Gyorsítók Veszprémi Viktor ATOMKI, Debrecen Supported by NKTH and OTKA (H07-C 74281) 2009. augusztus 17 Hungarian Teacher Program, CERN 1
Az anyag felépítése Részecskefizika kvark, lepton Erős, gyenge, elektromágneses hadron, mezon Erős atommag Erős maradék, gyenge Fizikában visszafelé derítjük fel a szabályokat Minden szinten újabb kölcsönhatással találkozunk Minél mélyebbre akarunk látni, annál több energiát kell befektetnünk atom molekula Elektromágneses EM, gravitáció szilárdtest, folyadék 2009. augusztus 17 Hungarian Teacher Program, CERN 2
Hogyan látunk különböző méreteket? 2009. augusztus 17 Hungarian Teacher Program, CERN 3
Tárgyak vizsgálata Kölcsön kell velük hatnunk: rátekintéssel, tapintással Pl. világítsuk meg őket: A megismerés kezdeti módszere az elektromágneses kölcsönhatás Látható fény felbontása mikroszkópban ~1 mikron (fény hullámhossza) 2009. augusztus 17 Hungarian Teacher Program, CERN 4
Tárgyak mélyebb vizsgálata A részecskék hullám tulajdonsága, De Broglie - egyenlet: = hc pc 2 λ és pc 2 KE m0c ahol hc = 1239. 8 ev nm Tömeggel rendelkező részecskék hullámhossza rövidebb! Egy 40 kev kinetikus energiájú és 0.511 MeV nyugalmi tömegű elektron De Broglie hullámhossza ~1 nm Egy elektron-sugáron alapuló mikroszkóp felbontása a hagyományos optikainak 1000-szerese 2009. augusztus 17 Hungarian Teacher Program, CERN 5
Az elektronmikroszkóp Hangyafej, forrás: Wikipedia Forrás: Wikipedia Pásztázó mikroszkóp ~0.5 nm felbontás ~40 kev kinetikus energia Atomok mérete ~0.1 nm 2009. augusztus 17 Hungarian Teacher Program, CERN 6
Képalkotás az atomfizikában Rutherford kísérlet az atommag felfedezése Alfa részecskékkel (hélium) bombázott arany fóliát http://sun.menloschool.org/~dspence/chemistry/atomic/ Ha a fólia homogén lenne, az alfa részecskék csak előre szóródnának Visszafelé is szóródó részecskéket is mért! 2009. augusztus 17 Hungarian Teacher Program, CERN 7
A kísérleti részecskefizika kellékei Nagyenergiás részecske forrás, letapogató nyaláb Vizsgálandó céltárgyak Szóródó részecskék mérésére alkalmas képalkotási eszközök 2009. augusztus 17 Hungarian Teacher Program, CERN 8
A természet sugárzó forrásai Radioaktív források Alfa (hélium atom) <5 MeV Béta (elektron) <3 MeV Kozmikus sugárzás ~90% proton, ~10% alfa részecske Max. energia 3*10 20 ev A légkör felső részéből müonok Hátrányuk nem jól meghatározott (néha nem elég) energiával nem a megfelelő helyen jelennek meg alacsony számban Kozmikus sugárzás fluxusa az energia függvényében. Forrás: Wikipedia 2009. augusztus 17 Hungarian Teacher Program, CERN 9
Megoldás: részecske gyorsítók Első gyorsító: Lineáris (The Incredible Machine) A golyó lendületet nyer a csúszkán A platók szintet váltanak amíg a golyó rajtuk gurul 2009. augusztus 17 Hungarian Teacher Program, CERN 10
Mitől gyorsul a részecske? Használjuk ki hogy elektromosan töltöttek Lorentz erő: r r r r F( t) = q E( t) + v( t) B( t [ )] Elektromos tér (E) gyorsítja a töltött részecskéket Mágneses tér (B) csak az irányukat változtatja meg Magasabb plató magasabb elektromos potenciál 2009. augusztus 17 Hungarian Teacher Program, CERN 11
Gyorsító üzemeltetése - játék 2009. augusztus 17 Hungarian Teacher Program, CERN 12
Linac (Linear Accelerator) Első tervek (1928-ból) szerint drift kamrákból épült fel A gyorsított ionok még nem relativisztikusak, egyre hosszabb kamrákra van szükség, ahogy az ionok sebessége nő Az eszköz határát a kamrák mérete és az alkalmazható frekvencia felső határa szabja meg Hogyan lehetne mégis növelni az energiát? 2009. augusztus 17 Hungarian Teacher Program, CERN 13
