Óriás kísérleti eszközök gyorsítók (és detektorok)

Óriás kísérleti eszközökÓriás kísérleti eszközökGyorsítók és detektorokGyorsítók és detektorok

Középiskolai Fizikatanári AnkétKözépiskolai Fizikatanári AnkétBékéscsaba 2008. 03.26-30Békéscsaba 2008. 03.26-30

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Nukleáris Technika TanszékEgyetem, Nukleáris Technika Tanszék

11/27/27

Óriás kísérleti eszközökÓriás kísérleti eszközök gyorsítók (és detektorok)gyorsítók (és detektorok)

Dr. Sükösd CsabaDr. Sükösd Csabaegyetemi docens, tanszékvezetőegyetemi docens, tanszékvezető




22/27/27

TartalomTartalom

1.1. Részecskegyorsítás, de minek? Részecskegyorsítás, de minek?

2.2. Nagy energia, de minek? Nagy energia, de minek?

3.3. Részecskegyorsító fő részei és három alapelveRészecskegyorsító fő részei és három alapelve

4.4. Lineáris gyorsító, SLACLineáris gyorsító, SLAC

5.5. Ciklotron Ciklotron

6.6. Nagy energiák problémái és a gyorsítógyűrűNagy energiák problémái és a gyorsítógyűrű

7.7. A CERN gyorsítóinak történeteA CERN gyorsítóinak története

8.8. A LEP és az LHC, és detektoraik A LEP és az LHC, és detektoraik

9.9. KitekintésKitekintés




33/27/27

Részecskegyorsítás, de minek?Részecskegyorsítás, de minek? Hol használnak részecskegyorsítókat? Hol használnak részecskegyorsítókat?

• AlapkutatásAlapkutatás (nagy energiájú fizika, magfizika, (nagy energiájú fizika, magfizika, szilárdtestfizika, biológia stb.) szilárdtestfizika, biológia stb.)

• Elektron-nyaláb hegesztés (Elektron-nyaláb hegesztés (iparipar))• Félvezetőgyártás (Félvezetőgyártás (iparipar))• Elektronmikroszkóp (rengeteg alkalmazás)Elektronmikroszkóp (rengeteg alkalmazás)• Gáz-lézerek és szabadelektron-lézerek meghajtásaGáz-lézerek és szabadelektron-lézerek meghajtása• Műanyagok térhálósítása (Műanyagok térhálósítása (vegyiparvegyipar))• OrvosiOrvosi alkalmazások (radioizotópok előállítása, közvetlen alkalmazások (radioizotópok előállítása, közvetlen

besugárzások, sterilizálás stb.)besugárzások, sterilizálás stb.)• Élelmiszerek besugárzása (Élelmiszerek besugárzása (mezőgazdaságmezőgazdaság))• Röntgen-csövek, és Rtg-sugárzás felhasználása (Röntgen-csövek, és Rtg-sugárzás felhasználása (iparipar, ,

gyógyításgyógyítás stb.) stb.)• Elektron- és ionszórásos felületvizsgálatok (Elektron- és ionszórásos felületvizsgálatok (iparipar))• Fúziós berendezések, plazmafűtésFúziós berendezések, plazmafűtés• RadioaktívRadioaktív melléktermékek transzmutációja... stb. melléktermékek transzmutációja... stb.




44/27/27

Miért kell egyre nagyobb energia? Miért kell egyre nagyobb energia? 1) 1) FelbontóképességFelbontóképesség ~ ~

Az anyag finom részleteinek megismeréséhez egyre kisebbAz anyag finom részleteinek megismeréséhez egyre kisebb kell.kell.

De: (De: (de Broglie hullámhosszde Broglie hullámhossz)) nagy lendület kell! nagy lendület kell! p

h

Nagy lendületNagy lendületNagy tömegNagy tömeg

Nagy sebességNagy sebesség

(csak akkor jó, ha „(csak akkor jó, ha „elemi részecskeelemi részecske”)”)

Példák:Példák:• Elektronmikroszkóp felbontóképessége jobb, mint a fénymikr.-éElektronmikroszkóp felbontóképessége jobb, mint a fénymikr.-é• Rutherford-kísérletben Rutherford-kísérletben -részecske hullámhossza~10-részecske hullámhossza~10-14-14 m (elemi?) m (elemi?)• Nagy energiájú elektronokkal meglátni a kvarkokat a protonbanNagy energiájú elektronokkal meglátni a kvarkokat a protonban

gyorsítókgyorsítók




55/27/27

Miért kell egyre nagyobb energia? Miért kell egyre nagyobb energia? 2) 2) Új részecskék keltése (részecskefizika)Új részecskék keltése (részecskefizika)

Ha Ha mm00cc22 –nél nagyobb energiát koncentrálunk, akkor egy –nél nagyobb energiát koncentrálunk, akkor egy mm00

nyugalmi tömegű részecske létrejöhet .nyugalmi tömegű részecske létrejöhet .

