Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Úvod do fyziky vysokých energií

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Úvod do fyziky vysokých energií"— Transkript prezentace:

1 Úvod do fyziky vysokých energií
aneb z čeho se skládá hmota a jaké síly ji ovládají PŘF UP Olomouc, ZS Tento materiál vznikl postupným vývojem z transparencí Tomáše Davídka a Jana Řídkého

2 J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR
Něco ke čtení J. Hořejší, Historie standardního modelu mikrosvěta D. H. Perkins, Introduction to particle physics. T.R.N. Cahn, G. Goldhaber, The Experimental Foundations Of Particle Physics. W. R. Leo, Techniques for Nuclear and Particle Physics Expeiments. J. Chýla, Quarks, Partons and Quantum Chromodynamics Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

3 J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR
Program "Cihly a malta, ze kterých je složen náš svět" (® CERN) základní objevy systematika částic současný stav našich znalostí – základní kameny hmoty a jejich interakce dosud nezodpovězené otázky Interakce částic s prostředím průchod nabitých částic prostředím v závislosti na energii elektromagnetické a hadronové spršky Detektory metody detekce částic, vybrané typy detektorů Urychlovače částic principy urychlování, používaná zařízení Velké současné a budoucí experimenty na urychlovačích experimenty na urychlovačích LEP a Tevatron, nejdůležitější výsledky Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

4 Cihly a malta, ze kterých je složen náš svět
„Není nic než atomy a prostor, všechno ostatní jsou jen domněnky" - Demokritos z Abdery

5 J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR
Trocha historie (1) Některé důležité objevy: (http://library.thinkquest.org/19662/high/eng/index.html) elektron (J.J.Thomson, 1894): studium vlastností katodového záření atomové jádro (E. Rutherford, 1912): rozptyl alfa-částic na tenké folii zlata planetární model atomu neutron (J. Chadwick, 1932): objeven v reakci: α + 9Be → 12C + n neutrální částice se stejnou/velmi blízkou hmotností jako proton vysvětlení složení atomového jádra problémy s beta-rozpadem, postulováno neutrino (W. Pauli, 1931). Nejjednodušší beta-rozpad: n → p + e + νe existence neutrina potvrzena experimentálně až v roce 1956 Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

6 Trocha historie: objev elektronu (1.2)
Výboje ve zředěném vzduchu byly pozorovány a popsány již v roce 1705 !!! Cromwell Fleetwood Varley ( ) dospěl v roce 1871 k závěru, že katodové paprsky by mohly být tvořeny záporně nabitými částicemi. Ty by se totiž uhýbaly v magnetickém poli stejným směrem jako to pozoroval u katodových paprsků. …. soupeření pokusů vysvětlit katodové paprsky jako vlny (Goldstein, Hertz) nebo jako tok částic (Varley, Crooks) (animace) Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

7 Trocha historie: objev elektronu (1.2)
Joseph John Thomson (1856 – 1940) J. J. Thomson se začal studovat katodové paprsky v roce 1894, když bylo zjištěno, že se vychylují účinkem magnetického pole. Pokusil se změřit jejich rychlost a dospěl k hodnotě m/s. V roce 1895 Jean Perrin zjistil, že katodové paprsky nesou záporný náboj. Z doletu ve vzduchu Thomson usoudil, že „molekuly“ jsou mnohem menší než jsou molekuly plynu. Při pozdějších pokusech Thomson naměřil rychlost katodových paprsků 2 107 m/s ! Změřil také poměr q/m a to jak pro katodové paprsky, tak pro vodík. I když neznal hodnoty q a m, a mohl se domnívat, že náboj elektronu je jiný než náboj vodíku, ale z rozdílu velikosti „molekul“ usoudil, že elektron je mnohem lehčí než vodík. Studium katodových paprsků pokročilo, když Geissler v roce 1855 vynalezl nový typ vývěvy, ve které rtuťový sloupec nahradil píst. Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

8 Trocha historie: Rutherfordův pokus (1.2)
Ernest Rutherford (1871 – 1937) Ernest Rutherford získal v roce 1908 Nobelovu cenu za chemii - objevil transmutaci thoria na radon a změřil poločas rozpadu radonu. V roce 1906 zjistil, že α částice jsou vlastně jádra helia. Ve vakuové nádobě s α zářičem se po čase dala spektroskopicky dokázat přítomnost helia. V roce 1909 uskutečnili Rutherford, Geiger a Marsden pokus s rozptylem α částic na folii zlata. Měření prováděli počítáním „zásahů“ na ZnS stínítku, kde odražená α částice vyvolala kratičký záblesk. Pozorovatel musel půl hodiny adaptovat zrak v temné komoře a nebyl schopen počítat více jak 90 událostí za minutu. Po minutě počítání si musel odpočinout. Rutherford a jeho kolegové napočítali při svých pokusech statisíce záblesků.  Hans Geiger získal velmi silnou motivaci vyvíjet lepší detektory! Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

9 Trocha historie: Rutherfordův pokus (1.2)
V době pokusu převládal model „švestkového pudingu“, který předpokládal, že elektrony a protony jsou rovnoměrně rozmístěné v celém objemu neutrálního atomu. Po několika dnech měření Geiger prohlásil: „ Byla to ta nejneuvěřitelnější věc která se mi kdy stala. Bylo to skoro tak neuvěřitelné, jako když vypálíte 15ti palcový granát na list papíru a on se odrazí a trefí vás.“ Tento vzorec platí v kvantové fyzice i v klasické mechanice (animace). Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

