Milyen eszközökkel figyelhetők meg a világ legkisebb alkotórészei?



Hasonló dokumentumok
Nehézion ütközések az európai Szupergyorsítóban

A CERN, az LHC és a vadászat a Higgs bozon után. Genf

RUBIK KOCKÁBAN A VILÁG

Részecskefizika és az LHC: Válasz a kérdésekre

Részecskefizikai gyorsítók

TÖKéletes KVARKFOLYADÉK

Gyorsítók a részecskefizikában

Detektorok. Fodor Zoltán. Wigner fizikai Kutatóközpont. Hungarian Teachers Programme 2015

Radioaktivitás. 9.2 fejezet

L Ph 1. Az Egyenlítő fölötti közelítőleg homogén földi mágneses térben a proton (a mágneses indukció

Tényleg megvan a Higgs-bozon?

Fizika 2 (Modern fizika szemlélete) feladatsor

Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal. Dr. Vincze Árpád

HOGYAN CSINÁLHATUNK HÁZILAG HIGGS BOZONT?

Mikrofizika egy óriási gyorsítón: a Nagy Hadron-ütköztető

Csörgő Tamás MTA KFKI RMKI

Hadronok, atommagok, kvarkok

Biofizika tesztkérdések

Cserenkov-sugárzás, sugárzás,

Gyorsítók. Veszprémi Viktor ATOMKI, Debrecen. Supported by NKTH and OTKA (H07-C 74281) augusztus 17 Hungarian Teacher Program, CERN 1

A FIZIKA KÖZÉPSZINTŰ SZÓBELI ÉRETTSÉGI VIZSGA TÉTELEINEK TÉMAKÖREI MÁJUSI VIZSGAIDŐSZAK

Részecskegyorsítók. Barna Dániel. University of Tokyo Wigner Fizikai Kutatóközpont

Részecske- és magfizikai detektorok. Atommag és részecskefizika 9. előadás május 3.

Az LHC kísérleteinek helyzete

HÍREK ITTHONRÓL. Fizika Tanösvény az Eötvös Egyetemen HÍREK ESEMÉNYEK

Zitterbewegung. általános elmélete. Grafén Téli Iskola Dávid Gyula ELTE TTK Atomfizikai Tanszék

Vélemény Siklér Ferenc tudományos doktori disszertációjáról

GÁZTÖLTÉSŰ RÉSZECSKEDETEKTOROK ÉPÍTÉSE CONSTRUCTION OF GASEOUS PARTICLE DETECTORS

Marx György ( )

A kvarkanyag nyomában nagyenergiás nehézion-fizikai kutatások a PHENIX kísérletben

Részecskegyorsítókkal az Ősrobbanás nyomában

Indul az LHC: a kísérletek

Ph Mozgás mágneses térben

Nehézion-ütköztetők, részecskegyorsítók

Gyorsítók. Veszprémi Viktor ATOMKI, Debrecen. Supported by OTKA MB augusztus 18. Hungarian Teacher Program, CERN 1

Részecskés Kártyajáték

Speciális relativitás

A nagyenergiás neutrínók. fizikája és asztrofizikája

Részecske- és magfizika vizsgakérdések

Speciális mágnesek tervezése, szimulációja részecskegyorsítókhoz

F1404 ATOMMAG- és RÉSZECSKEFIZIKA

Hogyan kerül a kvarkanyag

töltéssel rendelkező vagy semleges részecskék kinetikus energiája és (vagy) impulzusa a kondenzált közegek atomjaival ütközve megváltozhat.

NEUTRON-DETEKTOROK VIZSGÁLATA. Mérési útmutató BME NTI 1997

Fodor Zoltán KFKI-Részecske és Magfizikai Aug. 17, HTP-2007 Fodor Z. Bevezetés a nehézion fizikába 1

Kísérleti és elméleti TDK a nagyenergiás magfizikai területein

Fizikaverseny, Döntő, Elméleti forduló február 8.

Az időtől független Schrödinger-egyenlet (energia sajátértékegyenlet), A Laplace operátor derékszögű koordinátarendszerben

Theory hungarian (Hungary)

Nehéz töltött részecskék (pl. α-sugárzás) kölcsönhatása

OTKA tematikus pályázat beszámolója. Neutronban gazdag egzotikus könnyű atommagok reakcióinak vizsgálata

fizikai szemle 2004/8

A HÚZÓSOK NYOMTASSÁK KI ÉS HOZZÁK MAGUKKAL A RÁJUK VONATKOZÓ TÉTELEKET. A KIHÚZOTT TÉTELT (CSAK AZT) MAGUKNÁL TARTHATJÁK A FELKÉSZÜLÉS ALATT.