Compton-hullámhossz:Compton-hullámhossz: cm

hC

0

20cmh

20cm

ch

Ennél rövidebbEnnél rövidebb már létre tudja hozni a részecskét, ezért egy már létre tudja hozni a részecskét, ezért egy mm0 0

tömegű részecske helyét legfeljebb ilyen pontossággal lehet tömegű részecske helyét legfeljebb ilyen pontossággal lehet meghatároznimeghatározni ! !

Ebből:Ebből:cm

h

0

azazazaz




66/27/27

Részecskegyorsító főbb részei:Részecskegyorsító főbb részei:

UqEkin

Otthon is van részecskegyorsítód!Otthon is van részecskegyorsítód!

Három alapelvHárom alapelv 1) 1) Gyorsítás:Gyorsítás: UU potenciálkülönbségen potenciálkülönbségen

áthaladó részecske kinetikusenergia-áthaladó részecske kinetikusenergia-változása: változása:

1 eV1 eV = = 1,61,6∙10∙10-19-19 [Cb]∙ 1 [V] [Cb]∙ 1 [V] = = 1,6∙101,6∙10-19-19 [J] [J](ekkora energiát kap egy elektron/proton (ekkora energiát kap egy elektron/proton 1 V feszültség-különbség hatására)1 V feszültség-különbség hatására)

1 GeV=101 GeV=1099 eV, eV,

1 TeV=101 TeV=101212 eV eV

giga- giga-

tera-tera-




77/27/27

2) 2) Részecskenyaláb „terelése”:Részecskenyaláb „terelése”: elektromágneses (Lorentz) erő: elektromágneses (Lorentz) erő:

BvEF

q

3) 3) Faraday „kalitka”Faraday „kalitka” Fémdoboz belsejében az Fémdoboz belsejében az elektromos térerősség: E=0 elektromos térerősség: E=0

elektromoselektromostérerősségtérerősség

mágnesesmágnesesindukcióindukció

részecskerészecskesebességesebessége




88/27/27

Első alkalmazás: lineáris gyorsítóElső alkalmazás: lineáris gyorsító

Gyorsítás: csak az elektródok közötti térben (belül: Faraday-kalitka)Gyorsítás: csak az elektródok közötti térben (belül: Faraday-kalitka)Az elektródok hossza változik, hogy mindig jó fázisban érjék el aAz elektródok hossza változik, hogy mindig jó fázisban érjék el agyorsítórést az egyre nagyobb sebességű részecskék. gyorsítórést az egyre nagyobb sebességű részecskék.

Relativisztikus tartományban v~c, a sebesség nem nő továbbRelativisztikus tartományban v~c, a sebesség nem nő továbbállandó méretű elektródok üregrezonátor hozható létreállandó méretű elektródok üregrezonátor hozható létre




99/27/27

SLACSLACSStanford tanford LLinear inear ACACceleratorcelerator

Hossza: 3,2 kmHossza: 3,2 kmRészecskék: elektron, pozitronRészecskék: elektron, pozitronE~ 50 GeVE~ 50 GeV3 Nobel-díj:3 Nobel-díj:1976: J/1976: J/ részecske (c-kvark) részecske (c-kvark)1990: kvarkok a p és a n belsejében1990: kvarkok a p és a n belsejében1995: 1995: - lepton. - lepton.

A világ legnagyobb lineáris A világ legnagyobb lineáris gyorsítójagyorsítója

A részecskék „csomagokban”A részecskék „csomagokban”gyorsulnak. Fázisfókuszálásgyorsulnak. Fázisfókuszálás

(a csomaghoz(a csomaghoz képest)képest)




1010/27/27

Homogén mágneses térben, a B-reHomogén mágneses térben, a B-remerőlegesen belépő részecskékre: merőlegesen belépő részecskékre:

Brqmr 2

centrip. erő = Lorentz erőcentrip. erő = Lorentz erőEbből kapjuk:Ebből kapjuk:

m

Bq = állandó, (amíg = állandó, (amíg mm is állandó) is állandó)

Második alkalmazás: ciklotronMásodik alkalmazás: ciklotron

rv

Gyorsító elektródán belülGyorsító elektródán belül„„Faraday-kalitka”Faraday-kalitka”Gyorsítás: az elektródák Gyorsítás: az elektródák

közöttközött

((FF ┴ ┴ vv, , körpálya)körpálya)




