Hogyan detektáljuk? 30

31 Cserenkov detektor 31

32 Kaloriméterek Részecske teljes energiáját méri Záport kelt (kölcsönhatás: EM,Hadr.) Elektromágneses kaloriméter elektron, foton Hadronikus kalirométer hadronok (pion, proton,...) 32

33 Kaloriméterek 33

34 Részecskék azonosítása Réteges struktúra (hagyma/torta) + Speciális detektorok (tipikusan sebességhez: Cserenkov, TimeOfFight,..) 34

35 LHC nagy kísérletei CMS és ATLAS Higgs, Extra dimenziós elméletek, Szupeszimmetria ALICE Kvark-gluon-plaza, Kozmológia, Magfizika LHCb Standard modell, Bájos kvark fizikája 35 + TOTEM, MOEDAL, CASTOR

36 CMS az LHC-ban 36

37 CMS az LHC-ban 37

38 CMS részecskeazonosítása 38

39 ALICE az LHC-ban 39

40 ALICE az LHC-ban 40

41 ALICE ólom-ólom esemény 41

42 Neutrínó kísérletek 42

43 Neutrínó detektorok - SNO 43

44 Neutrínó detektorok - SK 44

45 Létezik-e a részecskefiziának gyakorlati haszna / alkalmazása? 45

46 Gyakorlati alkalmazások Elméleti modellek anyagfizika,... Szupravezetők orvosi alk : MR,... Detektorok sokoldalú alkalmazása orvosi alk : Röntgen, CT, PET,... ipar, reaktor technika,... 46

47 Gyakorlati alkalmazások Elméleti modellek anyagfizika,... Szupravezetők orvosi alk : MR,... Detektorok sokoldalú alkalmazása orvosi alk : Röntgen, CT, PET,... ipar, reaktor technika,... 47

48 Gyakorlati alkalmazások Elméleti modellek anyagfizika,... Szupravezetők orvosi alk : MR,... Detektorok sokoldalú alkalmazása orvosi alk : Röntgen, CT, PET,... ipar, reaktor technika,... Gyorsítók orvosi alk: Sugárterápia, Ionterápia,... 48

49 Gyakorlati alkalmazások Elméleti modellek anyagfizika,... Szupravezetők orvosi alk : MR,... Detektorok sokoldalú alkalmazása orvosi alk : Röntgen, CT, PET,... ipar, reaktor technika,... Gyorsítók orvosi alk: Sugárterápia, Ionterápia,... 49

50 Gyakorlati alkalmazások Elméleti modellek anyagfizika,... Szupravezetők orvosi alk : MR,... Detektorok sokoldalú alkalmazása orvosi alk : Röntgen, CT, PET,... ipar, reaktor technika,... Gyorsítók orvosi alk: Sugárterápia, Ionterápia,... Kozmikus sugárzás szerkezetvizsgálat, nemzetvédelem,... 50

51 Gyakorlati alkalmazások Elméleti modellek anyagfizika,... Szupravezetők orvosi alk : MR,... Detektorok sokoldalú alkalmazása orvosi alk : Röntgen, CT, PET,... ipar, reaktor technika,... Gyorsítók orvosi alk: Sugárterápia, Ionterápia,... Kozmikus sugárzás szerkezetvizsgálat, nemzetvédelem,... 51

52 Gyakorlati alkalmazások Elméleti modellek anyagfizika,... Szupravezetők orvosi alk : MR,... Detektorok sokoldalú alkalmazása orvosi alk : Röntgen, CT, PET,... ipar, reaktor technika,... Gyorsítók orvosi alk: Sugárterápia, Ionterápia,... Kozmikus sugárzás szerkezetvizsgálat, nemzetvédelem,... IT háttér grid, www, genom számítások,... Analízis + szimulációs módszerek orvosi eszközfejlesztés,... 52

53 Köszönöm a figyelmet 53