10 Ruthefordův experiment (1.3)
Odhad velikosti atomového jádra: m= kg, q1=2e, q2=79e, v =2 107 m s-1 a0 = m ( < 7.3×10−15 m) Vztah pro účinný průřez Klasické odvození: na základě zákonů zachování energie a momentu hybnosti lze odvodit přesný vztah pro účinný průřez QM odvození: kvadrát amplitudy rozptylu d/d = |f()|2 Bornova aproximace: f()   exp(iqr) V(r) dr, V(r)  2m/r, f()  2m/q2 d/d   2m 2/4p4sin4 (/2) Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

11 Složený objekt, objevování struktury
( ) Malé předané hybnosti: rozptyl na bodovém náboji i Pronikáme do struktury hmoty !!! Velké předané hybnosti: Inkoherentní suma přen N nábojů, Tj. rozptyl na N bodových nábojích i Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

12 Trocha historie: objev neutronu (1.2)
James Chadwick (1891 – 1974) James Chadwick získal v roce 1935 Nobelovu cenu za objev neutronu. To otevřelo cestu k dalším možnostem štěpení jader neboť na neutrální neutrony nepůsobí odpudivé elektrické síly jako na α částice, používané do té doby. Již v roce 1930 Walter Bothe a H. Becker bombardovali berylium 94Be α částicemi a pozorovali emisi energetického záření, které se nezahýbalo v magnetickém poli. Zprvu se domnívali, že se jedné o γ záření. Později manželé Curieovi zjistili, že toto záření vyráží protony z parafínu. Chadwick pochopil, že probíhají reakce: He + Be  C + n He + B  N + n a ze znalosti hmot 115B a 147N určil hmotu neutronu. Hmoty izotopů znal díky měřením Williama Astona, vynálezce hmotového spektroskopu (Nobelova cena v roce 1921). Objevil 213 z 276 přírodních izotopů – zákon celých čísel atomových hmot. (animace) Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

13 Trocha historie: objev neutronu (1.3)
Objev neutronu pomohl vysvětlit problém spinu N14 Ferminony = poločíselný spin, Bosony = celočíselný V QM je každá vlnová fce (anti)symetrická vůči záměně dvou (fermionů)bosonů. Před Chadwickem byla představa, že v jádru např. N14 je 14 protonů (kvůli hmotě atomu) a 7 elektronů (k vykompenzování náboje) Složením 21 fermionů ale nutně vznikne fermion Ovšem např. ze spektroskopických pozorování dusíkové molekuly zřejmé, že její vlnová fce je symetrická vůči výměně dvou jader tj. musí být N14 boson Objev neutronu problém vyřešil, jádro má 7 neutronů a 7 protonů, ty již na celočíselný spin složíme Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

14 Neutron a/nebo neutrino
V beta rozpadech „chyběla“ energie a hybnost Zachovávají se vůbec v mikrosvětě? (Heisenberg, Bohr …) Pauli: „…to co nevidíme neznámá neutrální částice neutron.“ December 4, 1930 Dear Radioactive Ladies and Gentlemen, As the bearer of these lines, to whom I graciously ask you to listen, will explain to you in more detail, how because of the ”wrong” statistics of the Nitrogen and Lithium 6 nuclei and the continuous beta spectrum, I have hit upon a desperate remedy to save the ”exchange theorem” of statistics and the law of conservation of energy. Namely, the possibility that there could exist in the nuclei electrically neutral particles, that I wish to call neutrons, which have spin 1/2 and obey the exclusion principle and which further differ from light quanta in that they do not travel with the velocity of light. The mass of the neutrons should be of the same order of magnitude as the electron mass and in any event not larger than 0.01 proton masses. The continuous beta spectrum would then become understandable by the assumption that in beta decay a neutron is emitted in addition to the electron such that the sum of the energies of the neutron and the electron is constant... Your humble servant, W. Pauli Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

15 J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR
Trocha historie (2) Lákavá představa – z těchto částic by šel poskládat svět kolem nás: hmota se skládá z atomů atom se skládá z jádra (protony, neutrony) a elektronového obalu Je to ale všechno ? Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

16 J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR
Trocha historie (3) Základní síly: silná: drží pohromadě protony a neutrony v atomovém jádře, překonává elektrostatické odpuzování kladně nabitých protonů elektromagnetická: působí mezi nabitými částicemi, zodpovědná mj. za chemické vlastnosti prvků (konfigurace elektronového obalu atomu) slabá: zodpovědná za radioaktivní beta-rozpady jader, také za rozpad volného neutronu gravitační: působí mezi všemi hmotnými tělesy, na úrovni částic jsou její projevy zanedbatelné Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

17 Objevy v kosmickém záření (1)
V kosmickém záření byly postupně objeveny další částice: pozitron (Anderson, 1930) první objevená antičástice !!! objev kladně nabité, velmi lehké částice p = 63 MeV 6 mm p = 23 MeV Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

18 Objevy v kosmickém záření (2)
částice μ (1936), později se ukázalo, že jde o "těžký elektron" mezony π, ve 3 nábojových variantách (Yukawovy částice π+, π–, π0) podivné částice: produkují se v párech – např. π– + p → Λ0 + K0 rozpadají se pomalu (slabá interakce), ačkoli mají velkou hmotnost mnoho rozpadových modů Najednou máme mnoho částic s různými vlastnostmi: hmotnost, elektrický náboj, střední doba života spin (vnitřní moment hybnosti), magnetický moment parita Chtělo by to zavést nějaký řád… a další částice byly objeveny na urychlovačích… Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

19 J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR
mezony × baryony Systematika částic (1) Snaha o uspořádání částic podle jejich vlastností: hadrony (interagují silně, např. p,n,π) × leptony (slabě, případně elmg, např. e,μ) bosony (celočíselný spin) × fermiony (poločíselný spin) Na základě pozorování postulovány další zákony zachování: baryonové a leptonové číslo podivnost (další kvantové číslo, zachovává se pouze v silných interakcích) parita (multiplikativní kvantové číslo, zachovává se v silných a elmg. interakcích) To je sice hezké, ale pořád máme těch elementárních částic nějak podezřele moc Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

