Large Hadron Colider (LHC)

prečo?-načo?-ako? Valko Pavol, jeseň 2008 Large Hadron Colider (LHC)

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 Systematika elementárnych častícČo sú to hadróny?

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 → mnohopreletovpokruhovej (špirálovej) dráhe • nadobudnutá energia je danná rozdielom potenciálov krát počet preletov mínus radiačné straty pri „zatáčaní“ • rôzne cyklotróny, synchro-cyklotróny, fazotróny etc. Urýchľovače častíc

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) • prvá sa pohybuje s kinetickou energiou E ale druhá je v kľude potom maximálna použiteľné „teplo“ bude Qmax=E/2 • obe sa pohybujú oproti sebe a každá má energiu E/2potom 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) - 1

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) Pevný terč vs. collider (zrážač) - 2

Detektory (ATLAS)

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) Cesta CERN-u k LHC

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 dlhés 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 LHCmagnety chladené až na 1.9 K , pričom „káble“ musia byť schopné prenášať prúdy 15kApri 1.9 K a vydržať sily ekvivalentné stovkám ton na meter dľžkycievky.

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. • LHCmagnety 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)

na príklade štandardného modelu elektroslabých interakcií čo sú to Higgsove bozóny? • bŕŕ a ešte spontánne narušenie symetrie skalárneho poľa ..... +/- výrazne zmení základný stav

"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 čast ~ 10-43s • pri jej veľkosti L ~10-35m nepostretne dosť "potravy" ani pri veľkej rýchlosti • konám dobré skutky čierne diery na LHC ?

http://hcc.web.cern.ch/hcc/cryo_main/cryo_main.phpProblém č.1

Aktuálny stav

Large Hadron Colider (LHC)