Велики  Хадронски  Сударач  (LHC)  у  CERN-­‐у  

Милош  Ђорђевић  Институт  ”Винча”  

MasterClass  курсеви  -­‐  2012  

Јужни  пол  :  -­‐  80°C  

1  

T  =  -­‐  271°C  

2  

температура  Сунца  =  20  милиона°C  

3  

Т  =  10  милиона  милијарди  °C  

4  

отворени  Свемир  :  100  µPa  до  <3fPa  

5  

притисак  у  вакуумским  цевима  :  100  nPa  до  <1nPa  

6  

LHC  пројект  комплетиран  После   скоро   20   година   планирања   и   изградње,   Large   Hadron  Collider  –  LHC  од  новембра  2009.  омогућава  успешно  убрзавање  и  сударе  снопова  протона  и  тешких  јона  олова  у  CERN-­‐у.  

7  

Градивне  јединице  материјалног  света  

Ћелије Двадесет по mm

ДНК Пет стотина хиљада по mm

Језгро Пет стотина

милиона по mm

Кваркови Више од једног милиона

милијарди по mm

Желите додатно увећање?

x 2 хиљаде

x 25 хиљада

x 1 милион

Електронски микроскоп

Акцелератори честица

2 fm

< 1 am

50 µm

2 nm

Микроскоп

8  

Неки  од  главних  циљева  изградње  LHC-­‐а  •  Higgs-­‐oв  бозон    •  Суперсиметрија  

•  Додатне  димензије    •  Тамна  материја    •  Обједињавање  интеракција    •  Природа  гравитационе  интеракције  

•  Однос  материје  и  антиматерије  

•  Кварк  –  глуон  плазма     9  

Француски Алпи

Женевско језеро Женева

Планина Јура (Француска)

Где  се  налази  LHC?  

10  

Основне  компоненте  акцелератора  

1.    Систем  за  инјекцију  2.    Систем  за  колимацију  3.    Систем  за  убрзавање  

11  

Акцелераторски  комплекс  у  CERN-­‐у  

12  

Неке  особине  магнета  акцелератора  LHC    

•  58  различитих  типова  -­‐>  93  000  магнета  

•  Суперпроводни  магнети  леже  у  суперфлуидном  хелијуму  на  атмосферском      притиску  и  температури  од  1.9K  

•  Диполни  магнети:                -­‐  држе  протоне  на  кружној  орбити                -­‐  производе  магнетно  поље  100000  пута  веће  од  магнетног  поља  Земље                -­‐  представљају  главну  ставку  буџета  LHC-­‐a                -­‐  1232  диполна  магнета                -­‐  15  метара  дужине,  35  тона  сваки    •  Квадруполни  магнети:                -­‐  Ограничавају  дивергенцију  снопа  (обезбеђују  његову  стабилност)                -­‐  Фокусирају  снопове  у  интерационим  тачкама  како  би  се  обезбедила  висока                        луминозност    •  6,  8,  10  –  полни  магнети  служе  за  додатне  корекције  снопа  

 

Не  спадају  у  стандардне  магнете    !  

13  

Скуп радиофреквентих шупљина Убрзавајуће поље: 5 милиона волти по метру Фреквенција: 400MHz

RF  систем  за  убрзавање    

14  

Снага  акцелератора  LHC  је  огромна   Замислите да користите акумулатор аутомобила напона 12V за убрзавање протона. Протон добија кинетичку енергију од:

E = q ΔV = 1 e 12 V = 12 eV

Погледајмо сада којег су реда величине енергије које обезбеђује LHC:

1 keV = 1000 eV 1 MeV = 106 eV 1 GeV = 109 eV 1 TeV = 1012 eV = 1 трилион електрон волти

LHC убрзава протоне до 7 TeV на 7 TeV Треба нам 1.17 трилиона акумулатора да би могли да се такмичимо са LHC-ом!

Proton

P+

+ 12V -

15  

Унутар две вакуумске цеви протони су организоване у пакете (банчеве) Око 100 милијарди протона налази се у једном банчу 2835 банчева у свакој вакуумској цеви циркулише унутар прстена

Сваки банч има пресек од око 20µm, а дужину од око 10cm Ширина банча одговара отприлике 1/5 дебљине људске косе!

100 billion protons

10cm

20µm

Снопови  су  организовани  у  пакете  (банчеве)  

16  

Укрштање банчева: 40 милиона пута у секунди    

       

2835 Банчева/Снопу

   

1011 Протона/Банчу

   

Судари протона: милијарду судара у секунди    Судари партона    

Продукција нових честица          (Higgs, SUSY, ....)    

p   p  H  µ  +  

µ  -  

µ  +  µ  -  Z  Z  

p   p  

e  -   ν  e  

µ  +  µ  -  

q  q  

q  q  

χ  1  -  g  ~  ~  

χ  2  0  ~  

q  ~  

χ  1  0  ~  

7.5 m (25 ns)  

IB = 0.6A Eснопова = 360 MJ Eмагнета = 600 MJ, Total 1 GJ !!

По једна нова честица ”можда” сваког сата ???

Судари  снопова  протона  

17  

Зашто  сударач?  •  Енергија   у   систему   центра   масе   √s   представља   корисну  

енергију  која  у  судару  може  да  се  конвертује  у  масу  •  Инваријанта  у  односу  на  Лоренцове  трансформације  •  У  судару  две  честице  са  4-­‐векторима  импулса  p1,  p2  важи:      

•  Протонски  сноп  који  удара  у  фиксну  мету:  

                                   √s  =  √(2pmp)  ~  √p  

•  Судар  два  протона  једнаких  енергија:  

                                     √s  =  2p  ~  p  

221 )( pps

+=

p  

p   p  

18  

Треба довести протоне у стање судара. Циљамо тако да један банч погоди право у други.

Како  сударити  банчеве?  

Банч од 100 милијарди протона

Други банч од 100 милијарди протона

27km

Урадити ово теже је него сударити две игле које су испаљене са супротних страна Атлантског океана.

27km

19  

Луминозност  и  брзина  реакције  

ANfNNL b21= [ ]12 −− scm

1N 2NbN

- број честица у сноповима      - број банчева у сноповима    

- фреквенција судара    f А   - попречни пресек снопова

и

LR σ=⇒

-­‐  максимална  луминозност  LHC-­‐a:  1034/cm2s  -­‐  пресек  протона:  ~20x10-­‐25cm2  

-­‐  по  20  судара  у  сваком  укрштању  банчева  -­‐  по  1  укрштање  банчева  сваких  25  ns  -­‐  приближно  1  250  000  000  судара  сваке  секунде!  

ℒ = !"# !1! = 10!!"!"!!

20  

На  четири  места  долази  до  укрштања  снопова  

Тачке  у  којима  се  снопови  сударају  

21  

ATLAS

22  

CMS

23  

ALICE

24  

LHCb

25  

artwork:  CERN    

Март  2012  :  LHC  се  припрема  ...  

26  

72%

5% 23%

Април  2012  :  LHC  је  спреман  акцију!  

27