1111/27/27

2

222222

2

1

2

1

2

1

m

BqmrmrmE v

Orvosi alkalmazású Orvosi alkalmazású ciklotron (Orsay, Fr.ország)ciklotron (Orsay, Fr.ország)

Ciklotronból a levegőbe kilépőCiklotronból a levegőbe kilépőprotonsugár protonsugár

222

max 2R

m

BqE

(R(R a ciklotron a ciklotron

sugara)sugara)

Ciklotronnal előállítható maximális energia:Ciklotronnal előállítható maximális energia:




1212/27/27

Nagy energiáknál két probléma: Nagy energiáknál két probléma:

1) 1) m

Bq De az energia növekedésével De az energia növekedésével

mm is nő (relativisztikusan) is nő (relativisztikusan) 2

2

0

1c

mm

v

Két lehetséges megoldás: Két lehetséges megoldás: BB növelése (relativisztikus ciklotron)növelése (relativisztikus ciklotron)

csökkentése (szinkrociklotron)csökkentése (szinkrociklotron)

2) Számpélda:2) Számpélda:Gyorsítsunk protonokat Gyorsítsunk protonokat EEmaxmax= 50 GeV energiára! Legyen = 50 GeV energiára! Legyen BB = 3 T = 3 TMekkora sugarú ciklotronra lenne szükség? Mekkora sugarú ciklotronra lenne szükség? Relativisztikus számolással kapjuk Relativisztikus számolással kapjuk RR ~ 52 m ~ 52 mA mágnespofák tömege ~45000 t!A mágnespofák tömege ~45000 t!A súlyához még a mágneses vonzás is hozzájárul. A súlyához még a mágneses vonzás is hozzájárul. És ezt nem lehet belül alátámasztani!!! És ezt nem lehet belül alátámasztani!!!

megoldás!megoldás!




1313/27/27

GyorsítógyűrűGyorsítógyűrű! ! Állandó pályasugáron tartani, tehát a gyorsítás során Állandó pályasugáron tartani, tehát a gyorsítás során BB növelése. növelése.

Gyorsító (és tároló) gyűrű felépítéseGyorsító (és tároló) gyűrű felépítéseMűködési fázisokMűködési fázisok(A rajz nem teljesen jó, hiszen a pálya csak (A rajz nem teljesen jó, hiszen a pálya csak

ott görbül, ahol hajlító mágnes van!)ott görbül, ahol hajlító mágnes van!)

(ehhez a lineáris gyorsító „körbehajlításával” is eljuthatunk)(ehhez a lineáris gyorsító „körbehajlításával” is eljuthatunk)




1414/27/27

A CERN nagy gyorsítóinak történeteA CERN nagy gyorsítóinak története

1959: 1959: Proton szinkrotronProton szinkrotron (PS) (PS) 28 GeV28 GeV protonok protonok föld alatti elhelyezésföld alatti elhelyezés kerülete 628 mkerülete 628 m




1515/27/27


1976: 1976: Super Proton SzinkrotronSuper Proton Szinkrotron (SPS) (SPS) 400 GeV400 GeV protonok protonok föld alatti elhelyezésföld alatti elhelyezés kerülete 6 kmkerülete 6 km

Lineáris gyorsító ésLineáris gyorsító és„„preinjektor”preinjektor”




1616/27/27


1981: Carlo Rubbia javaslata:1981: Carlo Rubbia javaslata: ütközőnyalábok ütközőnyalábok protonok és antiprotonokprotonok és antiprotonok „ „Antiproton accumulator”Antiproton accumulator”1984: Antiproton Collector1984: Antiproton Collector

1984: 1984: C.Rubbia és Van der Meer felfedezik aC.Rubbia és Van der Meer felfedezik a Z Z00, , majd amajd a W W részecskéketrészecskéket




1717/27/27


45 GeV elektron-pozitron45 GeV elektron-pozitron tárológyűrűtárológyűrű

1989-2000 LEP1989-2000 LEP




1818/27/27

A CERN gyorsítói légifényképre rajzolvaA CERN gyorsítói légifényképre rajzolva




1919/27/27

A LEP (Large Electron-Positron Collider) néhány adata:A LEP (Large Electron-Positron Collider) néhány adata: • Maximális energia: 50 GeV (elektron)Maximális energia: 50 GeV (elektron) ütközésben:ütközésben: 100 GeV100 GeV ((mmZZcc22 =91,25 GeV) =91,25 GeV)• 50 – 150 méterrel a felszín alatt fúrt50 – 150 méterrel a felszín alatt fúrt alagútbanalagútban van (volt).van (volt). • Kerülete:Kerülete: 27 km27 km (Franciaország és Svájc (Franciaország és Svájc határán is átlép) határán is átlép)