Mégtöbb gyorsítás ciklotronnal Csigaalakba feltekert lineáris gyorsító helyet takarít meg 2009. augusztus 17 Hungarian Teacher Program, CERN 14
Körpálya mágneses mezővel Ismét segítségül hívjuk a Lorentz-erőt: 2 v Fr = m, FB = r Ebből a sugarat kifejezve r = m v qb, mivel ω = qvb qb A szögsebesség, ω =, konstans 2m mágneses mező esetén állandó! Gyorsítás a két D közötti hézagban Az elektromos tér váltakozásának frekvenciája konstans v r, 2009. augusztus 17 Hungarian Teacher Program, CERN 15
A szinkrotron Ciklotron méretét a D mérete korlátozza Tartsuk a részecskéket egy csőben! A részecske energiájával szinkronban növekvő mágneses mező a cső mentén és megfelelően modulált elektromos tér 2009. augusztus 17 Hungarian Teacher Program, CERN 16
Gyorsítás csőben 2009. augusztus 17 Hungarian Teacher Program, CERN 17
Részecske-nyaláb instabilitásai Több részecskét keringetünk egyszerre Azonos töltések taszítják egymást Párhuzamos áramok vonzóak Instabil nyaláb, fókuszálni kell. Megoldás: további mágnesek Az y-ban Fókuszáló mágnes x-ben Defókuszálóként működik, és viszont B x y z D F D F 2009. augusztus 17 Hungarian Teacher Program, CERN 18
Fókuszálás kvadrupól mágnessel 2009. augusztus 17 Hungarian Teacher Program, CERN 19
Részecskegyorsítók kellékei Töltött részecskék forrása RF gyorsító üregek Hangolható terű dipolmágnesek kör alakba rendezve Fókuszáló kvadrupol mágnesek, terelő lemezek 2009. augusztus 17 Hungarian Teacher Program, CERN 20
A világ gyorsítói 2009. augusztus 17 Hungarian Teacher Program, CERN 21
A Nagy Hadronütköztető (LHC) 2009. augusztus 17 Hungarian Teacher Program, CERN 22
Az LHC gyorsító-komplexuma 450 GeV 7 TeV 26 GeV 450 GeV 1.4 GeV 26 GeV 50 MeV 1.4 GeV 2009. augusztus 17 Hungarian Teacher Program, CERN 23
Az LHC alagút 27 km kerület, 50 127 méter mélyen, 3.8 méter átmérőjű alagút Proton (7 TeV) vagy nehézion (2.75 TeV/n) nyalábok 4 perc 20 másodperc töltési idő 20 perc gyorsítás 2009. augusztus 17 Hungarian Teacher Program, CERN 24
A mágnesek szerkezete 8.4 T mágneses tér, 11700 A árammal Szupravezető mágnesek 1.9 K folyékony héliumban 14.3 méter hosszú, 35 tonna 1232 darab, darabonként félmillió svájci frank 2009. augusztus 17 Hungarian Teacher Program, CERN 25
A dipólmágnesek tere 2009. augusztus 17 Hungarian Teacher Program, CERN 26
A mágnesek leengedése az alagútba 2009. augusztus 17 Hungarian Teacher Program, CERN 27
A mágnesek összeszerelése 2009. augusztus 17 Hungarian Teacher Program, CERN 28
Az LHC detektorai 2009. augusztus 17 Hungarian Teacher Program, CERN 29
Nyalábok keresztezése Vékony nyalábban, 2808 csomagok sorakozik Csomag: 100.000 millió proton, 16 mikron átmérő, néhány cm hosszú 25 ns időközökben kereszteződnek, átlagban 20 ütközést keltve 800 millió ütközés másodpercenként 2009. augusztus 17 Hungarian Teacher Program, CERN 30
Egy esemény képe A tervek szerint idén már látni fogunk ilyet!! 2009. augusztus 17 Hungarian Teacher Program, CERN 31
Összefoglalás A részecskefizika részecskék kis távolságból történő szóródását tanulmányozza, ebből a részecskék közötti kölcsönhatásokra modelleket alkot Ennek a módszernek jelenleg elengedhetetlen eszközei a gyorsítók Az LHC, beindulása után, a jelenlegi legnagyobb energián fog ütközéseket produkálni A létrejött eseményekben új fizikai jelenségek, új részecskék megjelenését várjuk. 2009. augusztus 17 Hungarian Teacher Program, CERN 32