Úvod do urýchlovačov

19 February 2008 Karel Safarik: Úvod do fyziky častíc 1

Úvod do urýchlovačovÚvod do urýchlovačov

Karel Šafařík (CERN)Karel Šafařík (CERN)

s použitím materiálov ods použitím materiálov od

O.Brüning, E.Wildner…O.Brüning, E.Wildner…


Úvod do urýchlovaÚvod do urýchlovaččovov


Jednotky – elektrónvoltJednotky – elektrónvolt

Elektrónvolt, jednotka energie, oznacovaná ako eV, sa pouzivá pre malé energie:1 eV je definovaný ako energia dodaná castici s nábojom jeden elektrón (t.j. okolo 1.602·10-19 C) elektrickým polom s rozdielom potenciálov 1 Volt:

1 eV = 1.602·10-19 joule

Vo fyzike castíc jednotka eV sa pouzivá taktiez ako jednotka hmotnosti, protoze hmotnost’ a energia sú úzko spojené Einsteinovým vzt’ahom:

E = mc2

kde m je hmotnost castice a c je rýchlost’ svetla vo vákuu

Hmotnost’ elektrónu je okolo 0.5 MeV

Úrýchlovanie

Celková energia

From Wikipedia


RelativitaRelativita

Ked’ sú častice urýchelné ne velkú energiu, ich rýchlost’ v sa pribluzije rýchlosti svetla vo vákuu c

musíme zobrat’do úvahy relativistické efekty

= E/m = p/E = p/m


PrePreččo urýchlovao urýchlovačče?e?PrePreččo stále vyššia energia?o stále vyššia energia?

ččastice – vlny (de Broglie) astice – vlny (de Broglie)

Rozlišovacia schopnost’ je daná vlnvou dlRozlišovacia schopnost’ je daná vlnvou dlžžkoukou

= h / p (h – Planckova konštanta)= h / p (h – Planckova konštanta) (napríklad elektrónový mikroskop má lepšie rozlíšenie ne(napríklad elektrónový mikroskop má lepšie rozlíšenie nežž svetelný svetelný

pre ktory pre ktory ~ few 10 ~ few 1022 nm nm ↔↔ less than 1eV) less than 1eV)

200 MeV ↔ 1 fm (10200 MeV ↔ 1 fm (10-13-13 cm) cm) 1 GeV ↔ 0.2 fm1 GeV ↔ 0.2 fm 100 GeV ↔ 2 × 10100 GeV ↔ 2 × 10-16-16 cm (LEP) cm (LEP) 10 TeV ↔ 2 × 1010 TeV ↔ 2 × 10-18-18 cm cm (LHC) (LHC)


ČČo urýchlovat’ ?o urýchlovat’ ?

elektróny – pozitrónyelektróny – pozitróny velmi dobré na objavy nových (neutrálnych) častíc najjednoduchšia interpretácia výsledkov

protóny (anti-protóny)protóny (anti-protóny) tiež objavy nových častíc, ale energia “elementárnych” zrážajúcich sa

objektov nie je fixovaná štruktúra hadrónov

t’at’ažžké ióny (aké ióny (ažž po Pb) po Pb) vysokoteplotná QCD, fázové prechody nahrievanie vákua


Zdroje častíc: elektrónyZdroje častíc: elektróny

Katóda

Iris

Vysoké napätie

Elektrónový zväzok

Najjednoduchší zdroj – v podstate elektrónka

Obrazovka (starých) televízorov – typický elektrónový urýchlovač na ~ 10 KeV


Zdroje častíc: protónyZdroje častíc: protóny

Katóda

Gas in

Anóda

Plasma

Vylietavajúce ióny

Duoplasmatron z CERNovskej Linac-Homepage


Zdroje Zdroje ččastíc: antiprotónyastíc: antiprotóny

protóny

Target

p

p

Zber antiprotónov

a chladenie!


Sily pôsobiace na nabitú časticuSily pôsobiace na nabitú časticu

Mení smer pohybu častice, nemení jej hybnost’ !

Urýchluje častice !

+

Lorentzova sila:


Princíp urýchlovania: časovo meniace saPrincíp urýchlovania: časovo meniace saelektrické poleelektrické pole

Lineárne urýchlovace

Cirkulárne urýchlovace


Lineárne urýchlovačeLineárne urýchlovače

- V +Zjednodušený Linac

častice sa zgrupujú dokopy (klobásky), aby sme zaistili, že elektrické pole má správny smer v čase ked’ klobáska prileti do danej ”medzery”

Rýchlost’ častíc sa stále zvyšuje, preto dlžka modulov sa zväčšuje tak, aby prilet častíc bol synchronizovaný zo smerom elektrického pola v danej medzere

Alvarez: Resonance tank Linac


CyklotrónCyklotrón

Dostredivá sila=-Odstredivej sile:

To isté, inak:

Frenkvencia nezávisí od polomeru, ale len v nerelatickej limite! Toto nie je pravda pri vysokých enrgiách ak prejdeme do relativistického režimu. Frenkvencia sa musí menit’ v závislosti na rýchlosti častíc: synchrocyklotron.