A testek részecskéinek szerkezete

A részecskefizika kísérleti eszközei

Megmérjük a láthatatlant

Sugárzásmérés. PTE Műszaki és Informatikai Kar DR. GYURCSEK ISTVÁN

Röntgensugárzás 9/21/2014. Röntgen sugárzás keltése: Röntgen katódsugárcső. Röntgensugárzás keletkezése Tulajdonságok Anyaggal való kölcsönhatás

Miből áll a világunk? Honnan származik? Miért olyan, mint amilyennek látjuk?

A CERN NA61 kísérlet kisimpulzusú részecskedetektorának építése és fizikai analízise

forró nyomon az ősanyag nyomában Csörgő Tamás MTA KFKI RMKI

ILC, a nemzetközi lineáris ütköztető: terv vagy ábránd?

KOVÁCS ENDRe, PARIpÁS BÉLA, FIZIkA II.

Részecskegyorsítók. Dozimetria. Mai nagy kérdések. Atommag és részecskefizika 11. előadás, május 17.

A legkisebb részecskék a világ legnagyobb gyorsítójában

Gyorsítók. Veszprémi Viktor Wigner Fizikai Kutatóközpont OTKA NK augusztus 12. Hungarian Teacher Program, CERN 1

Mikrostruktúrás gáztöltésű detektorok vizsgálata. Szakdolgozat

A nagy hadron-ütköztető (LHC) és kísérletei

A RÉSZECSKEFIZIKA ANYAGELMÉLETE: A STANDARD MODELL

A DIFFÚZIÓS KÖDKAMRA ALKALMAZÁSI LEHETŐSÉGEI A KÖZÉPISKOLAI MAGFIZIKA OKTATÁSBAN

Készítette: Bujnóczki Tibor Lezárva:

Bírálat. Veres Gábor: Az erős kölcsönhatás kísérleti vizsgálata elemi részecskék és nehéz atommagok ütközéseinek összehasonlításával

Részecskés-lecsapós játék

Elektronspektrométerek fejlesztése az ATOMKI-ben ( )

Atomfizikai összefoglaló: radioaktív bomlás. Varga József. Debreceni Egyetem OEC Nukleáris Medicina Intézet Kötési energia (MeV) Tömegszám

A TÁRSULATI ÉLET HÍREI

Töltött részecske multiplicitás analízise 14 TeV-es p+p ütközésekben

Az ATOMKI ESS programja

Gyorsítók. Veszprémi Viktor ATOMKI, Debrecen. Supported by OTKA MB augusztus 16. Hungarian Teacher Program, CERN 1

RÉSZECSKÉK ÉS KÖLCSÖNHATÁSAIK (PARTICLES AND THEIR INTERACTIONS)

Fizika a gyógyítás szolgálatában

Tanulmány 50 ÉVES A CERN. Horváth Dezsõ a fizikai tudomány doktora RMKI, Budapest és ATOMKI, Debrecen horvath@rmki.kfki.hu. Magyar Tudomány 2005/6

Gamma-kamera SPECT PET

KOZMIKUS SUGÁRZÁS EXTRÉM ENERGIÁKON I. RÉSZ

A fizikaoktatás jövője a felsőfokú alapképzésben

Mikrokozmosz - makrokozmosz: hova lett az antianyag?

1. Ha két közeg határfelületén nem folyik vezetési áram, a mágneses térerősség vektorának a(z). komponense folytonos.

Az LHC első éve és eredményei

Az elemeket 3 csoportba osztjuk: Félfémek vagy átmeneti fémek nemfémek. fémek

A részecskefizika orvosi alkalmazásai

OSZTÁLYOZÓ VIZSGA TÉMAKÖREI

Részecskegyorsítók a hétköznapokban: ipari alkalmazások kezdőknek és haladóknak. Simonyi 100 nyitóelőadás

KVARKOK HÁBORÚJA - A RÉSZECSKÉK MÁR A RUBIK KOCKÁN VANNAK

JÁTSSZUNK RÉSZECSKEFIZIKÁT!

Bevezetés a részecskefizikába

Részecskék hullámtermészete

Környezetgazdálkodás ban gépészmérnöki diplomát szerzett Dr. Horváth Márk ben ő lett az első Fizikai Nobel-díj tulajdonosa.

