Acceleratorfysik Introduktion Elena Wildner ATMCS Acceleratorkurs 24 Oktober

Acceleratorfysik, Introduktion Elena Wildner AT/MCS Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 1

Innehåll 1. 2. 3. INLEDNING ACCELERERATORKEDJAN HUR MAN HåLLER PARTIKELSTRåLEN På PLATS 4. HUR MAN GöR EXPERIMENT 5. ACCELERATORTEKNOLOGI 6. 7. EXEMPEL: LHC REFERENSER 1. 2. 3. 1. 2. Styrning Fokusering Acceleration Strålmål, Kolliderare Luminositet Vakuum Supraledande magneter Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 2

Användingsområden n n INLEDNING n n n I gamla TVn: Katodstrålerör Materialfysik Fotoner från elektroner, synkrotronstrålning Medicin Röntgen, synkrotronstrålning Protoner och joner Fysik . Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 3

Acceleratorer och LHC experiment på CERN Energier: INLEDNING Linac 50 Me. V PSB 1. 4 Ge. V PS 28 Ge. V SPS 450 Ge. V LHC 7 Te. V Enheter? Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 4

ACCELERATORKEDJAN Enheter: Elektron. Volt Elektronvolt, energienhet med beteckningen e. V, används som enhet för små energier (joule) Acceleration 1 e. V definieras som den energi som åtgår för att flytta en elektron, vars laddning är e (ca. 1. 602· 10 -19 C) i ett elektriskt fält med styrkan 1 V/m sträckan 1 meter: 1 e. V = 1. 602· 10 -19 joule. Inom partikelfysik används elektronvolt även som enhet för massa, eftersom massa och energi är nära sammanbundet genom sambandet: E = mc 2, m=g*m 0 m är partikelns massa och c ljusets hastighet i vakuum. Massan för en elektron, med hastighet v << c är cirka 0. 5 Me. V. Total energi Från Wikipedia Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 5

Relativitet ACCELERATORKEDJAN När partiklarna accelereras till hastigheter (v) som närmar sig ljusets (c): vi måste ta hänsyn till relativistiska effekter Total energi Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner Vilomassa 6

Partikelkällor och acceleration ACCELERATORKEDJAN n Naturlig radioaktivitet: alfa partiklar och elektroner. Alfa partiklar har en energi runt 5 Me. V (motsvarar en hastighet av ~15, 000 km/s). n Partikelkällor producerar partiklarna n Elektrostatiska fält används för det första accelerations steget efter källan n Lineära acceleratorer accelererar partiklarna med Radio Frekvens (RF) fält n Cirkulära acceleratorer använder RF och elektromagnetiska fält. Protoner acceleras idag (2007+) till en energi av 7 Te. V n Partiklarna måste vara i vakuum (rör eller tankar) för att inte kollidera med eller störas av andra partiklar. Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 7

ACCELERATORKEDJAN Partikelkällor 1 Duoplasmatron för produktion av protoner Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 8

Partikelkällor 2 ACCELERATORKEDJAN Duoplasmatron från CERNs Linac-Hemsida Gas in Plasma Anod Joner ut Katod Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 9

Partikelkällor 3 Iris Katodstråle ACCELERATORKEDJAN Katod Spänning p Uppsamling av antiprotoner p strålmål Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 10

ACCELERATORKEDJAN Van de Graaf Generatorn H- från plasma, accelereras mot plus-pol med påföljande stripping Van de Graaf 1929 Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 11

ACCELERATORKEDJAN Kaskadgenerator Cockroft Walton: 4 MV Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 12

Tidsberoende Elektriska Fält ACCELERATORKEDJAN Linjär accelerator Cirkulär accelerator Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 13

Linjära acceleratorer ACCELERATORKEDJAN Förenklad Linac - V + Partiklarna grupperas för att fältet skall ha rätt rikning för en grupp som just då passerar gapet Hastigheten hos partiklarna ökar, modulernas längder ökas för att vara synkronisererade med fältrikningen över gapet Alvarez: resonanstank Linac Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 14

