Okamžik zrození

1. Okamžik zrození

2. Toto je pracovní a diskusní materiál pro přípravu pořadu o LHC v Planetáriu. Cílem této prezentace je připravit rozumně objemný text pro vypravěče v korelaci s ilustracemi a usnadnit diskusi, co a jak říkat. Cílem pořadu je přinést plejádu ilustrativních informací včetně ilustrativních čísel a trochu zpravit posluchače o tom, co LHC znamená. Cílem pořadu není zevrubné vzdělání posluchačů v současné částicové fyzice.

3. Nové uspořádání podle planetária: Musíme dodat 13 stran textu pro spíkra a 300 fotografií (korelovaných). Všechny obrázky musí být vhodné pro temnou kopuli. Otevření pod hvězdami … od vesmíru po mikrosvět z jedněch komponent, studuje se to různě Nejdřív úvod do částic (neboť to má být pro školy) a co se hledá … 3 str. Urychlovač LHC … 2 str. Experimentální úvod … 2 ATLAS … 2 ALICE … 2 Data a GRID … 1 CERN, základní výzkum … 1

4. Nový vědecký nástroj, spouštěný po 24 letech od začátku příprav a 14 let od schválení projektu. Očekávaná „porodnice“ nových částic a jevů: například Higgsův boson, supersymetrické částice, extradimenze … LHC, CERN Simulace podmínek raného vesmíru v podobě horkého a hustého kvark gluonového plazmatu Evropská laboratoř pro částicovou fyziku v Ženevě, občasné pracoviště mnoha českých fyziků

5. LHC - nový vědecký nástroj, spouštěný po 24 letech příprav LHC (Large Hadron Collider = Velký srážeč hadronů) je urychlovač protonů a těžkých jader vestavěný do 27 kilometrového tunelu 100 metrů pod zemí na předměstí Ženevy

6. LHC - nový vědecký nástroj, spouštěný po 15 letech příprav K čemu je dobrý urychlovač? … K tomu, aby urychloval částice, či spíše aby jim dodával velkou energii, protože od Alberta Einsteina už víme, že ani nemohou dosáhnout rychlosti světla. V případě LHC jsou urychlovány dva svazky protonů proti sobě, každý proton nese energii 7 TeV, tedy má zhruba energii 7 000 krát větší než klidovou (E0=m0c2). Jde o to, urychlené částice srazit a dívat se pomocí různých detektorů, co ve srážce vzniklo. Jak se to dělá? Tady je přehled postupného urychlování protonů v CERN

7. LHC - nový vědecký nástroj, spouštěný po 15 letech příprav Jak pracuje současný urychlovač? Urychlovač je vestavěn v tunelu podobném tunelu metra. Urychlované částice, které musejí být nabité, létají ve vakuu v trubce zahnuté do kruhu. K letu po kruhové dráze jsou nuceny magnetickým polem magnetů obklopujících trubku. Na několika místech jsou částice urychlovány vysokofrekvenčním polem v urychlovacích dutinách

8. LHC - nový vědecký nástroj, spouštěný po 15 letech příprav Hlavní součástí LHC je 1232 supravodivých magnetů, pracujících při teplotě 1,9 K (-271 °C), které udržují urychlované částice na kruhové dráze. Magnety vytvářejí magnetické pole 8,4 T, což je zhruba dvěstětisíckrát více než magnetické pole Země. Teče jimi proud zhruba 11 700 A. Konvenční, například měděný vodič, by musel mít velký průřez a stejně by měl obrovské ztráty. Proto je použit supravodič. Ten ale potřebuje chlazení na teplotu několik málo kelvinů. Studené části musí být dobře tepelně izolované. Výsledkem je, že čtrnáct metrů dlouhý magnet má 35 tun a stojí půl miliónu CHF… Díra pro vakuovou trubici, kterou létají částice v jednom směru … … a díra pro vakuovou trubici, kterou létají částice v opačném směru