• 4 elektron-, 4 pozitroncsomag4 elektron-, 4 pozitroncsomag egymással szemben egymással szemben• 250 milliárd részecske/csomag250 milliárd részecske/csomag• 11200 fordulat/s11200 fordulat/s




2020/27/27

Az ALEPH detektor építés alattAz ALEPH detektor építés alatt

Négy hatalmas detektorNégy hatalmas detektor (egyenként kb. 3000 tonna)(egyenként kb. 3000 tonna)




2121/27/27

További tervek:További tervek:

Large Hadron Collider (LHC)Large Hadron Collider (LHC)

• Jelenleg építés alatt (2008-ban indul!)Jelenleg építés alatt (2008-ban indul!)• A LEP alagútjábanA LEP alagútjában• szupravezető mágnesek (8,2 T!!)szupravezető mágnesek (8,2 T!!)• Első lépésben proton-proton ütközés,Első lépésben proton-proton ütközés,• Később akárKésőbb akár ólom-ólom ütközés is (!!)ólom-ólom ütközés is (!!)• Energia: 7000 GeV/proton,Energia: 7000 GeV/proton, ütközésbenütközésben 14000 GeV14000 GeV(!!!)(!!!)• Egy csomagban 100 milliárd részecskeEgy csomagban 100 milliárd részecske• Négy nagy detektor: Négy nagy detektor: ALICE, ATLAS, CMS, LHC-B ALICE, ATLAS, CMS, LHC-B

A CMS detektor építés alattA CMS detektor építés alatt




2222/27/27




2323/27/27

Az LHC alagútjábanAz LHC alagútjában




2424/27/27

Az ATLAS detektorAz ATLAS detektor




2525/27/27

Sokat tudunk már, de nagyon sok a nyitott kérdés is! Sokat tudunk már, de nagyon sok a nyitott kérdés is! 1) Miért éppen 3 részecske-család van? 1) Miért éppen 3 részecske-család van?

(kvarkoknál, és leptonoknál is) (kvarkoknál, és leptonoknál is)2) Miért 4 féle kölcsönhatás van?2) Miért 4 féle kölcsönhatás van?3) Miért olyan különbözőek ezek a kölcsönhatások?3) Miért olyan különbözőek ezek a kölcsönhatások?4) Miért akkorák a részecskék tömegei, mint éppen amekkorák?4) Miért akkorák a részecskék tömegei, mint éppen amekkorák?5) Miért nincs antianyag az Univerzumban, amikor a törvények 5) Miért nincs antianyag az Univerzumban, amikor a törvények

nagyon szimmetrikusak?nagyon szimmetrikusak?

Az LHC (és a CERN) ezek megválaszolásában segíthet!Az LHC (és a CERN) ezek megválaszolásában segíthet!1)1) Talán megtalálható lesz a feltételezettTalán megtalálható lesz a feltételezett Higgs-részecskeHiggs-részecske, , amely amely

tömeget ad a részecskéknektömeget ad a részecskéknek2)2) Talán még nagyobb energiákon sikerül a kölcsönhatásokTalán még nagyobb energiákon sikerül a kölcsönhatások

továbbitovábbi egyesítéseegyesítése (SUSY – szuperszimmetria), GUT, TOE(SUSY – szuperszimmetria), GUT, TOE3)3) Talán megtalálható azTalán megtalálható az anyag-antianyag anyag-antianyag aszimmetria igazi okaaszimmetria igazi oka




2626/27/27

Lehet, hogy ezekre választ kapunk az LHC működésekorLehet, hogy ezekre választ kapunk az LHC működésekor…

… … de az is lehet, hogy nem…de az is lehet, hogy nem…

DE! DE! Egészen biztos, hogy a Természet Egészen biztos, hogy a Természet még tartogat olyan meglepetése-még tartogat olyan meglepetése-ket, amelyekre nem is számítunk, ket, amelyekre nem is számítunk, és amelyekre jelenleg nem is gon-és amelyekre jelenleg nem is gon-dolunk!dolunk!

A Természet megismerésének A Természet megismerésének évezredes évezredes kalandjában a kalandjában a CERNCERN-nek fontos szerepe van!-nek fontos szerepe van!




2727/27/27

Köszönöm a megtisztelő figyelmet!

Óriás kísérleti eszközök gyorsítók (és detektorok)

Documents