Kontinuálny tok castíc (nie klobásky)


Synchrotrón

Skupiny Skupiny ččastíc (klobásky) astíc (klobásky) obiehajú synchrónne s obiehajú synchrónne s radiofrkvenradiofrkvenččným polom v ným polom v urýchlovacej kaviteurýchlovacej kavite

KaKažždá dá ččastice obieha astice obieha nedaleko ideálnej nedaleko ideálnej (teoretickej) orbity: aby (teoretickej) orbity: aby toto fungovalo urýchlovanie toto fungovalo urýchlovanie a magnetické polia musia a magnetické polia musia splnat’ kritéria stabilitysplnat’ kritéria stability

Magnet

RF medzera- V +


DipólDipól

Dipolový magnet zatáča dráhu častíc v horizontálnej rovine (vertikálne pole)

e

pB

syxBp

e

syx

mvp

mvF

BevF

y

s

sr

ysx

),,(),,(

1

/2

s (beam direcion)

y x

”Magnetická rigidita”


Fokusacia: KvadrupólFokusacia: Kvadrupól

Castice musíme fukusovat’, aby zostali v urýchlovaciPodobne ako v optickom systéme

Kvadrupól

Kladný náboj pohybujúci sa smerom k nám:Defokusuje sa v horizontálnejrovine,fokusuje sa vo vertikálnej rovine.

+

+


KvadrupólKvadrupól

y (vertikála)

x (horizontála)

Sila je úmerná vzdialenosti od stredu:

častice daleko od stredu magnetu sa zatáčajú viac, dostanú vačšiu korekciu


Fokusujúci systémFokusujúci systém

”Alternate gradient focusing” spravý celkový fokusujúci efekt (porovnajte napríklad s optickým systémom v kamerách)

Zväzok potrebuje menej miesta vo vákuovej komore, amplitúdy sú menšie a pri rovnakom rozmere magnetov kvalita magnetického pola je lepšia (optimalizácia ceny)

Synchrotron: Magnety striedajú orientáciu kvadrupólového pola (F – fokusácia, D -defokusácia)(B – bending, zatocenie)

F

DB

B

B


Korektory

Beam Position Monitors (monitory polohy zvazku) merajú polohu zvazku v blízkosti kvadrupólu, zvazok má prechádzat’ v prostriedku...Malé dipolové magnety sa pouzívajú na korekcie mozných chýb v pozícii zvazku.

Iné typy magnetov sa pouzívajú na korekcie d’alsích chýb, napríklad ne-ideálnost’ magnetických polí


Možné chyby

Typy chýb, ktoré môžu ovplyvnit’ urýchlovací proces a musia sa korigovat’:

Pohyb povrchu ZemeVlaky...MesiacRočné obdobieKonštrukcné práce...

Kalibrácia magnetov je velmi dôležitáRegulácia prúdu v magnetoch...

Energia častíc musí zodpovedat’ hodnote pol’a v magnetoch, aby častice zostali na svojej orbite. Kontrola urýchlovania!


Elektrické polia pre urýchlovanieElektrické polia pre urýchlovanie

Rezonančný obvodKavita pre urýchlovanie


-3 -2 -1 1 2 3

-1

-0.5

0.5

1

Urýchlovanie v synchrotrone

““Bucket”: Energeticko-fázová podmienka Bucket”: Energeticko-fázová podmienka stabilitystability

RF fáza

Hybnost’ – Referenčná hybnost’

Skupina Skupina ččastíc (“bunch”, “klobáska”)astíc (“bunch”, “klobáska”)

Urýchlovacia medzera Urýchlovacia medzera ss

RF napatímRF napatím

Toto zodpovedá elektrickému polu Toto zodpovedá elektrickému polu ktoré vidí referenktoré vidí referenččna na ččasticaastica

Prvá Prvá ččastica zvýši energiu menej astica zvýši energiu menej

tt

VV


Experimenty

TerTerččíkové:íkové:

Bombardovanie materialu zvazkom vypusteným von z Bombardovanie materialu zvazkom vypusteným von z urýchlovaurýchlovačča.a.