9. LHC - nový vědecký nástroj, spouštěný po 15 letech příprav Cívky jsou navinuty ze supravodivého kabelu, který je složen z mnoha (227 000) tenkých niob-titanových vláken (desetkrát tenčích než lidský vlas) obalených mědí. Chlazení zajišťuje zhruba 700 000 litrů kapalného a navíc supratekutého hélia. Celkový potřebný chladicí výkon je zhruba 140 kW. Příkon chladicího systému je ale daleko větší, asi 28 MW. V trubkách pro svazky částic není skoro nic, aby částicím v letu nic nevadilo. Ono „skoro nic“ znamená vakuum s tlakem 1/10 000 000 000 000 tlaku atmosférického. Stejně zbývá zhruba 3 milióny molekul na cm3(je to ekvivalentní atmosféře ve výšce asi 1000 km nad povrchem Země). Chladné části magnetů a rozvod chladicího hélia jsou také izolovány vakuem, to je však horší, jen 1/1 000 000 000 atmosférického tlaku.

10. LHC - nový vědecký nástroj, spouštěný po 15 letech příprav Magnety bylo potřeba vyrobit, otestovat, spustit 100 metrů pod zem … … rozvézt po 27 kilometrech tunelu

11. LHC - nový vědecký nástroj, spouštěný po 15 letech příprav … pospojovat všechny trubky … … otestovat, a pak chladit a chladit … Kromě těchto dipólových magnetů jsou potřeba speciální magnety na zaostřovaní svazku, systém odvedení a bezpečného pohlcení svazku, urychlovací dutiny a moc dalších zařízení.

12. LHC umí částice urychlovat a srážet. Srážky sledují detektory. Na LHC budou pracovat čtyři velké detektorové komplexy ─ experimenty ATLAS, CMS, ALICE a LHCb Tunel tu už byl, bylo potřeba vykutat další prostory (červeně označené)

13. Experimenty ATLAS, CMS, ALICE a LHCb chtějí získat co nejvíce informací o částicích vylétajících ze srážek. Proto musejí být bohužel dosti velké a tím složité a drahé. ATLAS 22 m O ATLASu tu mluvíme proto, že na jeho konstrukci se podíleli čeští fyzikové a české firmy. Podobně je tomu u ALICE. 44 m To jsou rozměry pořádné budovy! ATLAS ale sídlí v jeskyni 100 m pod zemí, takže musí jít o pěkně velkou jeskyni …

14. Budování podzemní jeskyně ATLAS

15. Zařizování podzemní jeskyně ATLAS Do vybetonované jeskyně byly spuštěny přístupovými šachtami jeřáby, stěny pokryty lešeními, vzduchotechnikou … …a pak tu byl nainstalován celý komplex detektorů ATLAS … Filmeček Episode1

16. A jak celý ATLAS vlastně funguje? Chceme zjistit, jaké částice z místa srážky vylétají, kolik jich je a jaké mají vlastnosti. Srovnáváním těchto údajů s předpověďmi teoretických modelů dovoluje získávat nové poznatky a objevovat nové jevy. Proto bod srážky obklopíme takovým systémem detektorů, abychom zaregistrovali dráhy částic, ze zakřivení dráhy v magnetickém poli jejich hybnosti, a abychom také změřili energie částic. Různé detektory obklopují bod srážky 16

17. A jak celý ATLAS vlastně funguje? Mionový detektor se nepokouší miony zachytit, ale zaznamenává jejich dráhy zakřivené magnetickým polem. Elektromagnetickýkalorimetr nabízí materiál pro rozvoj elektromagnetických spršek a měří absorbovanou energii. Vnitřní dráhový detektor Zachytí dráhy nabitých částic, více či méně zakřivených magnetickým polem. Hadronovýkalorimetr: nabízí svůj materiál pro rozvoj hadronových spršek a měří energii, kterou v něm částice zanechají. elektron mion Velké je to protože … viz další stránka hadrony Zakřivení drah nabitých částic v magnetickém poli umožňuje určit jejich hybnost Neutrina utíkají nezpozorována!!!

18. A jak celý ATLAS vlastně funguje? Vnitřní detektor, kalorimetry a vnější mionový detektor chceme navrstvit kolem bodu srážky. Standardně se používá válcové uspořádání s víky na obou koncích. Typická vrstva materiálu, například železa, která je potřeba na zachycení energie částic, které budou vznikat při srážkách protonů na LHC je zhruba 1 ― 2 metry, mionový detektor potřebuje sledovat dráhy mionů dlouhé několik metrů. Proto studium srážek při vysokých energiích vyžaduje velké detektory.

