Részecskegyorsítók. Barna Dániel. University of Tokyo Wigner Fizikai Kutatóközpont



Hasonló dokumentumok
Részecskefizikai gyorsítók

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

A részecskefizika kísérleti eszközei

Speciális mágnesek tervezése, szimulációja részecskegyorsítókhoz

2. tétel - Gyorsítók és nyalábok (x target, ütköz nyalábok, e, p, nyalábok).

Nehézion-ütköztetők, részecskegyorsítók

Mikrofizika egy óriási gyorsítón: a Nagy Hadron-ütköztető

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

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

A CERN bemutatása. Horváth Dezső MTA KFKI RMKI és ATOMKI Hungarian Teachers Programme, 2011

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

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

Theory hungarian (Hungary)

RÉSZECSKEGYORSÍTÓ CERN. Készítette: Laboda Lilla, Pokorny Orsolya, Vajda Bettina

Európai Nukleáris Kutatási Szervezet Európai Részecskefizikai Laboratórium. 58 év a részecskefizikai kutatásban

Európai Nukleáris Kutatási Szervezet Európai Részecskefizikai Laboratórium. 62 év a részecskefizikai kutatásban

A nagy hadron-ütköztető (LHC) és kísérletei

Milyen eszközökkel figyelhetők meg a világ legkisebb alkotórészei?

Megmérjük a láthatatlant

A legkisebb részecskék a világ legnagyobb gyorsítójában

Bemutatkozik a CERN Fodor Zoltán

Hadronok, atommagok, kvarkok

Indul az LHC: a kísérletek

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

CERN-i látogatás. A mágnesgyár az a hely,ahol a mágneseket tesztelik és nem igazán gyártják őket. Itt magyarázták el nekünk a gyorsító alkotórészeit.

CERN: a szubatomi részecskék kutatásának európai központja

Kozmikus sugárzás a laborban...?

Nehézion ütközések az európai Szupergyorsítóban

Siker vagy kudarc? Helyzetkép az LHC-ról

Röntgendiagnosztikai alapok

Atomfizika. Fizika kurzus Dr. Seres István

Fizika II. segédlet táv és levelező

Kísérleti és elméleti TDK a nagyenergiás magfizikai területein

Bemutatkozik a CERN. Fodor Zoltán HTP2015, Fodor Zoltán: Bemutatkozik a CERN

Az LHC első éve és eredményei

Atomfizika. Fizika kurzus Dr. Seres István

Gyorsítók a részecskefizikában

Az elektron hullámtermészete. Készítette Kiss László

Kirándulás a CERN-ben

Speciális relativitás

Atommodellek de Broglie hullámhossz Davisson-Germer-kísérlet

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

CERN - Genf kirándulás

Kvantumos információ megosztásának és feldolgozásának fizikai alapjai

Az LHC kísérleteinek helyzete

A nanotechnológia mikroszkópja

Magfizika tesztek. 1. Melyik részecske nem tartozik a nukleonok közé? a) elektron b) proton c) neutron d) egyik sem

Modern fizika vegyes tesztek

Röntgensugárzás az orvostudományban. Röntgen kép és Komputer tomográf (CT)

A testek részecskéinek szerkezete

A sötét anyag nyomában. Krasznahorkay Attila MTA Atomki, Debrecen

FIZIKA II. Dr. Rácz Ervin. egyetemi docens

Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal

Fizika 2 (Modern fizika szemlélete) feladatsor

Elektrosztatika Mekkora két egyenlő nagyságú töltés taszítja egymást 10 m távolságból 100 N nagyságú erővel? megoldás

Detektorok. Fodor Zoltán MTA-KFKI Részecske és Magfizikai Kutató Intézete. Hungarian Teachers Programme 2010 CERN

A fény mint elektromágneses hullám és mint fényrészecske

Biofizika. Sugárzások. Csik Gabriella. Mi a biofizika tárgya? Mi a biofizika tárgya? Biológiai jelenségek fizikai leírása/értelmezése