Fizika a gyógyítás szolgálatában

9. Radioaktív sugárzás mérése Geiger-Müller-csővel. Preparátum helyének meghatározása. Aktivitás mérés.

A Standard Modellen túl. Cynolter Gábor

Átírás:

Milyen eszközökkel figyelhetők meg a világ legkisebb alkotórészei? Veres Gábor ELTE Fizikai Intézet Atomfizikai Tanszék e-mail: vg@ludens.elte.hu Az atomoktól a csillagokig előadássorozat nem csak középiskolásoknak ELTE, 2007. december 20.

Az anyag részecskékből áll ( részecskefizika ) Ha egy almát elkezdünk félbe és újból félbe vágni, akkor előbb-utóbb eljutunk az atomokhoz. Kérdés: Hány vágás szükséges? Válasz: Csak 84! Egyetlen atom atomok A mag keringő elektronokkal nanométer=0,000001 milliméter

Az elektromos vonzást fotonok közvetítik ATOMMAG

Részecskecsaládok + antirészecskéik

Barionok és mezonok

Kölcsönhatások

Hogyan lehet mindezt kísérletekkel vizsgálni? Szabad szemmel nem láthatók!!!

Emberi szem Tipikus felbontás: kb. 0,02 fok, azaz: 0,1mm (10-4 m)

Nagyítólencse Tipikus nagyítás: 2x 10x Felbontás : 10-100 mikron (10-5 - 10-4 m)

Optikai mikroszkóp 1600-as évek eleje Biológia, geológia Egysejtűek mérettartománya Tipikus nagyítás: 1500x Felbontás: 0,2 mikron (2 10-7 m) Infravörös: mélyebbre lát Röntgen: nagyobb felbontás hópelyhek

Elektronmikroszkóp Az elektron hullámhossza sokkal kisebb mint a látható fényé jobb felbontás. Nyalábenergia: 1-100 kev Felbontás: 1-10 nm (10-9 - 10-8 m) Nehézség: vákuumot igényel. Lencse helyett mágneses tér Érzékelő: foszfor-képernyő vagy CCD Pásztázó e.m.: felületet vizsgálunk vele, az elektronok visszaverődnek Transzmissziós e.m.: az elektronok átmennek a mintán Pollenek

Atomi erő mikroszkóp Első AFM: 1986 Felbontás: 0,1-1 nm (10-10 - 10-9 m) Nem szükséges a mintát fémmel bevonni, lefagyasztani, mint az elektronmikroszkópnál Nem szükséges vákuum Csak kis terület vizsgálható NaCl kristály atomjai

Hogyan tudunk még kisebb méretű részecskéket vizsgálni?

de Broglie hullámhossz λ = h/p, ahol h a Planck-állandó: h = 6,63 10-34 Js = 4,14 10-15 ev s p a részecske impulzusa. Ez határozza meg a mikroszkóp elvi felbontóképességét. Pl. 100 kev energiájú elektronra: p = 2mE = 2 511 100 = 320 kev/c =0,001 ev s/m λ = (4,14 10-15 ev s) / (0,001 ev s/m) = 4,14 10-12 m Egy 100 MeV energiájú elektron már relativisztikusan mozog. Ekkor: p 100 MeV/c = 0,33 ev s/m λ = 12,5 10-15 m = 12,5 fm. Ez már az atommag mérete! Egy 100 GeV energiájú elektronra már λ = 0,013 fm Alkalmas az atommag, proton, neutron belső részeinek vizsgálatára is!! Nagyobb energiájú részecskenyalábokra van szükség!

Részecskegyorsítók Gyorsítófizika: Nagyteljesítményű rádiófrekvenciás hullámok hidegfizika, folyékony He szupravezetés mágnes tervezés és gyártás vákuumtechnika Részecskenyalábok fizikája: egyrészecske-dinamika kollektív effektusok két nyaláb kölcsönhatása Klasszikus mechanika, kvantummechanika, nemlineáris dinamika, relativitáselmélet, elektrodinamika, számítástechnika

Történelem Első gyorsító: 1932 Előtte: csak természetes α források, pl. rádium Az egyetlen ismert magreakció ez volt: (Z,A)+ α (Z+1,A+3)+p Minden gyorsító elve: elektromos térrel való gyorsítás, (Töltött részecskék!) Nagyon változatos kivitelezés...