20 Zprvu šlo jen o matematický model, ale...
existence částice Ω– = (sss) by jinak byla v rozporu s Pauliho vylučovacím principem Systematika částic (2) Základní vlastnosti hadronů známých v šedesátých letech 20.století lze vysvětlit pomocí tzv. konstituentních kvarků Kvarkový model (Zweig, Gell-Mann): základní konstituenty hadronů jsou kvarky u,d,s složení částic: baryony se skládají vždy ze 3 kvarků: p = (uud), n = (udd), Λ0 = (uds) mezony jsou složeny z páru kvark-antikvark: π+ = (ud), K– = (su) jaké jsou tedy vlastnosti kvarků? fermiony se spinem ½ zlomkový elektrický náboj Q(u) = ⅔, Q(d,s) = –⅓ zlomkové baryonové číslo B = ⅓ mají další vnitřní stupeň volnosti zvaný barva (existují 3 barevné stavy) Zprvu šlo jen o matematický model, ale... Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

21 Jak vzniklo slovo „kvark“
   FINNEGANS WAKE James Joyce, Book II chapter 4: Three quarks for Muster Mark!     Sure he hasn't got much of a bark     And sure any he has it's all beside the mark. ...'I employed the sound ''quork'' for several weeks in 1963 before noticing ''quark'' in ''Finnegans Wake'', which I had perused from time to time since it appeared in The allusion to three quarks seemed perfect. I needed an excuse for retaining the pronunciation  quork despite the occurrence of ''Mark'', ''bark'', ''mark'', and so forth in Finnegans Wake. I  found that excuse by supposing that one ingredient of the line ''Three quarks for Muster Mark'' was a cry of ''Three quarts for Mister...'' heard in H. C. Earwicker's pub.'---M. Gell-Mann, private let. to Ed., 27 June 1978. Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

22 Nebo Gell-Mann uměl německy 
Quark, der - tvaroh - maličkost - hloupost - nesmysl - nicotnost da liegt der Quark  - to tu máme!; tu to vězí Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

23 Systematika částic: „osminásobná cesta“ (2.1)
_ Grupa SU(3) => 3x3x3 = , 3x3=8+1 Y T3 Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

24 Systematika částic: kam s půvabem?
Grupa SU(4) Uspořádání mezonů se spinem 0 a se spinem 1. T3 Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

25 Systematika částic: kam s půvabem?
Uspořádání baryonů se spinem 1/2 a se spinem 3/2. C Y T3 Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

26 …ve srážkových experimentech se ukázalo, že kvarky skutečně existují:
Systematika částic (3) vnitřní struktura protonu pozorována v nepružných srážkách e+p při vysokých energiích problémy kvarkového modelu: volné kvarky nebyly pozorovány prokázání existence barvy ? zlomkový elektrický náboj ? …ve srážkových experimentech se ukázalo, že kvarky skutečně existují: Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

27 Popis interakcí částic (1)
Ve světě částic se síly popisují jako vzájemné působení částic hmoty s jinými částicemi – tzv. nositeli interakce: Příklad: interakce elektronu s elektronem, vyměňují si foton: Feynmanův diagram: Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

28 Popis interakcí částic (1)
Ve světě částic každá „reálná“ částice s sebou nese oblak virtuálních částic, podobně si lze představit i vakuum To umožňují Heisenbergovy relace neurčitosti Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

29 Systematika částic: struktura protonu (3.1)
…hluboký nepružný rozptyl e+p je jakási obdoba Rutherfordova pokusu ….. Kinematika Elastický rozptyl, bodový proton Inelastický rozptyl Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

30 Systematika částic: struktura protonu (3.2)
STRUKTURNÍ FUNKCE Partonový model (Bjorken Feynman): proton se skládá z partonů (kvarků), na kterých se odehrává elastický rozptyl Parton nese hybnost xP Inelastický účinný průřez je tak inkoherentním „součtem“ individuálních účinných průřezů na partonech x i eidi(x) (1-y) + 1/2y2 - (M/x)2(xy/S) Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

31 Systematika částic: struktura protonu (3.2)
F2 nezávisí na předané hybnosti Q2 tzv. škálování To bylo veliké experimentální překvapení A úspěch partonového modelu spočívá v tom, že to dokáže vysvětlit Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

32 Popis interakcí částic (2)
Interakce se pak popisuje v rámci kvantové teorie pole, např. interakční langrangián kvantové elektrodynamiky (částice elektron, pozitron, foton) vypadá: L = –¼FμνFμν + ieψ γμ ψAμ – mψψ kde: ψ je spinor elektronu, m představuje hmotu elektronu Fμν = ∂μAν – ∂νAμ je tenzor energie elektromagnetického pole Aμ je čtyř-potenciál elektromagnetického pole Aμ = (φ, A) Lorentzova kalibrační podmínka: ∂μAμ = ∂φ/(c2∂t) + ∙A = 0 Maxwellovy rovnice pro volné elmg. pole ve vakuu: ∂μ∂μAν = 0 Popsat sílu v mikrosvětě částic znamená popsat interakci částic hmoty s nositeli interakce Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

33 Současný stav našich znalostí (1)
Základní "cihĺy" hmoty jsou kvarky a leptony existují 3 rodiny/generace fundamentálních částic, všechny jsou fermiony se spinem ½ každou rodinu tvoří 2 kvarky a 2 leptony, celkový elektrický náboj ΣQ = 0 v každé rodině ke každé částici existuje antičástice (stejná hmotnost, střední doba života a spin, opačný elektrický náboj) stabilní hmota ve vesmíru je složená z částic 1.rodiny + γ, Z0, W+, W- …. g a H0 Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