Detektorok. Fodor Zoltán. MTA Wigner FK RMI. Hungarian Teachers Programme 2012

Kvarkok. Mag és részecskefizika 2. előadás Február 23. MRF2 Kvarkok, neutrínók

NA61/SHINE: Az erősen kölcsönható anyag fázisdiagramja

MATROSHKA kísérletek a Nemzetközi Űrállomáson. Kató Zoltán, Pálfalvi József

Részecskegyorsítókkal az Ősrobbanás nyomában

Atomfizika. A hidrogén lámpa színképei. Elektronok H atom. Fényképlemez. emisszió H 2. gáz

Fókuszált ionsugaras megmunkálás

Az expanziós ködkamra

Silvas János. Beszámoló a svájci utazásról

Thomson-modell (puding-modell)

A lézer alapjairól (az iskolában)

JÁTSSZUNK RÉSZECSKEFIZIKÁT!

Vélemény Siklér Ferenc tudományos doktori disszertációjáról

Előadás menete. Magfúzióból nyerhető energia és az energiatermelés feltétele. Fúziós kutatási ágazatok

Mit értünk a termikus neutronok fogalma alatt? Becsüljük meg a sebességüket 27 o C hőmérsékleten!

Detektorok. Siklér Ferenc MTA KFKI Részecske- és Magfizikai Kutatóintézet Budapest

FIZIKA. Sugárzunk az elégedettségtől! (Atomfizika) Dr. Seres István

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

Fókuszált ionsugaras megmunkálás

ALICE : A Nagy Ion Ütköztető Kísérlet

Indul az LHC, a világ legnagyobb mikroszkópja

Tömegspektrometria. Tömeganalizátorok

Elektrodinamika. Maxwell egyenletek: Kontinuitási egyenlet: div n v =0. div E =4 div B =0. rot E = rot B=

Sugárterápia. Ionizáló sugárzások elnyelődésének következményei

Az atommag összetétele, radioaktivitás

Radiológiai technikák

ELTE Fizikai Intézet. FEI Quanta 3D FEG kétsugaras pásztázó elektronmikroszkóp

Radiokémia vegyész MSc radiokémia szakirány Kónya József, M. Nagy Noémi: Izotópia I és II. Debreceni Egyetemi Kiadó, 2007, 2008.

ALICE: az Univerzum ősanyaga földi laboratóriumban. CERN20, MTA Budapest, október 3.

Atommodellek. Az atom szerkezete. Atommodellek. Atommodellek. Atommodellek, A Rutherford-kísérlet. Atommodellek

Az atomhéj (atommag körüli elektronok) fizikáját a kvantumfizika írja le teljes körűen.

A CERN és a gyógyítás. Ujvári Balázs Gamma Sugársebészeti Központ Debrecen ( )

Kvarkok. Mag és részecskefizika 2. előadás Február 24. MRF2 Kvarkok, neutrínók

Z bozonok az LHC nehézion programjában

Építsünk Univerzumot!

Részecskefizika és az LHC: Válasz a kérdésekre

Indul a Nagy hadron-ütköztető: hová és minek?

Röntgensugárzás. Röntgensugárzás

Radioaktív sugárzások tulajdonságai és kölcsönhatásuk az elnyelő közeggel. A radioaktív sugárzások detektálása.

Úton az elemi részecskék felé. Atommag és részecskefizika 2. előadás február 16.

Sugárterápia. Ionizáló sugárzások elnyelődésének következményei. Konzultáció: minden hétfőn 15 órakor. 1. Fizikai történések

Gyakorlat 30B-14. a F L = e E + ( e)v B képlet, a gravitációs erőt a (2.1) G = m e g (2.2)

Átírás:

Részecskegyorsítók Barna Dániel University of Tokyo Wigner Fizikai Kutatóközpont Részecskegyorsítók a háztartásban Töltött részecskék manipulálása Miért akarunk nagyenergiás gyorsítókat? A klasszikus nagyenergiás gyorsítók részei és alapelvek Kitekintés, tervek...

