LARGE HADRON COLIDER

(LHC)-prečo?-načo?

-ako?

-Valko Pavol, jeseň 2008

SYSTEMATIKA ELEMENTÁRNYCH ČASTÍC ČO SÚ TO HADRÓNY?

leptóny (slabo interagujúce častice) elektrón, mión, tau leptón (tj. nabité leptóny) neutrína elektrónové, miónové a tau (neutrálne leptóny)

hadróny (silne interagujúce častice) baryóny (štruktúrne 3 „kvarky“)

protón, neutrón, rôzne hyperóny ako W, S etc. ) mezóny (štruktúrne 2 „kvarky“)

p, K (strange), D (charm), B (bottom)

x ku každému zodpovedajúca antičastica

bozóny sprostredkujúce interakcie (kalibračné bozóny) fotón, W a Z bozóny, gluóny

URÝCHĽOVAČE ČASTÍC

lineárne → jeden prelet po (zvyčajne) priamej dráhe

nadobudnutá energia je danná rozdielom potenciálov napr. v klasickej CRC obrazovke získaju elektróny cca 25

keV energie (odtiaľ jednotka 1 eV=1.602x10-19 J)

cyklické → mnoho preletov po kruhovej (špirálovej) dráhe

nadobudnutá energia je danná rozdielom potenciálov krát počet preletov mínus radiačné straty pri „zatáčaní“ rôzne cyklotróny, synchro-cyklotróny, fazotróny etc.

PEVNÝ TERČ VS. COLLIDER (ZRÁŽAČ) - 1

ak chceme „objavovať“ nové častice potrebujeme premeniť čo najviac kinetickej energie urýchlených častíc na inú formu (energie resp. hmoty)

to zodpovedá množstvu „tepla“ ktoré vznikne v dôsledku nepružnej zrážky

uvažujme dve rovnaké častice s hmotnosťou m ktoré sa zrazia maximálne nepružne (presne stred na stred)

1. prvá sa pohybuje s kinetickou energiou E ale druhá je v kľude potom

maximálna použiteľné „teplo“ bude Qmax=E/2

2. obe sa pohybujú oproti sebe a každá má energiu E/2 potom

maximálna použiteľné „teplo“ bude Qmax=E

Pre jednoduchosť bola v oboch prípadoch bola použitá klasická mechanika. Pre presný výpočet je s ohľadom na dosahované energie potrebné použiť relativistickú kinematiku !!!!

PEVNÝ TERČ VS. COLLIDER (ZRÁŽAČ) - 2

výhodou collideru je teda lepsie vyuzitie energie pri štúdiu vzniku „nových“ častíc

nevýhodou collideru je, že vnikajúce častice sa rozletia do celého 4p priestorového uhla a menšia luminozita

(30 Apríľ 1983 – prvý Z0 rozpad)

DETEKTORY (ATLAS)

CESTA CERN-U K LHC

ISR (Intersecting Storage Rings) - obvod prstenca 0,9 km v prevádzke od 1971 do 1984, max. energia 2x31 GeV= 62 GeVCMS prvý hadrónový collider (pp), objav neutrálnych prúdov, odskúšané

stochastické chladenie zväzku

SPS (Super Proton Synchrotron) - obvod prstenca 6,9 km v prevádzke od 1976, max. energia 2x400 GeV (450 pre LHC) proton-antiproton ový collider, objav W a Z bozónov

LEP (Large Electron-Positron Collider) - obvod prstenca 26,7 km v prevádzke od 1989 do 2000 , max. energia 2x104,6 GeV elektrón-pozitrónový collider, supravodivé magnety v detektoroch,

supravodivé urýchľovacie dutinné rezonátory, presné meranie Z0 rozpadu a stanovenie počtu generácii leptónov

LHC (Large Hadron Colider ) - obvod prstenca = LEP v prevádzke od ???, projektovaná energia 2x7 TeV v pp zrážkach supravodivé dipólove magnety, hlavný cieľ je „objaviť“ Higgsov bozón

resp. ľahšie supersymetrické častice (neuralino)

CERN

LHC - DESIGN

LHC sú vlastne dva protónové synchrotróny s protibežnými zväzkami

v dvoch magnetických „kanáloch“ vytvorených supravodivými magnetmi sú urýchľované protóny na 7+7 TeV,

po urýchlení budú protóny rotovať v opačných smeroch po dobu niekoľko hodín, pričom sa budú zrážať na zvolených miestach (detetektoroch). Pretože kvalita zväzku časom degraduje (klesá počet častíc v ňom) proces napĺňania a urýchlenia sa pravidelne opakuje.