34 Současný stav našich znalostí: kvarky (1.1)
Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

35 Současný stav našich znalostí (2)
Nositelé všech 3 interakcí jsou bosony se spinem 1 Současný stav našich znalostí (2) Fundamentální interakce ("malta") ve světě elementárních částic: silná: působí mezi kvarky, nositelem interakce jsou gluony (je jich 8) náboj: barva popsána pomocí kvantové chromodynamiky silné jaderné síly mezi protonem a neutronem v jádře jsou vlastně zbytkovým projevem silné interakce na úrovni kvarků elektromagnetická: působí mezi nabitými částicemi náboj: elektromagnetický popsána pomocí kvantové elektrodynamiky, později pomocí sjednocené teorie elektroslabých interakcí slabá: působí mezi kvarky i leptony, nositelem jsou intermediální bosony W±, Z0 náboj: slabý popsána pomocí sjednocené teorie elektromagnetických a slabých interakcí Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

36 Současný stav našich znalostí (3)
Teoretický rámec obsahující kvarky a leptony (fermiony se spinem ½) jako základní částice hmoty interakce zprostředkované bosony se spinem 1 (gluony, foton, intermediální bosony W,Z) dostal jméno STANDARDNÍ MODEL Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

37 J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR
Standardní model (1) Pomocí malého počtu základních principů, stavebních kamenů a základních parametrů popisuje svět nejmenších částic Přes 30 let odolává stále tvrdším prověrkám v experimentech Nalézá uplatnění i ve fyzice na největších vzdálenostech (astrofyzika, vývoj vesmíru v raném stadiu) "Odrazový můstek" pro novou fyziku Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

38 vyřešení uvěznění kvarků
Standardní model (2) SM popisuje silné interakce mezi kvarky, v experimentu ale pozorujeme pouze hadrony. Proč ? Kvarky nemohou existovat jako samostatné částice. Vlastnosti kvantové chromodynamiky jsou takové, že kvarky tvoří pouze barevně neutrální („bílé“) kombinace - což jsou „běžné“ hadrony. vyřešení uvěznění kvarků Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

39 Příklady interakcí v SM (1)
Rozpady částic: Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

40 Příklady interakcí v SM (2)
Anihilace: Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

41 Příklady interakcí v SM (3)
Vytváření nových částic při srážkách e+e– Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

42 Příklady interakcí v SM (4)
hadronizace hadrony Standarní model popisuje jen interakci mezi fundamentálními částicemi, nikoli už hadronizaci Hadronizace (důsledek uvěznění kvarků) je popsána různými modely Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

43 J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR
Hadronové jety Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

44 J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR
Standardní model vysvětluje hmoty částic jako důsledek interakce s tzv. Higgsovým polem. Nicméně, Higgsův boson dosud nebyl experimentálně prokázán (jediná dosud neobjevená částice z SM) Otevřené problémy (1) Je Standarní model konečnou teorií ? Těžko, protože: příliš mnoho základních parametrů (např. vazbové konstanty, hmoty částic, ...) odkud se berou hmoty částic ? SM neobsahuje gravitaci Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

45 J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR
Otevřené problémy (2) Další dosud nezodpovězené otázky: proč právě 3 rodiny částic ? existují další částice ? hmotnosti neutrin ? proč není ve vesmíru stejně hmoty jako antihmoty ? temná hmota a energie ? Ukazuje se totiž, že pouze 5% hustoty hmoty ve vesmíru umíme pozorovat Možné teoretické scénáře: SUSY, SUGRA, ... Každé rožšíření musí dát Standardní model v limitě "nižších energií" Na některé otázky by měly dát odpověď experimenty na připravovaném urychlovači LHC Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

46 Interakce částic s prostředím
interakce nabitých částic v látce (ionizace, Čerenkovské záření, ...) průchod fotonů prostředím interakce vysokoenergetických částic elektromagnetické spršky hadronové spršky

47 Průchod nabitých částic prostředím
Ionizační ztráty: pro těžší částice popsány Bethe-Blochovou formulí (střední dE/dx), podobně pro elektrony (rozdíly: nerozlišitelné částice, malá hmotnost) Radiační ztráty (hrají roli až při vyšších energiích) elektrony: vyzáření brzdného fotonu těžší částice: vyzáření páru elektron-pozitron Čerenkovské záření: vyzáření fotonů, je-li rychlost částice vyšší než rychlost světla v daném prostředí (umožňuje měření rychlosti) Přechodové záření: vyzáření roentgenovských fotonů ultrarelativistickou částicí (βγ ≥ 500) na hranici dvou různých dielektrik (umožňuje např. identifikaci elektronů) Mnohonásobný rozptyl: díky Coulombovskému rozptylu Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

48 Průchod nabitých částic prostředím
Radiační ztráty m m e+ e- Produkce párů N N Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

49 J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR
Ionizační ztráty (1) Střední ionizační ztráty těžších částic popsány tzv. Bethe-Blochovou formulí Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

50 J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR
Ionizační ztráty (2) Při dané energii ale ionizační ztráty navíc fluktuují – popsáno Landauovým rozdělením Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

51 J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR
Ionizační ztráty (3) Průchod elektronů: ionizační ztráty popsány formulí podobnou Bethe-Blochově brzdné záření převládá už od mnohem nižších energiích Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

52 J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR
Čerenkovské záření Má-li nabitá částice rychlost větší než rychlost světla v daném prostředí (β > 1/n), dochází k emisi Čerenkovských fotonů fotony jsou vysílány v kuželi cos(θc) = 1/(β∙n) intenzita: d2N/(dE dx) ≈ 370 z2 sin2(θc) [eV-1 cm-1] ultrafialová oblast Obdoba rázové vlny při překročení rychlosti zvuku Čerenkovské záření se hodí k měření rychlosti částic, známe-li hybnost či energii, určíme tak hmotnost => identifikace částic γ θ Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

