Gyorsítók

1. Gyorsítók Veszprémi Viktor ATOMKI, Debrecen Supported by NKTH and OTKA (H07-C 74281) Hungarian Teacher Program, CERN

2. kvark, lepton hadron, mezon atommag atom molekula szilárdtest, folyadék Az anyag felépítése Erős,gyenge, elektromágneses Részecskefizika Erős Erősmaradék, gyenge • Fizikában visszafelé • derítjük fel a szabályokat • Minden szinten újabb kölcsönhatással találkozunk • Minél mélyebbre akarunk látni, annál több energiát kell befektetnünk Elektromágneses EM, gravitáció Hungarian Teacher Program, CERN

3. Hogyan látunk különböző méreteket? Hungarian Teacher Program, CERN

4. Tárgyak vizsgálata • Kölcsön kell velük hatnunk: rátekintéssel, tapintással • Pl. világítsuk meg őket: • A megismerés kezdeti módszere az elektromágneses kölcsönhatás • Látható fény felbontása mikroszkópban ~1 mikron (fény hullámhossza) Hungarian Teacher Program, CERN

5. Tárgyak mélyebb vizsgálata • A részecskék hullám tulajdonsága, De Broglie - egyenlet: és ahol • Tömeggel rendelkező részecskék hullámhossza rövidebb! • Egy 40 keV kinetikus energiájú és 0.511 MeV nyugalmi tömegű elektron De Broglie hullámhossza ~1 nm • Egy elektron-sugáron alapuló mikroszkóp felbontása a hagyományos optikainak 1000-szerese Hungarian Teacher Program, CERN

6. Az elektronmikroszkóp Pásztázó mikroszkóp • ~0.5 nm felbontás • ~40 keV kinetikus energia • Atomok mérete ~0.1 nm Hangyafej, forrás: Wikipedia Forrás: Wikipedia Hungarian Teacher Program, CERN

7. „Képalkotás” az atomfizikában • Rutherford kísérlet • az atommag felfedezése • Alfa részecskékkel (hélium) bombázott arany fóliát http://sun.menloschool.org/~dspence/chemistry/atomic/ • Ha a fólia homogén lenne, az alfa részecskék csak előre szóródnának • Visszafelé is szóródó részecskéket is mért! Hungarian Teacher Program, CERN

8. A kísérleti részecskefizika kellékei • Nagyenergiás részecske forrás, letapogató nyaláb • Vizsgálandó céltárgyak • Szóródó részecskék mérésére alkalmas „képalkotási” eszközök Hungarian Teacher Program, CERN

9. A természet sugárzó forrásai • Radioaktív források • Alfa (hélium atom) <5 MeV • Béta (elektron) <3 MeV • Kozmikus sugárzás • ~90% proton, ~10% alfa részecske • Max. energia 3*1020 eV • A légkör felső részéből müonok • Hátrányuk • nem jól meghatározott (néha nem elég) energiával • nem a megfelelő helyen jelennek meg • alacsony számban Kozmikus sugárzás fluxusa azenergia függvényében. Forrás: Wikipedia Hungarian Teacher Program, CERN

10. Megoldás: részecske gyorsítók • Első gyorsító: Lineáris (The Incredible Machine) • A golyó lendületet nyer a csúszkán • A platók szintet váltanak amíg a golyó rajtuk gurul Hungarian Teacher Program, CERN

11. Mitől gyorsul a részecske? • Használjuk ki hogy elektromosan töltöttekLorentz erő: • Elektromos tér (E) gyorsítja a töltött részecskéket • Mágneses tér (B) csak az irányukat változtatja meg • Magasabb plató → magasabb elektromos potenciál Hungarian Teacher Program, CERN

12. Gyorsító üzemeltetése - játék Hungarian Teacher Program, CERN

13. Linac (Linear Accelerator) • Első tervek (1928-ból) szerint drift kamrákból épült fel • A gyorsított ionok még nem relativisztikusak, egyre hosszabb kamrákra van szükség, ahogy az ionok sebessége nő • Az eszköz határát a kamrák mérete és az alkalmazható frekvencia felső határa szabja meg • Hogyan lehetne mégis növelni az energiát? Hungarian Teacher Program, CERN