LHC – SUPRAVODIVÉ MAGNETY

• klasické elektromagnety nedokážu vytvoriť silnejšie dipólové pole ako 2 T, supravodivé niób-titánové môžu pracovať až do 8.36 T.

• v podstate energeticky „bezstrátové“ udržiavanie konštantného poľa

• silnejšie magnetické pole znamená silnejší odklon urýchľovaných častíc, tj. možnosť dosiahnúť vyššie energie na rovnakej kruhovej dráhe

• cievky LHC magnetov sú 14 a viac metrov dlhé s vnútorným priemerom 56 mm.

• celkovo je na LHC použitých 5,000 roznych supravodivých megnetov (včítane rôznych fokusujúcich kvadrupólových a iných magnetov)

• pre porovnanie doteraz najpokročilejšie použitie supravodivých magnetov predstavuje elektrón-protónový collider HERA (DESY Nemecko) kde pole 5.5 T je udržiavané pri 4,2 K.

• na dosiahnutie vyššieho poľa musia byť LHC magnety chladené až na 1.9 K , pričom „káble“ musia byť schopné prenášať prúdy 15 kA pri 1.9 K a vydržať sily ekvivalentné stovkám ton na meter dľžky cievky.

LHC - KRYOGENIKA

na chladenie sa používa podchladené supratekuté hélium ktoré extrémne efektívnym prenosom tepla umožňuje kW chladiace výkony rozviesť na km vzdialenosti s rozdielom teplôt menším ako 0.1 K.

LHC magnety sú umiestnené v lázni 1.9 K supratekutého hélia , ktorá je chladená rozvodom nízkotlakého tekutého hélia rozvádzaného pozdĺž celého obvodu LHC

kryogénny systém LHC je obrovský , jeho chladiaci výkon je 140 kW pri 4.5 K, obsahuje 40 000 vákuovo tesných spojení

12 million litrov tekutého dusíka je potrebných na predchladenie 31,000 ton materialu (LN ~ 25 Sk/liter)

celkový inventár tekutého hélia na LHC predstavuje 700,000 litrov (LHe ~ fľaša blended whisky/l)

PROTÓN AKO PROJEKTIL AJ TERČ (+/-)

hlavné plus protón je podstatne ťažší ako elektrón tj, ľahšie

dosahovanie vyšších energií pri "znesiteľnych" radiačných stratách

•hlavné mínus• protón je častica

ktorá ma zložitúvnútornu štruktúru

• výsledkom budeveľmi komplexnývýsledok zrážky(dôvod pre GRID)

/ /e p e p

ČO SÚ TO HIGGSOVE BOZÓNY?

na príklade štandardného modelu elektroslabých interakcií

bŕŕ a ešte spontánne narušenie symetrie skalárneho poľa .....

+/- výrazne zmení základný

stav

ČIERNE DIERY NA LHC ?

"ľahšie" vysvetliť ako tie, ake? → Higgsove bozóny

čierna diera je každému "jasná“

neunikne z nej ani svetlo, tj. všetko "zožerie" = koniec sveta

ja obavy nemám lebo: v kozmickom žiarení sú aj oveľa vyššie energie ako na LHC Hawkingovo žiarenie spôsobí že sa vyparí za čas t ~ 10-43s pri jej veľkosti L ~ 10-35m nepostretne dosť "potravy" ani pri

veľkej rýchlosti konám dobré skutky

2

2 Ng

MR

c

3N

Planck PlanckL cTc

HTTP://HCC.WEB.CERN.CH/HCC/CRYO_MAIN/CRYO_MAIN.PHP PROBLÉM Č.1

AKTUÁLNY STAV