53 Průchod fotonů prostředím (1)
Interakce fotonu s hmotným prostředím: fotoefekt: účinný průřez σp.e. ~ Z5 Eγ–7/2 Comptonův (nekoherentní) rozptyl: σCompton ~ Z/Eγ produkce párů: v poli jádra (κN) v poli elektronů (κe) Rayleighův (koherentní) rozptyl – atom není excitován ani ionizován absorpce jádrem: obvykle doprovázena emisí neutronu nebo jiné částice Narozdíl od nabitých částic, které při průchodu prostředím ztrácí energii, svazek fotonů ztrácí intenzitu Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

54 Průchod fotonů prostředím
Comptonův rozptyl Produkce párů Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

55 Průchod fotonů prostředím (2)
Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

56 Elektromagnetické spršky (1)
U elektronů i fotonů při vysokých energiích dominují radiační ztráty. V jejich důsledku dochází k tzv. elmg sprškám (kaskádám) elektron/pozitron vyzáří brzdný foton foton konvertuje na elektron-pozitronový pár Energie částic ve spršce postupně klesá, až místo radiačních převládnou jiné ztráty energie. Tak se sprška zastaví. e– γ e+ Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

57 Elektromagnetické spršky (2)
Definujeme tzv. radiační délku X0 jako střední vzdálenost, na které poklesne energie elektronu/pozitronu faktorem 1/e, tj: E(x) = E(0) exp(–x/X0) radiační délka v některých prostředích: X0(Si) = 9.4 cm X0(Fe) = 1.8 cm X0(Pb) = 0.5 cm tloušťka materiálu se pak obvykle udává v jednotkách X0 obecně platí: X0 ~ 1/(ρ Z2), ρ=hustota prostředí, Z=protonové číslo Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

58 J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR
Hadronové spršky (1) Vysokoenergetické hadrony interagují silně s jádry materiálu prostředí, dochází tak k mnohonásobné produkci dalších částic => hadronová sprška Dvě základní složky: elektromagnetická část: při silných interakcích vznikají mj. i částice π0, které se prakticky okamžitě rozpadají π0 → γ γ. Tato část vytváří elektromagnetickou spršku. čistě hadronová část: kaskádní proces: produkce hadronů v silných interakcích s jádry. Energie hadronů postupně klesá, až se sprška zastaví. ionizace pomalých nabitých hadronů "neviditelná část": část energie se spotřebuje na rozbití jader, případně je odnesena miony a neutriny nízkoenergetické neutrony Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

59 J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR
Hadronové spršky (2) K vyjádření tloušťky materiálu z hlediska hadronových spršek se používá tzv. interakční délka λint, která představuje střední volnou dráhu hadronu (z hlediska silné interakce s jádry) v daném prostředí. interakční délka ve vybraných materiálech: λint(Si) = 45.5 cm λint(Fe) = 16.8 cm λint(Pb) = 17.1 cm interakční délka souvisí s účinným průřezem: λint = 1/(n σ) λint >> X0, hadronové spršky jsou mnohem delší než elektromagnetické Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

60 Detektory Stručně o vybraných detektorech: trocha historie
scintilátory Čerenkovské detektory dráhové detektory plynové polovodičové kalorimetry

61 J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR
Historické detektory Jaderné emulze nabité částice zanechávaly ionizační stopu, velmi dobré prostorové rozlišení (řádu μm) prohlížení pod mikroskopem Bublinové komory přehřátá kapalina, nabitá částice při průchodu vytvářela bublinky dobré prostorové rozlišení fotografování případů Mlžné komory naplněné plynem s příměsí nasycených par při průchodu nabité částice se vytvářejí nabité ionty podél dráhy, na kterých kondenzují kapičky fotografování případů Jiskrové komory soustava paralelních kovových desek, mezi nimi plyn (He, Ne) každá druhá deska připojena k pulznímu zdroji VN při průchodu částice aplikujeme puls => vznikne jiskra => fotografuje se Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

62 Scintilační detektory (1)
Nabitá částice excituje molekuly, část energie (cca 3%) se vyzáří ve formě optických fotonů Dva základní druhy: organické: proces na úrovni molekul menší světelný výtěžek, horší rozlišení velmi rychlá odezva (~ 3 ns) anorganické: krystaly, scintiluje celá mřížka vysoký světelný výtěžek, dobré rozlišení relativně pomalé Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

63 Scintilační detektory (2)
Organické scintilátory: obsahují aromatický uhlovodík (polystyren, toluen) přidávají se dopanty (fluor) kvůli posunu vlnové délky příklad: polystyren+PTP+POPOP (Tilecal) použití: trigger, měření doby letu, dráhové detektory (optická vlákna), sendvičový kalorimetr Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

64 Scintilační detektory (3)
Anorganické scintilátory: vyšší hustota, vyšší Z => hodí se nejen pro detekci nabitých částic, ale i γ citlivé na teplotu, magnetické pole příklady: NaI(Tl), CsI(Tl), BGO, PbWO4 použití: detekce γ, homogenní elmg. kalorimetry Čtení signálu ze scintilátoru: světelný signál odveden světlovodem, případně optickým vláknem konverze na elektrický signál: nejčastěji fotonásobič Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

65 Čerenkovské detektory (1)
Měření rychlosti částic na základě Čerenkovského záření Obvykle mají plynovou náplň (nastavení indexu lomu n pomocí změny tlaku), případně kapaliny Druhy: prahové: ano-ne zařízení potřebujeme-li oddělit více druhů částic, musíme mít více detektorů diferenciální: identifikují záření v daném rozsahu rychlostí βmin < β < βmax složitější optika Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