Cyklotronen ACCELERATORKEDJAN Centripetalkrafter=-Centrifugalkrafter: Kontinuerligt partikelflöde! Omstuvning: Frekvensen beror ej av radien, om massan är konstant. När partiklarna blir relativistiska gäller inte detta längre, frekvensen måste ändras med hastigheten: synkrocyklotron. Fältet kan också ökas med radien: isokron cyklotron Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 15

ACCELERATORKEDJAN Synkrotroner på CERN Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 16

Synkrotronen ACCELERATORKEDJAN Grupper av partiklar som cirkulerar synkront med RF fältet i de accelererande kaviteterna Varje partikel cirkulerar runt en teoretiskt ideal bana runt acceleratorn: magnetfält och acceleration måste tillfredställa stabilitetsvillkor - V + RF Gap Magnet Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 17

Krafter som verkar på Partiklarna STYRNING + Lorentz: Ändrar partikelns riktning Accelererar partikeln Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 18

Dipolen STYRNING Dipolmagnet, böjer oftast enbart i horisontalplanet (vertikalt fält) y x s (strålens riktning) Magnetisk styvhet ”Magnetic rigidity” Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 19

Fokusering: kvadrupolen 1 FOKUSERING Partiklarna måste fokuseras för att hållas kvar i acceleratorn. Samma princip som i optiska system. Kvadrupol + + Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner Positiv partikel som rör sig mot oss: Defokuserande i det horizontella planet fokuserande i det vertikala 20

Kvadrupolen 2 FOKUSERING y (vertikalt) x (horisontellt) Kraften proportionell mot x och y: Partiklar långt från magnetens mitt böjs av mer, korrigeras mer Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 21

FOKUSERING Fokuseringssystemet ”Alternate gradient focusing” ger totalt fokuserande effekt (jämför optiska system i kameror t. ex. ). Strålen tar mindre plats i vakumröret (amplituderna blir mindre), magneterna kan göras bättre Magneterna alterneras: synkrotrondesign F B D B B Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 22

Oscillerande rörelse Man kan härleda rörelsekvationer av typen (jämför enkel pendel): g FOKUSERING ; Oscillerande rörelse med varierande amplitud! Antalet oscillationer på ett varv kallas ”tune” och betecknas Q. Q-värdet är olika i de två planen (horizontellt och vertikalt plan). L är ringens omkrets. Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 23

Betafunktionen FOKUSERING Samtliga partikelbanor begränsas (inneslutes) av en funktion: betafunktionen (normaliserat) F D F L Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 24

Sluten strålbana (closed orbit) och magnetfel STYRNING OCH FOKUSERING Partiklarna oscillerar teoretiskt runt en ”perfekt” beräknad bana. Magneterna är inte perfekta, dessutom kan de inte upplinjeras perfekt. För kvadrupolerna t. ex. betyder dessa fel att kraften antingen blir för stor eller för liten för att fokusera partikeln idealt. Effekt: avböjning av totala strålen. Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 25

STYRNING OCH FOKUSERING Korrektorer En lägesmätare (Beam Position Monitor) används för att mäta strålens centrum nära en kvadrupol, denna skall normalt befinna sig i kvadrupolens centrum. Små dipolmagneter används för att korrigera eventuella positionsfel. Andra typer av små magneter används också för att korrigera diverse typer av fel (icke perfekt magnetfält etc. ) Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 26

STYRNING OCH FOKUSERING Problemkällor 1 Q-värdet anger antalet oscillationer strålen gör per varv, om detta värde är ett heltal så ser strålen samma uprepade ”magnetfel” varv efter varv. Därför bör inte Qvärdet vara inte ett heltal. Man bör ha ett tillräckligt bra magnetfält för att slippa resonansfenomen. Icke önskvärda typer av fält (som exempelvis sextupolära, octupolära etc. ) är av storleksordningen 10 -4 relativt det önskade fältet (dipol i en avböjande magnet, kvadrupol i en fokuserande magnet etc. ) för LHC Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 27