Gyorsítás elektromágneses térrel Lorentz-erő: Csak az elektromos tér gyorsit, a mágneses nem! 1 ev = 1,6 10-19 J Nagyobb egységei: kev, MeV, GeV, TeV

Kaszkád-feszültséggenerátor kondenzátorok diódák Váltófeszültség nagy egyenfeszültség Egyszerű, olcsó, könnyű (transzformátorhoz képest) Bármelyik szakaszról levehető a kívánt feszültség

Limitáció: 1 MV Átütési feszültség

Cockcroft-Walton, 1932 Max. 1 MV, feszültségduplázó áramkörökkel, Első proton-gyorsító. Ma: injektorokban alkalmazzák. 1951: Nobel-díj: p+li 2He (alagúteffektussal. 100 kev)

Van de Graaff, 1929 Mozgó szalagról állandó pozitív sztatikus töltésutánpótlás nagy, 10 MV feszültség! Ionforrás: a pozitívan töltött gömbben, +10 MV és a földpotenciál között gyorsulnak Feszültség növelése: tandem elv (1950). -először: negatív ionok. Pozitív terminál felé gyorsulnak stripper (elektronok eltávolítása) sokszorosan pozitívan töltött ionok visszafele (termináltól távolodva) is gyorsulnak! (pl. 25 MV, Holifield, Oak Ridge National Laboratory)

A van de Graaf generátor működési elve

Tandem van de Graaf generátor V max =25 MV

Limitációk: - mekkora potenciálkülönbség tartható fenn - negatív ion kell (egyes elemekre nincs, nehéz) - általában csak egyszeresen negatív ionok

Változó elektromos terek Lineáris gyorsító (LINAC) Csomagocskákban vannak az ionok Hosszú gyorsító kell! Változó tér kell!

Lineáris gyorsító (linac)

Ciklotron

Ciklotron 1929 Lawrence 1931 Livingston 80 kev 1932 Lawrence 1,2 MeV Pl. NSCL National Superconducting Cyclotron Laboratory, East Lansing, MI, USA (az Atomfizikai Tanszék aktív részvételével!)

NSCL ciklotron Michigan, USA

Szinkrotron Kiküszöböli a speciális relativitáselmélet miatti ciklotron-limitet: Mindig ugyanaz a pályasugár, miközben a mágneses teret fokozatosan növelik Rádiófrekvenciás oszcillátor: gyorsítás mint eddig. Példa: RHIC - Relativistic Heavy Ion Collider, NY, USA (az Atomfizikai Tanszék aktív részvételével!) 1949 elektronok 1952 3 GeV protonok 1955 Bevatron 6 GeV protonok

Modern szinkrotron, fókuszálással Dipól mágnesek kvadrupól mágnesek Minden mai szinkrotron így működik

Mai gyorsítók paraméterei Frascati Cornell KEK SLAC PEP-II SLAC SLC CERN LEP DESY HERA CERN SPS Tevatron CERN LHC Nem teljes lista!!! 0,5 GeV 6 GeV 8 GeV 12 GeV 50 GeV 105 GeV 30(920) GeV 300 GeV 1000 GeV 7000 GeV 1999 1979 1999 1999 1989 1989 1992 1981 1987 2008

Gyorsítóenergiák időfeljődése Tömegközépponti energia (GeV) Első fizikai eredmények éve

Milyen részecskét ütköztessünk? Elektronok: pontszerűek. Az energia teljesen az ütközésre fordítódik. Előny: Az energia pontosan ráállítható pl. egy részecsketömegre (W,Z), precíziós mérések Hátrány: Egy adott energia fölött túl sok szinkrotronsugárzás LEP Az energiát a proton összetevői hordozzák, de csak az egyik összetevő ütközik! Előny: Egyetlen energián sok folyamat tanulmányozható (felfedezések!) Hátrány: Kisebb energia fordítódik az ütközésre, mint a nyalábenergia LHC

β=0.37 β=0.997 200 MeV protonok ionok β=0.05

BNL AGS (Alternating Gradient Synchrotron) 1960 Egyik legsikeresebb gyorsító: 3 Nobel-díj: 1988: muon-neutrínó (Lederman, Schwartz, Steinberger), neutrínó-nyaláb 1980: CP-sértés (Cronin, Fitch). K L 2π 1976 Ting: J/Ψ (c kvark)

Gyorsítani már tudunk. Hogyan érzékeljük a keletkezett részecskéket? pl: nehézion-ütközések a RHIC-nél:

Példa: a PHOBOS kísérlet BNL, New York, USA gyűrű detektorok Oktagon detektor (az Atomfizikai Tanszék aktív részvételével!)

