Large Hadron Collider

1. Large Hadron Collider Jak to się zaczęło? Co chcemy zbadać? Jak to działa? Co będzie dalej?

2. LHC – trochę historii 1984 - pomysł zderzacza hadronów, 1990-92 pierwsze uzgodnienia (B=10 T, E=10 TeV), 2003 6 m nadprzewodzącego magnesu jest gotowe, 2007 wszystkie magnesy są połączone, chłodzenie do temp. 1.9 K, 10.09.2008 pierwsze wiązki w akceleratorze, 19.09.2008 zwarcie, wyciek helu, Lato 2009 – planowane ponowne zbieranie danych.

3. LHC – główne zadania Obecna wiedza o budowie materii i pochodzeniu Wszechświata nie jest kompletna. Model Standardowy opisuje oddziaływania elektrosłabe i silne, ale nie determinuje masy cząstek – mechanizm Higgsa przewiduje istnienie ciężkiej cząstki, która powinna powstać przy zderzeniach protonów o bardzo wysokiej energii. MS nie unifikuje wszystkich oddziaływań (grawitacyjnych), a pomóc tu może weryfikacja teorii o istnieniu ciężkich, supersymetrycznych partnerów istniejących cząstek, sprawdzana na LHC.

4. LHC – główne zadania Brak jest odpowiedzi na pytanie, z czego składa się 95% materii i energii, zwanej „ciemną”, we Wszechświecie, LHC zbada nowe cząstki przy ekstremalnie wysokich gęstościach energii, podobnych do czasu kreacji świata. Nierozwiązany jest problem braku symetrii pomiędzy materią i antymaterią – istnienie słabego procesu odpowiedzialnego za brak antymaterii potwierdzone zostanie na LHC. Zderzenia ciężkich jonów pozwolą na obserwację plazmy kwarkowo-gluonowej – nowego stanu materii, który mógł istnieć we wczesnym Wszechświecie LHC = badania początku Wszechświata + oddziaływań cząstek

5. Jak poznać początek? Patrząc w niebo spoglądamy wstecz w czasie. Najbliższa gwiazda leżąca poza Układem Słonecznym, Proxima Centauri, jest od nas oddalona o 4,3 lat świetlnych. Najbliższa galaktyka spiralna, Andromeda, znajduje się w odległości dwóch milionów lat świetlnych. Światło, które obecnie obserwujemy, wybiegło z Andromedy znacznie wcześniej, niż na Ziemi w wyniku ewolucji pojawił się gatunek ludzki. Pewne obiekty, zwane kwazarami, leżące na granicach znanego Wszechświata, oddalone są od Ziemi o ponad 10 miliardów lat świetlnych. Ich światło biegło do nas ponad dwa razy dłużej niż istnieje Układ Słoneczny.

6. A co było jeszcze wcześniej? Aby cofnąć się jeszcze dalej w czasie, poniżej niewielkiego ułamka sekundy od Wielkiego Wybuchu, naukowcy używają usytuowanych na ziemi akceleratorów cząstek, zbudowanych w laboratoriach takich jak CERN. Zdjęcia sporządzone przez teleskop Hubble’a pozwalają na obserwację Wszechświata około miliard lat po narodzinach.

7. A na samym początku? Zderzenia cząstek przy wysokich energiach odpowiadają wysokiej temperaturze W CERNie zderzenia będą miały miejsce przy temperaturze1015 K(100 milionów razy wyższej od temperatury jądra Słońca). Jest to temperatura Wszechświata, kiedy miał zaledwie10-25 sekundy. Zatem badanie zderzeń cząstek przypomina badanie Wszechświata tuż po jego narodzinach.

8. Budowa materii Atom składa się z elektronów i dodatnich obiektów (1897 - J J Thomson). Elektrony krążą wokół dodatnio naładowanego jądra (1911). Jądro złożone jest z protonów (1919) i neutronów (1932) …które składają się z kwarków (1964). Kwarki i elektrony uważamy za cząstki fundamentalne

9. Cząstki fundamentalne Cząstki przenoszące oddziaływania Model Standardowy HIGGS

10. Bariony Zbudowane z trzech kwarków proton neutron Budowa materii-hadrony Kwarki żyją w grupach wraz z innymi kwarkami i nigdy nie występują samotnie. Cząstki złożone z kwarków to hadrony. • Mezony Zbudowane z kwarku i antykwarku Piony: Wszystkie bariony z wyjątkiem protonu są niestabilne tzn. rozpadają się, a na końcu łańcucha rozpadów są leptony, protony i fotony. Wszystkie mezony są niestabilne, rozpadają się na elektrony, pozytony, neutrina i fotony.

11. Do eksperymentu potrzeba zatem akceleratorów i detektorów. LHC – program fizyczny Podczas zderzenia protonów o wysokiej energii powstają tysiące cząstek wtórnych. Rozpadają się one na najlżejsze hadrony (kaony, piony, protony) oraz leptony (elektrony i neutrina). Zadaniem detektorów jest zerejestrowania wszystkich cząstek końcowych, określenie ich toru, pędu oraz identyfikacja. Zadaniem fizyków jest, na podstawie tych informacji, określić stan, który powstał z pierwotnego zderzenia protonów, czyli z miejsca naśladującego początek Wszechswiata. Porównanie tych danych z wieloma istniejącymi teoriami, pozwoli na wybranie i weryfikację jednej z nich.

