1 / 27

Óriás kísérleti eszközök gyorsítók (és detektorok)

Óriás kísérleti eszközök gyorsítók (és detektorok). Dr. Sükösd Csaba egyetemi docens, tanszékvezető. Tartalom. Részecskegyorsítás, de minek? Nagy energia, de minek? Részecskegyorsító fő részei és három alapelve Lineáris gyorsító, SLAC Ciklotron

twila
Download Presentation

Óriás kísérleti eszközök gyorsítók (és detektorok)

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Óriás kísérleti eszközök gyorsítók (és detektorok) Dr. Sükösd Csaba egyetemi docens, tanszékvezető Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30

  2. Tartalom • Részecskegyorsítás, de minek? • Nagy energia, de minek? • Részecskegyorsító fő részei és három alapelve • Lineáris gyorsító, SLAC • Ciklotron • Nagy energiák problémái és a gyorsítógyűrű • A CERN gyorsítóinak története • A LEP és az LHC, és detektoraik • Kitekintés Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30

  3. Részecskegyorsítás, de minek? Hol használnak részecskegyorsítókat? • Alapkutatás (nagy energiájú fizika, magfizika, szilárdtestfizika, biológia stb.) • Elektron-nyaláb hegesztés (ipar) • Félvezetőgyártás (ipar) • Elektronmikroszkóp (rengeteg alkalmazás) • Gáz-lézerek és szabadelektron-lézerek meghajtása • Műanyagok térhálósítása (vegyipar) • Orvosi alkalmazások (radioizotópok előállítása, közvetlen besugárzások, sterilizálás stb.) • Élelmiszerek besugárzása (mezőgazdaság) • Röntgen-csövek, és Rtg-sugárzás felhasználása (ipar, gyógyítás stb.) • Elektron- és ionszórásos felületvizsgálatok (ipar) • Fúziós berendezések, plazmafűtés • Radioaktív melléktermékek transzmutációja... stb. Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30

  4. Miért kell egyre nagyobb energia? 1) Felbontóképesség ~ l Az anyag finom részleteinek megismeréséhez egyre kisebblkell. De: (de Broglie hullámhossz)nagy lendület kell! Nagy tömeg (csak akkor jó, ha „elemi részecske”) Nagy lendület Nagy sebesség gyorsítók • Példák: • Elektronmikroszkóp felbontóképessége jobb, mint a fénymikr.-é • Rutherford-kísérletben a-részecske hullámhossza~10-14 m (elemi?) • Nagy energiájú elektronokkal meglátni a kvarkokat a protonban Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30

  5. Miért kell egyre nagyobb energia? 2) Új részecskék keltése (részecskefizika) Ha m0c2 –nél nagyobb energiát koncentrálunk, akkor egy m0 nyugalmi tömegű részecske létrejöhet . azaz Ebből: Compton-hullámhossz: Ennél rövidebblmár létre tudja hozni a részecskét, ezért egy m0 tömegű részecske helyét legfeljebb ilyen pontossággal lehet meghatározni ! Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30

  6. Részecskegyorsító főbb részei: Otthon is van részecskegyorsítód! Három alapelv 1) Gyorsítás:DU potenciálkülönbségen áthaladó részecske kinetikusenergia-változása: 1 eV = 1,6∙10-19 [Cb]∙ 1 [V] = 1,6∙10-19 [J] (ekkora energiát kap egy elektron/proton 1 V feszültség-különbség hatására) giga- tera- 1 GeV=109 eV, 1 TeV=1012 eV Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30

  7. 2) Részecskenyaláb „terelése”:elektromágneses (Lorentz) erő: elektromos térerősség mágneses indukció részecske sebessége 3) Faraday „kalitka” Fémdoboz belsejében az elektromos térerősség: E=0 Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30

  8. Első alkalmazás: lineáris gyorsító Gyorsítás: csak az elektródok közötti térben (belül: Faraday-kalitka) Az elektródok hossza változik, hogy mindig jó fázisban érjék el a gyorsítórést az egyre nagyobb sebességű részecskék. Relativisztikus tartományban v~c, a sebesség nem nő tovább állandó méretű elektródok üregrezonátor hozható létre Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30

  9. (a csomaghoz képest) A részecskék „csomagokban” gyorsulnak. Fázisfókuszálás SLAC Stanford Linear ACcelerator A világ legnagyobb lineáris gyorsítója Hossza: 3,2 km Részecskék: elektron, pozitron E~ 50 GeV 3 Nobel-díj: 1976: J/Y részecske (c-kvark) 1990: kvarkok a p és a n belsejében 1995: t - lepton. Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30

  10. Második alkalmazás: ciklotron Homogén mágneses térben, a B-re merőlegesen belépő részecskékre: (F ┴ v, körpálya) centrip. erő = Lorentz erő Ebből kapjuk: = állandó, (amíg m is állandó) Gyorsító elektródán belül „Faraday-kalitka” Gyorsítás: az elektródák között Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30