Energia mértékegység 1 elektronvolt = e * V 1 elemi töltésű részecske 1 Volt potenciálkülönbség befutása során szerzett energiája ev, kev, MeV, GeV, TeV Q=1e + 1 Volt

Töltött részecskék manipulálása Mágneses tér: B Elektromos tér: E F=q v B Mindig merőleges a sebességre Munkát nem végez (azaz NEM GYORSÍT, nem tudja növelni az energiát!!!) Csak ELTÉRÍT A részecske sebességével nő, tehát nagy energián hatékony F=q E CSAK az elektromos tér tud gyorsítani - növelni az energiát Természetesen eltéríteni is tud, de....nem növekszik a részecske sebességével Kis energián praktikus eltérítésre, fókuszálásra

Töltött részecskék manipulálása MINDIG az elektromos tér gyorsít (de rengeteg módja van, hogy hogy állítsuk elő ezt az elektromos teret) Nagyenergiás részecskegyorsítókban tipikusan mágnesek térítik el (tartják körpályán, fókuszálják) a nyalábot Gyorsítómágnes = a gyorsító mágnese olyan mágnes ami gyorsít

Röntgen-cső 10-100 kev mini elektron-gyorsító

Katódsugaras TV

Katódsugaras TV https://en.wikipedia.org/wiki/file:crt14.jpg

Katódsugaras TV (néhány 10 kv) B

Katódsugaras TV Ne dobjuk ki a régi TV-t, vigyük be a fizika szertárba! Ki tudja meddig találunk még ilyet egyáltalán Olcsó és nagyon tanulságos szemléltetőeszköz Egy erős mágnessel (pl. rossz merevlemezből lehet kiszerelni) lehet demonstrálni a mágneses tér hatását az elektronokra Ennél többet is ki lehet vele hozni (...)

Elektron mikroszkóp 40-400 kv Elektron ágyú Mágneses lencsék Eltérítő mágnes-párok Minta

Apropó mikroszkóp... A mikroszkóp felbontását a használt fény (vagy általában: sugárzás) hullámhossza limitálja. Nádszál << λ A nádszál nem sok vizet zavar, mögötte nem fog megváltozni a hullámforma Ez a hosszú hullám nem alkalmas a kis objektumok feltérképezésére λ

Apropó mikroszkóp... A mikroszkóp felbontását a használt fény (vagy általában: sugárzás) hullámhossza limitálja. Fal λ A fal mögött jelentősen megváltozik a hullámforma Ekkora (λ) objektumok feltérképezésére már használható ez a hullám λ

Apropó mikroszkóp... de Broglie összefüggés: h λ= p Nagyobb energia rövidebb hullámhossz nagyobb felbontás Fény: pár száz nm pl sejtek Elektronok: 100 pm alatt atomok

Mit látunk még nagyobb energiájú hullámokkal? (azaz: mi van még kisebb skálán?) Proton Kvark Neutron Atommag Elektron Atom 10-10 m 10-14 m 10-15 m 10-18 m

Mi másért kell nagy energia új részecskék keltése E = m c2 Minél nagyobb energia áll rendelkezésünkre annál nagyobb tömegű új, eddig nem látott részecskéket fedezhetünk fel

Miben más még mint a hagyományos mikroszkópok? Hagyományos mikroszkópban valami más objektumot vizsgálunk egy adott sugárzással A nagyenergiás gyorsítókban használt hullám v. sugárzás által vizsgált minta már gyakran saját maga... : ha két nyalábot egymásnak ütköztetünk.

Nagyenergiás gyorsító komplexumok CMS LHC Több fokozatból állnak: Forrás Lineáris szakasz Gyűrű szakaszok SPS Alice Atlas LHC-b West Area East Area PSB PS Leir p Pb ionok

A részecskeforrás CMS LHC SPS Alice Atlas LHC-b West Area East Area PSB PS Leir p Pb ionok

Mennyi hidrogént fogyasztunk? CERN-LHC: ~ 1011 proton egy csomagban 2808 csomag kering egy irányban ~ 5 x 1014 proton van egyszerre a gyűrűben 10 óránként töltik újra a gyűrűt 106 év alatt használ el (az LHC) 1 g hidrogént A teljes CERN gyorsítókomplexum (más gyorsítók és kísérletek) összesen kb 50x ennyi hidrogént fogyasztanak. Paul Scherrer Institute (PSI) Svájc Ciklotron gyorsító, a világ legintenzívebb, folyamatos proton nyalábja: 2.2 ma 500 nap alatt 1 g hidrogént