Félvezető detektorok a PHOBOS-ban Töltött részecskéket érzékelnek. Hasonlítanak a digitális fényképezőgéphez Gyűrű detektor Oktagon detektor Sok tízezer elektronikus csatorna

-5.5-3 0 +3 +5.5

Trigger: részecskék kiválogatása Szegmentált szcintillátor fal az Időmérő fallal (ToF) kombinálva: ToF mágneses tér elfogadva elutasítva Spektrométer Trigger fal Kiválogatja az érdekes eseményeket nagy p T -s (egyenes) részecskéket fogad el döntéshozatal 50 ns alatt

PHOBOS Spektrométer Trigger fal G.I. Veres et al: Nuclear Instr. and Meth., előkészületben

PHOBOS Trigger áramkör... Spektrométer trigger jelek

A repülési idő mérése: a részecskék azonosításának eszköze Öt évig tartó feljesztő munka 10-10 s alatti időfelbontás (3 fény-cm!) Három évig tartó adatfelvétel és kiértékelés PHOBOS repülési idő fal

Kitekintés: a jövőre beinduló LHC (CERN)

12500 t Si: 250 m 2 ECAL: 80000 kristály (PbWO 4 ) A CMS detektor

A CMS mágnes vasmagja (Eiffel-torony) már összeszerelve, de még a felszínen Benne lesz a valaha épült Legnagyobb szolenoid (4T)

A CMS detektor keresztmetszete

A CMS helye 2000-ben (Genf mellett)

A mágnes vasmagja 2002 2003

Egy CMS gyűrű a szerelőcsarnokban

A kísérleti csarnok a föld alatt 2003 2004

A felszíni szerelőcsarnok

A kaloriméter leeresztése daruval HF (Nov 06)

Szilícium nyomkövető

Kozmikus müonok mérése a föld alatt Bottom wedges HB Top wedges YB0 phi tower Eta tower

Nyomkövető megérkezése a helyszínre 2007. december 13, 03:00 ~ 3 am 13/12/07.

Elektromágneses kaloriméterek: fotonok és elektronok detektálása

Egy proton-proton ütközés képe F. Siklér: CMS NOTE AN-2006/100

Példa: K 0 s tömegspektrum p+p ütközésekben π + π K 0 s m 2 =(E 1 +E 2 ) 2 (p 1 +p 2 ) 2 F. Siklér: CMS NOTE AN-2006/101

ELTE részvétel a CMS-ben Formálisan 26 intézmény, fontosabbak: MIT, Moszkva, Budapest, UIC, Lyon, Kansas, Los Alamos. Kb. 30 aktív kutató. CMS (2000 fő) négy analízis csoporttal rendelkezik: nehézionok, Higgs, Standard Model, SUSY/BSM. Csoportunk: RMKI: ELTE: Siklér Ferenc V.G., Krajczár Krisztián, Patay Gergely

Physics Technical Design Report vol. III. Két fejezet ennek a magyar csoportnak a munkája! Cikkünk előkészületben: Proton-proton minimum bias események, részecskespektrumok (azonosított és azonosítatlan) - a CMS egyik első publikációja lehet!

Van-e mindennek köze a csillagokhoz? Ma már a csillagászoknak is kell tudniuk a részecskefizikát... asztro-részecskefizika.

Asztrofizika: neutron- és kvarkcsillagok RX J1856.5-3754 Ehhez hasonlót állítunk elő nehézionütköztetési kísérletekben!

A Super-K egy csónakkal A világűrből érkező neutrínókat figyelő hatalmas távcső

Az SK egy észlelése

A Hold képe föld alatti müonok detektálásával

Az Univerzum története Részecskegyorsítók NAGY BUMM

A Világegyetem összetétele

Összefoglalás A fizika sok alapvető kérdésére a kis mérettartományokban keressük a választ Ez nagy energiájú részecskék előállításával lehetséges A keletkező részecskéket érzékelnünk kell, nehéz technikailag Mindez a nemcsak az ATOMOK, hanem a CSILLAGOK megértéséhez is kell! Most érdemes csatlakozni a kutatáshoz: sok új felfedezés várható Nagyon változatos ELTE részvétel a kísérletekben: LHC gyorsító, CMS, és TOTEM kísérlet (CERN, Genf) RHIC gyorsító, PHENIX és PHOBOS kísérlet (New York, USA) NSCL, Michigan State University (East Lansing, Michigan, USA) SPS gyorsító, NA49 és NA61 kísérlet Jövőre indul az LHC, a világ legnagyobb részecskegyorsítója! MINDENKINEK KELLEMES ÜNNEPEKET!!!