  11. Orvosi alkalmazású ciklotron (Orsay, Fr.ország) Ciklotronból a levegőbe kilépő protonsugár Ciklotronnal előállítható maximális energia: (R a ciklotron sugara) Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30

  12. Nagy energiáknál két probléma: 1) De az energia növekedésével m is nő (relativisztikusan) Bnövelése (relativisztikus ciklotron) Két lehetséges megoldás: wcsökkentése (szinkrociklotron) 2) Számpélda: Gyorsítsunk protonokat Emax= 50 GeV energiára! Legyen B = 3 T Mekkora sugarú ciklotronra lenne szükség? megoldás! Relativisztikus számolással kapjuk R ~ 52 m A mágnespofák tömege ~45000 t! A súlyához még a mágneses vonzás is hozzájárul. És ezt nem lehet belül alátámasztani!!! Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30

  13. Gyorsítógyűrű! (ehhez a lineáris gyorsító „körbehajlításával” is eljuthatunk) Állandó pályasugáron tartani, tehát a gyorsítás során B növelése. Gyorsító (és tároló) gyűrű felépítése Működési fázisok (A rajz nem teljesen jó, hiszen a pálya csak ott görbül, ahol hajlító mágnes van!) Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30

  14. A CERN nagy gyorsítóinak története 1959: Proton szinkrotron (PS) 28 GeV protonok föld alatti elhelyezés kerülete 628 m Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30

  15. A CERN nagy gyorsítóinak története 1976: Super Proton Szinkrotron (SPS) 400 GeV protonok föld alatti elhelyezés kerülete 6 km Lineáris gyorsító és „preinjektor” Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30

  16. A CERN nagy gyorsítóinak története 1981: Carlo Rubbia javaslata: ütközőnyalábok protonok és antiprotonok „Antiproton accumulator” 1984: Antiproton Collector 1984: C.Rubbia és Van der Meer felfedezik a Z0, majd a W részecskéket Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30

  17. A CERN nagy gyorsítóinak története 45 GeV elektron-pozitron tárológyűrű 1989-2000 LEP Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30

  18. A CERN gyorsítói légifényképre rajzolva Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30

  19. A LEP (Large Electron-Positron Collider) néhány adata: • Maximális energia: 50 GeV (elektron) • ütközésben:100 GeV(mZc2 =91,25 GeV) • 50 – 150 méterrel a felszín alatt fúrtalagútbanvan (volt). • Kerülete:27 km(Franciaország és Svájc határán is átlép) • 4 elektron-, 4 pozitroncsomag egymással szemben • 250 milliárd részecske/csomag • 11200 fordulat/s Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30

  20. Négy hatalmas detektor (egyenként kb. 3000 tonna) Az ALEPH detektor építés alatt Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30

  21. További tervek: • Large Hadron Collider (LHC) • Jelenleg építés alatt (2008-ban indul!) • A LEP alagútjában • szupravezető mágnesek (8,2 T!!) • Első lépésben proton-proton ütközés, • Később akárólom-ólom ütközés is (!!) • Energia: 7000 GeV/proton, • ütközésben14000 GeV(!!!) • Egy csomagban 100 milliárd részecske • Négy nagy detektor: ALICE, ATLAS, CMS, LHC-B A CMS detektor építés alatt Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30

  22. Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30

  23. Az LHC alagútjában Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30

  24. Az ATLAS detektor Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30

  25. Sokat tudunk már, de nagyon sok a nyitott kérdés is! 1) Miért éppen 3 részecske-család van? (kvarkoknál, és leptonoknál is) 2) Miért 4 féle kölcsönhatás van? 3) Miért olyan különbözőek ezek a kölcsönhatások? 4) Miért akkorák a részecskék tömegei, mint éppen amekkorák? 5) Miért nincs antianyag az Univerzumban, amikor a törvények nagyon szimmetrikusak? • Az LHC (és a CERN) ezek megválaszolásában segíthet! • Talán megtalálható lesz a feltételezettHiggs-részecske, amely tömeget ad a részecskéknek • Talán még nagyobb energiákon sikerül a kölcsönhatásoktovábbiegyesítése(SUSY – szuperszimmetria), GUT, TOE • Talán megtalálható azanyag-antianyag aszimmetria igazi oka Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30

  26. Lehet, hogy ezekre választ kapunk az LHC működésekor… … de az is lehet, hogy nem… DE! Egészen biztos, hogy a Természet még tartogat olyan meglepetése-ket, amelyekre nem is számítunk, és amelyekre jelenleg nem is gon-dolunk! A Természet megismerésének évezredes kalandjában a CERN-nek fontos szerepe van! Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30

  27. Köszönöm a megtisztelő figyelmet! Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30

More Related