H2-ből protonok? Duoplasmatron hidrogén Fűtött katód + +

H2-ből protonok? Elektronok Mágnes hidrogén Mágnes Fűtött katód + +

H2-ből protonok? Ionizált hidrogén plazma (protonok & elektronok) hidrogén protonok Fűtött katód 92 kv + +

H2-ből protonok? A legelső gyorsítófokozat tipikusan már a részecskeforrásokon belül hidrogén Ugyanaz az elv, mint a korábbi példákban (TV, Röntgen cső, elektron mikroszkóp) protonok Fűtött katód 92 kv + +

Elektrosztatikus gyorsítás KFKI Wigner Fizikai Kutatóközpont 5 MeV-es Van de Graaff gyorsítója Nagy méretek Elektromos átütés veszélye (5 millió volt!) Nem nagyon lehet ezt az energiát meghaladni (A fizika szertár nagyon hatásos eszköze egy Van de Graaff generátor!!!)

Magasabb energia hogyan? Nem lehetne valahogyan többször felhasználni ugyanazt a teret? Minden áthaladásnál gyorsítana... NEM az elektrosztatikus tér konzervatív, a részecske mozgási energiája kizárólag a helyének a függvénye, függetlenül attól, hogy milyen úton jutott oda. Ha az elektrosztatikus térrel ez nem működik, talán időben változó tér...? IGEN!

A lineáris gyorsítószakasz CMS LHC Linear Accelerator =Linac SPS Alice Atlas LHC-b West Area East Area PSB PS Leir p Pb ionok

Drift tube linac

Drift tube linac 180o-kal később az elektromos tér minden résben előjelet vált Megfelelő szinkron esetén a részecske mindig a gyorsító fázisban halad át a résen A részecskék csomagokban érkeznek csak így lehetséges a szinkron. Ez a gyorsító tipikusan az első (lineáris) szakaszban található

CERN Linac4 (a következő proton injektor) 50 MeV energia

CERN Linac4 (a következő proton injektor) 50 MeV energia Zárt rádiófrekvenciás rezonátor (rezonátor = a tárolt energia két megjelenési forma között oszcillál: elektromos-mágneses) pl. inga: helyzeti és mozgási energia

A gyűrű gyorsítószakasz(ok) v = 0.999999 c Miért gyűrű? CMS LHC SPS Alice Atlas LHC-b Ugyanaz a gyorsítórezonátor többször is felhasználható Szemben futó nyalábokat lehet ütköztetni jóval nagyobb tömegközépponti energia A nem ütköző részecskék kapnak egy új esélyt West Area East Area PSB PS v = 0.999 c v = 0.3 c Leir p Pb ionok v = 0.87 c Miért több gyűrű? Egy gyűrű kb. 1 nagyságrendet tud növelni az energián Egyre nagyobb gyűrűk

A gyűrű gyorsítószakasz szektor gyorsító rezonátor eltérítő mágnes fókuszáló mágnes (rövid egyenes) kilövés Ütközési pont Fix céltárgyas kísérlet, vagy Dump belövés

A gyűrű gyorsítószakasz szektor gyorsító rezonátor a Szinkrotron: kilövés Fix céltárgyas kísérlet, vagy Dump nyaláb növekvő energiájával eltérítő szinkronbanmágnes változtatják a mágnesek fókuszáló mágnes erősségét (ugyanazon a körpályán kell tartani) a gyorsító rezonátor frekvenciáját (csökken Ütközési pont a keringési idő) belövés

Gyorsító rezonátor az egyenes szakaszokban Többcellás rezonátor Réz vagy szupravezető (niobium)

Gyorsító rezonátor az egyenes szakaszokban

Gyorsító rezonátor az egyenes szakaszokban

Gyorsító rezonátor az egyenes szakaszokban

Gyorsító rezonátor az egyenes szakaszokban

Gyorsító rezonátor az egyenes szakaszokban

Gyorsító rezonátor az egyenes szakaszokban

Gyorsító rezonátor az egyenes szakaszokban

Gyorsító rezonátor az egyenes szakaszokban

Eltérítő mágnesek Cél: homogén mágneses teret létrehozni Normál vezető dipól mágnes LHC szupravezető mágnesei B=8.4 Tesla, T=1.9 Kelvin