14. Mégtöbb gyorsítás ciklotronnal Csigaalakba feltekert lineáris gyorsító helyet takarít meg Hungarian Teacher Program, CERN

15. Körpálya mágneses mezővel • Ismét segítségül hívjuk a Lorentz-erőt: Ebből a sugarat kifejezve mivel A szögsebesség, , konstans mágneses mező esetén állandó! • Gyorsítás a két „D” közötti hézagban • Az elektromos tér váltakozásának frekvenciája konstans Hungarian Teacher Program, CERN

16. A szinkrotron • Ciklotron méretét a „D” mérete korlátozza • Tartsuk a részecskéket egy csőben ! • A részecske energiájával „szinkronban” növekvő mágneses mező a cső mentén és megfelelően modulált elektromos tér Hungarian Teacher Program, CERN

17. Gyorsítás csőben Hungarian Teacher Program, CERN

18. B x y z D F D F Részecske-nyaláb instabilitásai • Több részecskét keringetünk egyszerre • Azonos töltések taszítják egymást • Párhuzamos áramok vonzóak • Instabil nyaláb, fókuszálni kell. Megoldás: további mágnesek • Az y-ban Fókuszáló mágnes x-ben Defókuszálóként működik, és viszont Hungarian Teacher Program, CERN

19. Fókuszálás kvadrupól mágnessel Hungarian Teacher Program, CERN

20. Részecskegyorsítók kellékei • Töltött részecskék forrása • RF gyorsító üregek • Hangolható terű dipolmágnesek kör alakba rendezve • Fókuszáló kvadrupol mágnesek, terelő lemezek Hungarian Teacher Program, CERN

21. A világ gyorsítói Hungarian Teacher Program, CERN

22. A Nagy Hadronütköztető (LHC) Hungarian Teacher Program, CERN

23. Az LHC gyorsító-komplexuma 450 GeV→ 7 TeV 26 GeV → 450 GeV 1.4 GeV → 26 GeV 50 MeV → 1.4 GeV Hungarian Teacher Program, CERN

24. Az LHC alagút • 27 km kerület, 50 – 127 méter mélyen, 3.8 méter átmérőjű alagút • Proton (7 TeV) vagy nehézion (2.75 TeV/n) nyalábok • 4 perc 20 másodperc töltési idő • 20 perc gyorsítás Hungarian Teacher Program, CERN

25. A mágnesek szerkezete • 8.4 T mágneses tér, 11700 A árammal • Szupravezető mágnesek 1.9 K folyékony héliumban • 14.3 méter hosszú, 35 tonna • 1232 darab, darabonként félmillió svájci frank Hungarian Teacher Program, CERN

26. A dipólmágnesek tere Hungarian Teacher Program, CERN

27. A mágnesek leengedése az alagútba Hungarian Teacher Program, CERN

28. A mágnesek összeszerelése Hungarian Teacher Program, CERN

29. Az LHC detektorai Hungarian Teacher Program, CERN

30. Nyalábok keresztezése • Vékony nyalábban, 2808 csomagok sorakozik • Csomag: 100.000 millió proton, 16 mikron átmérő, néhány cm hosszú • 25 ns időközökben kereszteződnek, átlagban 20 ütközést keltve • 800 millió ütközés másodpercenként Hungarian Teacher Program, CERN

31. Egy „esemény” képe A tervek szerint idén már látni fogunk ilyet!! Hungarian Teacher Program, CERN

32. Összefoglalás • A részecskefizika részecskék kis távolságból történő szóródását tanulmányozza, ebből a részecskék közötti kölcsönhatásokra modelleket alkot • Ennek a módszernek jelenleg elengedhetetlen eszközei a gyorsítók • Az LHC, beindulása után, a jelenlegi legnagyobb energián fog ütközéseket produkálni • A létrejött eseményekben új fizikai jelenségek, új részecskék megjelenését várjuk. Hungarian Teacher Program, CERN