19. Komory, které registrují miony Elektromagnetický kalorimetr Hadronový kalorimetr zastaví (miony totiž dokážou proniknout pohltí elektrony, pozitrony a změří energii pionů, protonů z vnitřku detektoru až ven) a fotony a změří jejich energii, a jim podobných částic, miony těžší částice sice ztratí část projdou energie, ale projdou 22 m protony protony Stínění proti záření 44 m Supravodivé cívky magnetu, Vnitřní detektor, který který zakřivuje dráhy mionů detailně registruje dráhy částic, zakřivené magnetickým polem vnitřní supravodivé cívky Podstavce držící celé toto monstrum, které váží 7 000 tun Jednotlivé části ATLASu, vysvětlení funkce v klipu …

20. … a částečně postavený ATLAS (úplně postavený ATLAS vyplňuje celou jeskyni a tak není skoro nic vidět).

21. Nové možnosti, které LHC otevírá, spočívají ve vysokých energiích, které byly dosud v pozemských laboratořích nedostupné, a v obrovském množství srážek. To dovoluje hledat „jehly v kupce sena“ neboli velmi řídké procesy. Podívejme se na několik (zaokrouhlených) čísel: Energie elektronu urychleného napětím tužkové baterie … 1,5 eV Klidová energie elektronu … 500 000 eV = 0,5 MeV Klidová energie protonu … 1 000 000 000 eV = 1 GeV Energie protonu v LHC … 7 000 000 000 000 eV = 7 TeV Energie olověného jádra v LHC … 500 000 000 000 000 eV = 500 GeV Nejvyšší pozorované energie protonů přilétajících z vesmíru … 100 000 000 000 000 000 000 eV = 100 EeV Střední počet kosmických protonů s nejvyššími energiemi dopadajících na 1 km2 za 1 s … 0,000 000 03 Střední počet pp srážek v LHC za 1 s … 1 000 000 000 Střední počet vybraných a zaznamenaných srážek za 1 s … 200 Jistě si všímáte, že hledání řídkých jevů znamená vybírání malého podílu zajímavých událostí z mnoha uskutečněných srážek.

22. Všechna tato monstrózní zařízení budujeme proto, abychom se dozvěděli něco nového, za hranicemi současného poznání. Současnému pohledu na mikrosvět říkáme „standardní model“ Objev jádra E. Ruthefordem v roce 1911 (Jádro by mělo být nakreslené daleko menší, s průměrem menším než 0,0001 průměru atomu ) Objev elektronu (Thomson 1897) – Thomsonův model atomu (1903). Objev protonu (E. Rutheford 1916) a neutronu (J. Chadwick 1932) Objev kvarků 1964 22

23. Očekávaná „porodnice“ nových částic a jevů: například Higgsův boson, supersymetrické částice, extradimenze …

24. Všechno se to děje v CERN, v Evropské laboratoři pro částicovou fyziku v Ženevě. CERN Ženeva

25. CERN byl založen v roce 1954 dvanácti evropskými státy jako mezinárodní laboratoř pro jaderný výzkum. Jeho cílem nebyly bomby ani elektrárny, ale základní výzkum mikrosvěta. Proto si dnes říká Evropská laboratoř pro čísticovou fyziku. Na polích severozápadně od Ženevy vyrostl ústav, který má dnes 20 členských zemí včetně České republiky a další státy se na jeho činnosti podílejí, např. USA, Rusko, Japonsko…

26. Za více než půlstoletí existence učinili vědci v CERN mnohé velmi závažné objevy … Carlo Rubbia a Simon van der Meer oslavují zprávu o udělení Nobelovy ceny za objev intermediálních bosonů W a Z v roce 1983. Tohle je obrázek, jak se narodil Z0.

27. Některé objevy vznikly jaksi mimochodem … Tim Berners-Lee, pracující s Robertem Cailliau navrhl distribuovaný informační systém používající hypertextu. Tento systém měl dovoloval efektivně využívat informace různého typu na různých počítačích a sloužit především rozsáhlým experimentálním kolektivům částicové fyziky. Vymysleli pro něj název "World-Wide Web“. Systém se docela ujal …