66 Čerenkovské detektory (2)
RICH (Ring Imaging Cherenkov) dva radiátory s různým indexem lomu detekce fotonů pomocí TPC výborná separace π/K/p LHCb RICH 1,2 Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

67 Čerenkovské detektory (3)
Použití: identifikace částic ve svazcích (prahové, diferenciální) identifikace částic ve velkých detektorech (RICH v Delphi, Babar, ...) na vstřícných svazcích detekce neutrin (nepřímo přes pružný rozptyl): experimenty Kamiokande, Amanda, ... RICH: Dva radiátory velký rozsah energií Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

68 J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR
Dráhové detektory K čemu se používají ? určení dráhy částice ve svazku z rekonstrukce dráhy nabité částice v magnetickém poli určíme její hybnost: p = 0.3 z B R / sinθ [GeV] B je velikost magnetické indukce [T], R poloměr kružnice [m] z = náboj částice (v jednotkách e), θ je úhel mezi vektory p a B rozlišení: Δp/p ~ p Druhy: plynem plněné (seznam není úplný): proporcionální počítače (mnoho trubek může tvořit dráhový detektor) mnohodrátové komory (MWPC) časově projekční komory (TPC) polovodičové křemíkový stripový detektor Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

69 Plynem plněné detektory
Vlastnosti závisí na plynu a napětí: rekombinace: není žádný signál ionizace: úplný sběr náboje, ale žádné zesílení proporcionalita: v plynu dochází k zesílení, ale výsledný signál je úměrný ztracené energii primární částice omezená proporcionalita: dochází k silné fotoemisi a k sekundárním lavinám, vyžaduje pulsní HV nebo zhášení Geiger-Mueller: masívní fotoemise, dochází k výboji. Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

70 Proporcionální počítače
Vznik signálu: nabitá částice při průchodu plynem ionizuje elektrony driftují k anodě, díky urychlení v elektrickém poli dále vytvářejí páry iont-elektron na anodě (drát) detekujeme zesílený elektronový signál, který je úměrný ztracené energii původní částice lze detekovat i signál na katodě (způsobený kladnými ionty), ale anodový signál je výrazně rychlejší Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

71 Mnohodrátová proporcionální komora – MWPC (1)
MWPC (MultiWire Proportional Chamber) = mnoho proporcionálních počítačů v jednom plynovém objemu (Charpak et al. 1968, Nobelova cena 1992) Anodové dráty fungují jako nezávislé detektory Typické rozměry: vzdálenost katoda – anoda: 1 cm rozteč drátů: d = 1–2 mm tloušťka drátů: 20–50 μm katody anodové dráty Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

72 MWPC (2) Umožňuje určení jedné souřadnice:
prostorové rozlišení: σx ≈ d/√12 k určení druhé souřadnice se často používá druhá komora otočená o 90˚ Nutný pečlivý výběr směsi plynů (často magie): co nejmenší mnohonásobný rozptyl příměsy CO2, CH4, C2H6 ionizace primární částice Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

73 Časově projekční komora – TPC (1)
Jedná se o 3D detektor, jakási elektronická bublinová komora Kombinace MWPC a driftové komory podél dráhy nabité částice vznikají páry iont-elektron elektrony driftují (díky vnějšímu konst. elektrickému poli) k boční stěně komory detekce elektronů pomocí drátové komory (2D), třetí souřadnice (z) se určuje z doby driftu y z x E B drift dráha nabité částice Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

74 Měříme souřadnici elektronové laviny podél směru anodového drátu
TPC (2) Detekce elektronů – využití katodového čtení: kladné ionty produkované v blízkosti anodového drátu můžeme detekovat díky kapacitní vazbě také na katodě katoda: lze segmentovat na stripy (jednorozměrné čtení) či na pady (2D) Parametry TPC: doba driftu řádově 100 μs prostorové rozlišení závisí na mnoha parametrech (délka driftu, difuzní konstanta, primární ionizace), typicky ~ 500 μm anodové dráty Měříme souřadnici elektronové laviny podél směru anodového drátu Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

75 J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR
TPC (3) U všech zmíněných plynových detektorů lze měřit i velikost ionizace dE/dx => identifikace některých částic příklad: Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

76 Polovodičové detektory
Používané materiály: Si, Ge, GaAr, diamanty Jde vlastně o MWPC v pevných látkách, výhody: na vytvoření páru elektron-díra potřebuji 3.6 eV (Si), v plynech 30 eV vyšší hustota vysoká mobilita elektronů malé rozměry, rychlý sběr signálu Pro srovnání – MIP částice vyprodukuje: 100 párů elektron-díra na 1 μm Si stejný náboj v plynu na vzdálenosti cca 1 cm Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

77 Křemíkový stripový detektor (1)
Princip detekce: vytvoření přechodu p-n, zapojení v závěrném směru => oblasti bez volných nábojů čtení signálu z kladných iontů na stripech (p-stripy implantované do křemíkové destičky n-typu, používá ATLAS SCT) Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

78 Křemíkový stripový či pixelový detektor (2)
lze i obráceně: implantované n-stripy do křemíku typu p => čtení signálu od elektronů na stripech jsou napařené kovové elektrody Výborné rozlišení, řádově desítky μm Problémy: radiační odolnost cena PIXEL detector for ATLAS, FZÚ a Tesla Sezam Rožnov p. R. Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

79 J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR
Kalorimetry (1) Měří energii a směr letu nabitých i neutrálních částic destruktivní metodou – primární částice je zcela pohlcena v detektoru Částice vytvářejí elmg a/nebo hadronové spršky, nakonec je energie spotřebována na ionizaci nebo excitaci materiálu detektoru Typy kalorimetrů: homogenní (pouze elmg): detekuje se celá sprška, tvořený krystaly sendvičový (sampling): tvořený střídajícími se vrstvami absorbátoru a aktivního média (sběr signálu), detekujeme tedy jen část spršky => dodatečné fluktuace při sběru signálu Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