12. Przyspieszanie Magnesy zakrzywiające Magnesy ogniskujące Injekcja wiązki Wyprowadzenie wiązki Przyspieszanie LHC jako akcelerator wiązek przeciwbieżnych Synchrotrony Przyspieszane cząstki przechodzą wielokrotnie przez te same elementy: wnęki przyspieszające, magnesy zakrzywiające i układy ogniskujące Wiązki przeciwbieżne: Przy zderzeniach wiązek energia dostępna do produkcji nowych cząstek jest sumą energii wiązek, Przy zderzeniach z tarczą – jest proporcjonalna do √E

13. LHC – wyzwania technologiczne Wytworzenie wysokich pól magnetycznych zakrzywiających tory protonówB do 10 T – elektromagnesy nadprzewodzące Szybkie hybrydowe układy detekcyjne – zderzenia protonów co 25 ns Z LHC przekazywanych będzie rocznie ok. 15 mln GB filtrowanych danych – rozwór technologii informatycznych – GRID, szybkie przesyły i zapis danych Technologia niskich temperatur– temperatura He – 1,9 K Układy przyspieszające o wysokim gradiencie przyspieszania 10 MV/m – wnęki rezonansowe nadprzewodzące Wysoka świetlność zderzacza1034 cm-2 s-1 Bardzo wysoka próżnia10-13 atm

14. LHC-zespoły przyspieszaczy

15. Położenieakceleratorów i detektorów ALICE LHC ATLAS SPS CMS PS LHCb

17. Magnesy dipolowe LHC E max ∞ B W LHC zastosowano nadprzewodzące magnesy dipolowe o B=8,3 Tumożliwiajace zakrzywianie protonów o energii 7 TeV. Magnesy zbudowane są jako cewki z drutu niobowo-tytanowego (Tkryt=10 K), w których płynie prąd o I=11 700 A. Do chłodzenia 4700 ton materiału wykorzystano nadciekły hel (T=1,9 K), który bardzo dobrze rozprzestrzenia chłód na duże odległości.

18. Magnes LHC Połączenia prądowe LHCb Atlas CMS Alice

19. Magnesy podczas testów naziemnych...

20. ... oraz pod ziemią

21. Opuszczanie 15-metrowego (35 t) modułu

22. Wnęka przyspieszajaca

23. LHC - detektory Na LHC zainstalowanych jest sześć detektorow: ALICE, ATLAS, CMS, LHCb (w podziemnych grotach) oraz LHCf (obok ATLASA) i TOTEM (w pobliżu CMS). Współczesne detektory cząstek elementarnych składają się z wielu elementów, które rejestrują większość produktów zderzenia (oddziaływania). Cząstki oddziałują w różny sposób z poszczególnymi częściami detektorów.

24. Zadania detektorów ● zarejestrować wszystkie rodzaje cząstek, ● pokazywać trajektorię i zderzenia w 3D, ● wyznaczać masę, pęd i energię, ● precyzyjnie pokazywać miejsca produkcji i rozpadu, ●odrzucić przypadki nieciekawe, ●zapisać dane do dalszej analizy. ATLAS - Higgss Zadania te mogą być realizowane przez wieloczęściowe zestawy detekcyjne (detektory wierzchołka, detektory śladowe w polu magnetycznym, kalorymetry oraz detektory mionów) . LHCb Hybrydowy system detektorów

25. LHC - detektory ATLAS – najwiekszy obecnie detektor, poszukiwanie cząstki Higgsa, partnerów supersymetrycznych, dodatkowych wymiarów, LHCb- zagadnienia związane z asymetrią materii, badania mezonów z kwarkiem b, spektrometr. CMS – program badawczy podobny do ATLASA, ale odmienna budowa. ALICE – plazma kwarkowo-gluonowa

26. ATLAS Charakterystyczne układ magnesów w formie obwarzanka. Stanowi go osiem nadprzewodzących cewek magnetycznych, każda o długości 25 m, ułożonych na kształt cylindra wokół rury wiązki znajdującej się w środku detektora.

27. ATLAS

28. LHC – start we wrześniu 2008 Obydwie wiązki 450 GeV obiegły pierścień LHC Pierwszą przeprowadzono w ciągu godziny Drugą przeprowadzono w ciągu kilku następnych godzin

29. AGH w DESY i CERN Opracowanie koncepcji fizycznej – symulacje: fizycy Projekt akceleratora – symulacje: fizycy,inżynierowie Projekt detektorów – symulacje, prototypy, testy: fizycy, elektronicy, inżynierowie, technicy Budowa akceleratora Budowa detektorów Opracowywanie danych DESY Udział we wszystkich fazach projektowania i budowy 1980 - 2008 monitor świetlności: projekt L.Suszycki, AGH i IFJ PAN kalorymetr uzupełniający, system gazowy, AGH i UW testy próżniowe: HERA, PETRA, TESLA, FEL prace montażowe Wyjazdy: fizycy wyjazdy długie i krótkie inżynierowie i technicy wyjazdy kilkumiesięczne (~ 100)

30. LHC na AGH • 17.05.2005 roku doszło do podpisania listu intencyjnego pomiędzy CERN i AGH o współpracy w zakresie odbioru i uruchomienia LHC. • Na kontraktach nie krótszych niż 6 miesięcy przebywało 38 osób, sumaryczny pobyt to 900 osobo/miesięcy. • Osoby te pracowały przy: • instalacji kriogenicznej, • nadprzewodzących magnesach, • technicznej koordynacji prac w tunelu LHC, • kontroli jakości połączeń kriogenicznych, elektrycznych i próżniowych magnesów nadprzewodzących.

31. LHC na AGH • Udział w projektowaniu i budowie wybranych elementów: • ATLAS • Detektor promieniowania przejścia • Inne komponenty ATLASa • System kontroli i sterowania układem detektora • Programowanie • LHCb • Analiza danych symulowanych • GRID

32. Zapraszamy do zwiedzania wystawy!