Bublinové komoryBublinové komory

PouPoužžitelnú energiu treba poitelnú energiu treba poččítat’ v t’aítat’ v t’ažžiskovom systéme (t.j. iskovom systéme (t.j. zrázrážžajúce sa objekty)ajúce sa objekty)

ZráZrážžat’ at’ ččastice je ovel’a astice je ovel’a výhodnejšievýhodnejšie

1960: elektrón/pozitrónový 1960: elektrón/pozitrónový zrázrážžaačč

1970: protón antiprotónový 1970: protón antiprotónový zrázrážžaačč

2000: ionový zrá2000: ionový zrážžaačč, Au , Au (zlato)(zlato)


Zrážače

Všetky častice sa nezrázajú v tom istom čase -> je potrebný dlhý čas

Potrebujeme dva zvazky

Antičastice sú odlišné (a drahé) na výrobu (~1 antiprotón potrebuje 106 protónov)

Zvazky sa navzájom ovplyvnujú: zvazky musia byt’ separované ked’ sa nezrážajú


Urýchlovače v CERNeUrýchlovače v CERNe

Energie:

Linac 50 MeV

PSB 1.4 GeV

PS 28 GeV

SPS 450 GeV

LHC 7 TeV


LHC


LuminozitaLuminozita

FfnN

L revbb

4

2

PoPoččet et ččastíc v bunchi astíc v bunchi (klobáske) (dva (klobáske) (dva zvazky)zvazky)

PoPoččet bunchov (klobások) vo zvazkuet bunchov (klobások) vo zvazku

Frekvencia otáFrekvencia otáččaniaania

Formfactor z uhla zvazkovFormfactor z uhla zvazkov

Optická beta funkciaOptická beta funkcia

EmitanciaEmitancia

)2

cos()()( sQL

ssx x

A


Synchrotrónne žiarenieSynchrotrónne žiarenie

Dráha časticeSynchrotrónny svetelný kužel

Elektromagnetické vlny

Urýchlované nabité častice vyžarujú fotóny

Radio signály and Röntgennové lúče

2

4

P3

E


VákuumVákuum

“Nabuptnanie” zvazku

Straty častíc

Nežiadúce zrážky v experimentoch

Limituje luminozitu


Supravodivost’Supravodivost’

PrePreččo supravodivé magnety?o supravodivé magnety?

Menší polomer, menši poMenší polomer, menši poččet et ččastíc v urýchlovaastíc v urýchlovačči, menší urýchlovai, menší urýchlovačč

Šetrenie energiou, ALE velmi komplexná infraštruktúraŠetrenie energiou, ALE velmi komplexná infraštruktúra


Supravodivý dipól pre LHCSupravodivý dipól pre LHC

LHC dipóly (1232 + rezerva) vyrobené in 3 firmami (Nemecko, LHC dipóly (1232 + rezerva) vyrobené in 3 firmami (Nemecko, Francúzsko a Taliansko, velky high-tech projekt)Francúzsko a Taliansko, velky high-tech projekt)


LHC DipólLHC Dipól

“Dva v jednom” konštrukcia

Pracovná teplota 1.9 K !

Najchladnejšie miesto vo vesmíre...


LHCLHC


LHCLHC


Budúce urýchlovačeBudúce urýchlovače


04//02/2009 Starting Physic with ALICE K.Safarik 37

Čo sa stalo s LHC?

SQM 2008 中国·北京 · 清华大学 2008 年 10 月安飞德意大利国家核物理学院（帕多瓦）

3838

Častice vČastice v LHC LHC

first signs of life…first signs of life… 14-15 June14-15 June extraction in TI2 and dumpextraction in TI2 and dump

injection tests injection tests 1)1) 8-11 August8-11 August

first injection in LHC (beam 1)first injection in LHC (beam 1)

2)2) 22-24 August22-24 August first injection of beam 2first injection of beam 2

3)3) 5-7 September5-7 September

circulating beamscirculating beams 10 September10 September

3838


3939

Extraction tests: 14-15 JuneExtraction tests: 14-15 June

3939

14 June 15 June

ALICE Pixels

beam extracted from beam extracted from the SPS and dumped in the SPS and dumped in the transfer linethe transfer line

muons make it all the muons make it all the way to ALICEway to ALICE

Federico Antinori, SQM2008


4040

08.08.0808.08.08 ：： First Injection in LHCFirst Injection in LHC ! !


4040

Federico Antinori, SQM2008


4141

First injection in the LHC!First injection in the LHC!