80 J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR
Kalorimetry (2) Celkový signál je přímo úměrný energii původní částice Energetické rozlišení: Prostorové rozlišení je dáno členěním (segmentací) kalorimetru Dělení kalorimetrů: elektromagnetický (umístěn před hadronovým kalorimetrem) hadronový Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

81 Elektromagnetické kalorimetry (1)
Homogenní: absorbátor je zároveň aktivním médiem, ze kterého je čten signál. Detekujeme tedy celou spršku výborné energetické rozlišení (sampling člen a ≈ 1%) horší prostorové rozlišení (horší členění) příklady kalorimetrů: BGO (scintilující krystal) – L3 experiment (CERN) CsI(Tl) (scint. krystal) – BaBar experiment (SLAC) PbWO4 (scint. krystal) – CMS experiment (CERN) velmi drahé Sendvičové (sampling) kalorimetry: absorbátor je obvykle olovo (Pb), neboť má vysoké Z a malou X0 aktivní médium může být scintilátor, proporcioální komory, ionizační komory, ... trochu horší energetické rozlišení (sampling člen a ≈ 5 – 10%) lepší prostorové rozlišení (jemnější členění buněk) Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

82 Elektromagnetické kalorimetry (2)
příklady sampling kalorimetrů: olovo – proporcionální komory: HPC, Delphi experiment (CERN) olovo – liquid argon (LAr): experimenty H1 (DESY), ATLAS (CERN) Velikost (hloubka) elmg kalorimetru se udává v X0, typické hodnoty na velkých experimentech: 20 – 30 X0 (záleží na energii svazků) ATLAS elmg. LAr kalorimetr: geometrie harmoniky (minimální mrtvé zóny) aktivní médium: tekutý Ar (90 K), funguje jako ionizační komora Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

83 Hadronové kalorimetry (1)
Stavějí se pouze jako sendvičové absorbátor (Fe, Cu, U) aktivní médium (ionizační či proporcionální komory, scintilátory, ...) Hadronové spršky jsou složitější (viz. melmg vs. čistě hadronová komponenta) poměr závisí na energii: navíc velké fluktuace (ne-gaussovské !!) popis: faktor e/h (obecně e/h > 1), měříme =1-(E[GeV])-k k = Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

84 Hadronové kalorimetry (2)
Jak tedy správně měřit energii hadronů? postavit kompenzovaný (e/h = 1) kalorimetr softwarové korekce: důležité členění kalorimetru využití rozdílné velikosti elmg a hadronové spršky, signál z jednotlivých buněk se váží různými faktory Energetické rozlišení: kvůli fluktuacím zastoupení elmg. komponenty a složení hadronové komponenty je výrazně horší než u elmg. kalorimetrů typická hodnota sampling členu: a ≈ 50% (může být trochu lepší u kompenzovaných kalorimetrů) Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

85 Hadronové kalorimetry (3)
Velikost (hloubka) kalorimetrů: obvykle se udává v interakčních délkách λint hadronová sprška se vyvíjí už i v elmg. kalorimetru, proto nás zajímá celková hloubka elmg+hadronového kalorimetru. Typická velikost 10 λint Příklady hadronových kalorimetrů: Fe+proporcionální komory: experiment DELPHI (CERN) U+scintilátor experiment ZEUS (DESY) U+LAr: experiment D0 (Fermilab) Fe+scintilátor: experiment ATLAS (CERN) Cu+LAr: experiment ATLAS (CERN) Umístění v experimentu: hadronový kalorimetr za elmg kalorimetrem Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

86 Hadronové kalorimetry (4)
Kalorimetr Tilecal (experiment ATLAS, CERN) střídající se vrstvy železa a scintilátoru, šachovnicová struktura signál ze scintilačních destiček veden optickými vlákny (WLS, tj. s vlnovým posunovačem) do fotonásobičů → konverze na elektrický signál → další zpracování rozdělení buněk: 3 vrstvy v R Δη × Δφ = 0.1 × 0.1 je dáno seskupením optických vláken na příslušný fotonásobič každá buňka čtena dvěma fotonásobiči Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

87 J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR
TILECAL Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

88 Průřez hybridním detektorem na urychlovači
Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

89 Urychlovače úvod a trocha historie
lineární a kruhové urychlovače, principy urychlování uspořádání: pevný terč vs. vstřícné svazky

90 J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR
Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

91 J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR
Opět trocha historie Nejstarší urychlovač – "kapesní" cyklotron (Ernest Lawrence, 1930) Replika of Lawrenceova cyklotronu v CERNském Microcosmu Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

92 J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR
Typy urychlovačů (1) Urychlení nabitých částic pomocí elektrického pole Dvě možnosti dělení: lineární × kruhové urychlovače elektronů × těžších částic (protony, ionty, ...) Lineární urychlovače: výhody a nevýhody: jednodušší fokusace, nejsou ztráty brzdným zářením nepotřebuje dipólové magnetické pole  částice proběhne jen jednou, urychlovač musí být dostatečně dlouhý příklady: elektrostatické: van de Graff Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

93 J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR
Typy urychlovačů (2) vysokofrekvenční: urychlení pomocí dutinových rezonátorů Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

94 J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR
Typy urychlovačů (3) Kruhové urychlovače: elektrické pole urychluje, dipólové magnetické drží na kruhové dráze příklady: cyklotron: konstantní magnetické pole, vysokofrekvenční el.pole mezi elektrodami (tzv. duanty) Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

95 J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR
Typy urychlovačů (4) betatron: urychlovací el.pole generováno časově proměnným magnetickým polem B(t) částice drženy na dráze o konstantním poloměru => betatronová podmínka Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