Eltérítő mágnesek Cél: homogén mágneses teret létrehozni Normál vezető dipól mágnes LHC szupravezető mágnesei B=8.4 Tesla, T=1.9 Kelvin

Fókuszáló mágnesek az egyenes szakaszokban Egy valódi nyalábban mindig kicsit széttartó részecskék vannak Az ideális pályától eltérő részecskéket vissza kell téríteni a helyes nyomvonalra D É É D É D DÉ

Fókuszáló mágnesek az egyenes szakaszokban Egy valódi nyalábban mindig kicsit széttartó részecskék vannak Az ideális pályától eltérő részecskéket vissza kell téríteni a helyes nyomvonalra D É É D Egyik síkban fókuszál, másikban defókuszál Váltakozva egymás után: eredő fókuszálás (optikai analógia):

Részecskegyorsítók felhasználása világszerte Világszerte kb. 26000 részecskegyorsító üzemel 44% sugárterápiás kezelés (60-250 MeV) 41% ion implantáció (~ 100 kev nagyságrend), pl félvezető gyártás fém felületkezelés (pl nitrogén implantáció) késekbe, fúróhegyekbe 9% ipari alkalmazás, kutatás 4% orvosbiológiai alkalmazás, kutatás 1% orvosi rádióizotóp gyártás 1% nagyenergiás (>1 GeV) fizika Energia világcsúcstartó: LHC 14 TeV (7+7 TeV)

Kitekintés: FCC (CERN) FCC Future Circular Collider Az LHC-t injektorként (előgyorsítóként) használva, 100 km kerületű, 100 TeV ütközési energiájú proton-proton ütköztető

Kitekintés: Kínai super proton collider 52 km kerületű 240 GeV ütközési energiájú elektron-pozitron ütköztető 70 TeV ütközési energiájú proton-proton ütköztető

Kitekintés: CLIC Compact Linear Collider (@ CERN) Lineáris elektron-pozitron ütköztető 3 TeV teljes ütközési energia Drive elektron nyalábok Fő elektron nyaláb gyorsító struktúrák Fő pozitron nyaláb Ütközési pont Detektor

Kitekintés: ILC International Linear Collider Lineáris elektron-pozitron ütköztető 500 GeV ütközési energia, 31 km hossz m 31 k

Összefoglalás Akár a mindennapokban is találkozhatunk részecskegyorsítókkal, amik ugyanazokat az elveket használják, mint az igazi részecskegyorsítók. Az egyre nagyobb energiák azért kellenek, hogy egyre kisebb részecskékbe is bele tudjunk nézni új, nagy tömegű részecskéket fedezhessünk fel Nagy energiákat több gyorsítófokozattal érhetünk el: forrás lineáris gyűrű Kísérletek lehetnek ütköző-nyalábosak vagy fix céltárgyasak Igen ambíciózus gyorsítóépítési tervek...

Ezeket érdemes végiggondolni, kiszámolni meglepő számok fognak kijönni! (szeretnél beszélni róla? - daniel.barna@cern.ch) Hogyan tudjuk a részecskéket a gyűrűkből ki, illetve a gyűrűkbe belőni? Nem taszítják egymást a nyaláb azonos töltésű részecskéi? Hogyan maradnak mégis együtt nyalábként? 2808 csomag kering 1 irányban, 1011 proton van egy csomagban, egy proton energiája 7 TeV. Mekkora a teljes nyaláb energiája? Mekkora tömegű, v=100 km/h sebességű járműnek ugyanekkora a mozgási energiája? Mi történik, ha egy mágnes elszáll és nem tudja körpályán tartani ezt a nyalábot? Hogyan tudunk egyáltalán megszabadulni ettől a borzalmas energiát tároló nyalábtól? 1 eltérítő mágnesben tárolt mágneses energia 7 MJ. Mekkora sebességre lehetne felgyorsítani ezzel az energiával egy 1 tonnás járművet? Mi történik, ha egy szupravezető mágnes elszáll (quench) és egy kis ponton normál vezetővé válik? A gyorsításhoz a részecskéknek csomagokban kell érkezniük. Hogyan maradnak együtt órákon keresztül, csomagokban, jóllehet a sebességük mindig kicsit eltérő?