8 August 20088 August 2008 ALICE SPD (pixel) and V0 ALICE SPD (pixel) and V0

(scintillator) switched on (scintillator) switched on during first phase (upstream during first phase (upstream dump)dump) pilot bunches: ~ 5 10pilot bunches: ~ 5 1099 protons protons

Trigger: ≥ 10 hits on layer 2Trigger: ≥ 10 hits on layer 2 32 events triggered 32 events triggered

Run 51403 (16:53 to 18:05)Run 51403 (16:53 to 18:05)

4141

multiplicity

SPDSPD

V0 vs SPDV0 vs SPD

ADC vs multiplicity

Δt

04//02/2009 Starting Physic with ALICE K.Safarik 424242

ALICE

ATLAS

CMS

LHCb

Le BoisJoly

Point 3

SQM 2008 SQM 2008 中国中国 ··北京北京 · · 清华大学清华大学 20082008 年年 1010 月安飞德意大利国家核物理学院（帕多月安飞德意大利国家核物理学院（帕多瓦）瓦）

4343

10 September: circulating beams!10 September: circulating beams!

beam 1: 1beam 1: 1stst complete orbit ~ 10:30 complete orbit ~ 10:30

beam 2: 1beam 2: 1st st complete orbit ~ 15:00complete orbit ~ 15:00

4343

first signals from ALICEfirst signals from ALICE


4444

LHC operation 10 – 11 September

First orbit RF capture


4545

11 September: RF capture11 September: RF capture(Physics data!)(Physics data!)

11 September, ~ 22:35 first capture11 September, ~ 22:35 first capture beam 2 kept in orbit for over 10 minutes! beam 2 kept in orbit for over 10 minutes!

series of injections with tens of mins RF capture during series of injections with tens of mins RF capture during nightnight in ALICE: 673 events in totalin ALICE: 673 events in total

first data for Physics (beam 2 background)first data for Physics (beam 2 background)

4545

run 58338run 58338event 27event 27

J. Schukraft 46

First circulating beam: background rates

CosmicBeam

Run 58338

Longest beam run

Run 58338: First event: 21:47:39, last event: 21:53:09 – total 920 sec. Total 235 events. Rate: 0.2554 Hz11·10-3 orbits/sec. Rate: 2.3·10-5/orbitIntensity: 2·109 p. Rate: 1.15·10-4/orbit 109 p

Estimate for 1010 p intensity and two beams: 2.3·10-4/orbit

At 450 GeV β*=10 m, transverse size 270 μm

At beam intensity Np=2·109, luminosity is

Lb=5·1025 cm-2s-1, interaction probability: I

b=3·10-5/BC

At Np=5·1010 probability is I

b=1.875·10-2/BC

compared to the background rate

estimate of 0.115·10-2/orbit.

Background rate

Event rate

Sept 11th beam had circulated more than 6 million times !!! A.Kisiel

10 December 2008 Fate of Physics at LHC K.Safarik 47

Fate of Physics at LHCFate of Physics at LHC

…and we were 5’ from it…

Temperatures LHC Sector 34Friday 19th Sep

Jan Fiete Grosse-Oetringhaus


4848

So: what happenedSo: what happened on 19 Septon 19 Sept??

19 September, ~ 11:30: large helium leak in sector 3419 September, ~ 11:30: large helium leak in sector 34 helium escaped in the tunnelhelium escaped in the tunnel insulation vacuum brokeninsulation vacuum broken beam vacuum broken (up to sector valves)beam vacuum broken (up to sector valves)

confirmed: due to electrical fault confirmed: due to electrical fault resistive splice in interconnectresistive splice in interconnect

magnets in sector 34 were being commissioned to 5 TeV (10kA)magnets in sector 34 were being commissioned to 5 TeV (10kA) at 450 GeV (1kA) worked wellat 450 GeV (1kA) worked well incident occurred at ~9kAincident occurred at ~9kA all other (7) sectors had been commissioned to 5 TeV (and above) all other (7) sectors had been commissioned to 5 TeV (and above)

without problemswithout problems

4848


4949

When will beam resume?When will beam resume?

clear that recovery of sector 34 will take during the winter clear that recovery of sector 34 will take during the winter shutdownshutdown

LHC operations are planned to restart in fall of 2009LHC operations are planned to restart in fall of 2009 precise planning being worked outprecise planning being worked out

“ “Chamonix meeting”Chamonix meeting” looking into different scenarioslooking into different scenarios one possibility is running over winter, till autumn 2010, and at the end one possibility is running over winter, till autumn 2010, and at the end

a “standard HI run” a “standard HI run”

ALICE now in shutdown modeALICE now in shutdown mode repairsrepairs improvementsimprovements additional installationsadditional installations …… 4949

Documents

Úvod do urýchlovačov