96 J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR
Typy urychlovačů (5) synchrotrony urychlení pomocí dutinových rezonátorů konstantní poloměr dráhy => magn.pole roste s rostoucí energií částice fokusace svazku pomocí vícepólových magnetů (kvadrupóly, oktupóly, ...). Cílem je mít co nejmenší průřez svazku. výhody a nevýhody kruhových urychlovačů:  částice je urychlována postupně během každého oběhu  složitější ladění svazku, ztráty energie brzdným zářením (=> nelze urychlit na libovolnou energii) Důležité parametry urychlovačů: energie svazku luminosita: závisí na průřezu svazku, počtu částic "v balíčcích" a frekvenci srážek Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

97 Na několika místech jsou
částice urychlovány vysokofrekvenčním polem v urychlovacích dutinách.

98 Kromě „zahýbacích“ magnetů má urychlovač
magnety na zaostřování svazku. K letu po kruhové dráze jsou urychlované částice nuceny magnetickým polem magnetů obklopujících svazkovou trubku.

99 Uspořádání urychlovačů (1)
Potřebujeme-li urychlit částice na vysokou energii, řeší se to technicky v několika stupních příklad v CERN: LINAC → → PS (Emax = 26 GeV) → → SPS (Emax = 450 GeV, R = 1.1 km) → → LHC (Emax = 7000 GeV, R = 4.3 km) Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

100 Uspořádání urychlovačů (2)
Dříve LEP, od roku 2007 (snad) LHC

101 Uspořádání urychlovačů (3)
Klasické – pevný terč: celková energie v těžišti: Vstřícné svazky: BUM jeden druh částic je urychlen, při dosažení požadované energie je svazek vyveden do terče => srážka BUM PRÁSK dva druhy částic jsou urychlovány v opačných směrech a na několika místech přivedeny ke srážce Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

102 Urychlovač LEP (Large Electron-Positron Collider)

103 Současné a budoucí experimenty na obřích urychlovačích
typické uspořádání experimentu a detektorů Vybrané urychlovače a nejdůležitější výsledky LEP Tevatron Budoucí experimenty

104 Schéma urychlovačového experimentu
Na místo srážky „dohlíží“ detektor. Některé částice právě prchly z oblasti srážky, další srážka bezprostředně hrozí. Detektor by měl: zachytit co nejvíce částic být přesný být rychlý (a laciný a ...) Každý elektron má energii 50−100 GeV, Létají ve shlucích s 3×1011 elektrony, tj. každý shluk má energii 3×1011×100×109 eV = = 3×1022 eV = 5 kJ. To je makroskopická energie !!!

105 Přehled konstrukce současných detektorů pro urychlovačové experimenty
Magnetické pole zahýbá dráhy částic a pomáhá měřit jejich hybnosti. elektron Hadronový kalorimetr: nabízí svůj materiál pro rozvoj hadronových spršek a měří energii, kterou v něm částice zanechají. mion Neutrina utíkají nepozorována. hadrony Vnitřní dráhový detektor: Minimum materiálu, jemná seg- mentace aby bylo možné měřit přesně body na drahách částic. Elektromagnetický kalorimetr: nabízí materiál pro rozvoj elektromagnetických spršek a měří absorbovanou energii. Mionový detektor: nepokouší se miony zachytit, ale zazname- nává jejich dráhy.

106 Všechny detektory obalují trubku se svazky částic a místem srážky:

107 Experimenty na urychlovači LEP (1)
Na urychlovači LEP (CERN, Ženeva, 1989 – 2000) se měřily srážky elektron-pozitron ve dvou etapách: LEP-1: GeV (celková těžišťová energie 90 GeV, v píku bosonu Z0) LEP-2: zdvojnásobení energie svazků (max. energie dosažená v těžišti až 208 GeV) Fungovaly zde čtyři velké experimenty (detektory): ALEPH DELPHI L3 OPAL Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

108 Experimenty na urychlovači LEP (2)

109 Experimenty na urychlovači LEP (3)
LEP přinesl celou řadu velmi přesných měření (hmoty částic, vazbové konstanty atd) Speciálně určil počet lehkých neutrin: Nν = 3.00 ± 0.08 70% 10% 20% Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

110 Experimenty na urychlovači Tevatron (1)
Tevatron (Fermilab, Batavia, USA; pracuje od roku 1987) sráží protony s antiprotony o energiích GeV Experimenty: CDF D0 Přinesly celou řadu výsledků, např.: měření vazbové konstanty silné interakce testy kvantové chromodynamiky objev top-kvarku (1996) Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

111 Experimenty na urychlovači Tevatron (2)
Případ produkce páru top-antitop: e+ chybějící příčná energie ETmiss Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

112 Experimenty na urychlovači LHC (1)
Large Hadron Collider (CERN, Ženeva) bude srážet protony s protony, energie 7+7 TeV (později též těžká jádra Pb+Pb na energii TeV) uvedení do provozu v roce 2007 Experimenty pro pp srážky: ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) CMS (Compact Muon Solenoid) Očekáváme: přesnější měření parametrů Standardního modelu (CP narušení, ...) vyřešení otázky původu hmot, objev Higgsova bosonu ? fyzika za Standardním modelem: SUSY, objev nových částic ? vnitřní struktura kvarků ? více dimenzí ? ... ? Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

113 Experimenty na urychlovači LHC (2)
experiment ATLAS 22 m 44 m Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

114 Experimenty na urychlovači LHC (3)
Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR

115 J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR
ˇ+ pixely, PM, HPD. Bethe-Bloch pro elektrony Úvod do fyziky vysokých energií J. Řídký, P. Trávníček, FZÚ AV ČR


Stáhnout ppt "Úvod do fyziky vysokých energií"

Podobné prezentace


Reklamy Google