Problemkällor 2 STYRNING OCH FOKUSERING Typer av avvikelser som kan inverka menligt på strålkvaliteten. Rörelser i jordskorpan Tåg Månen Årstider Byggnation. . . Magneterna måste kalibreras Strömreglering i magneterna. . . Energin hos partiklarna måste svara mot magnetfältens styrkor för att ha avsedda banor Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 28

ACCELERATION Elektriska Fält för Acceleration Resonanskrets Kavitet for acceleration Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 29

Synkrotronen: acceleration 0 V Accelerande gap med RF signalen ACCELERATION t Detta är det elektriska fältet som referenspartikeln upplever Tidig partikel får mindre energitillskott Rörelsemängd – Referensrörelsemängd RF fas Partikelgrupp (“bunch”) “Bucket”: Energi/fas villkor Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 30

Synkrotronen: acceleration och partikelbanans radie 1 ACCELERATION Magnetfältet B och hastigheten v -> banan -> omloppstiden -> tiden för inträdande i det accelererande gapet v ökar -> Radien större än ref V Omloppstiden större Större energiökning t Allteftersom partiklarna accelereras måste magnetfältens styrka ökas och RF frekvensen justeras för att hålla partiklarna kvar runt referensbanan. Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 31

Experiment EXPERIMENT Fasta strålmål: Bombardera material med stråle som dirigeras ut ur acceleratorn. Bubbelkammare Tillgänglig energi beräknas relativt systemets mass centrum. Att kollidera partiklar blir mer intressant. 1960: elektron/positron kolliderare 1970: proton antiproton kolliderare 2000: joner, guld Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 32

EXPERIMENT Kolliderare q Alla partiklar kolliderar inte på en gång-> lång tid q Två strålar behövs q Antipartiklar svåra (dyra) att producera (~1 antiproton/10^6 protoner) q Strålarna påverkar varandra: kräver separation Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 33

EXPERIMENT Leptoner/Hadroner Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 34

LHC Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 35

EXPERIMENT Luminositet Antal partiklar per grupp (två strålar) Antal partikelgrupper i varje stråle Omloppsfrekvensen Formfaktor för vinkeln mellan strålarna (“crossing angle”) Emittans Optisk beta funktion Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 36

EXPERIMENT Beta funktionen vid kollision Kollisionsoptik Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 37

Luminositet: strålens storlek EXPERIMENT Strålen måste vara liten i kollisionspunkten Begränsning: Tillgänglig fältstyrka Magnetens öppning Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 38

Synkrotronstrålning Partikelbana Kon av synkrotronljus Öppningsvinkel Elektromagnetiska vågor Accelererande laddade partiklar sänder ut elektromagnetisk strålning Radio signaler och röntgenstrålning Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 39

TEKNOLOGI Vacuum q Förstoring “Blow up” av strålen q Partikelförluster q Oönskade kollisioner i experimenten q Minskad luminositet Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 40

TEKNOLOGI Synkrotronstrålning, exempel Röntgen Gamma strålar Ultraviolett ljus Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 41

Varför Supraledande Teknologi 1 Varför supraledande magneter? TEKNOLOGI Liten radie, färre antal partiklar i maskinen, mindre maskin. Energibesparing, men infrastrukturen mycket mer komplex. Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 42

TEKNOLOGI Varför Supraledande teknologi 2 Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 43

Supraledande Dipolen för LHC TEKNOLOGI LHC dipolen (1232 + reserver) byggd i 3 fabriker (Tyskland Frankrike, Italien, mycket stort och högteknologiskt projekt) Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 44

LHC Dipolen TEKNOLOGI Arbetstemperatur 1. 9 K ! “Two in one” konstruktion Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 45

TEKNOLOGI Varför 8. 40 Tesla Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 46

EXEMPEL: LHC Exempel: LHC 1 Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 47

EXEMPEL: LHC Exempel: LHC 1 Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 48

EXEMPEL: LHC Exempel: LHC 1 Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 49

EXEMPEL: LHC Exempel: LHC 1 Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 50

EXEMPEL: LHC Exempel: LHC 1 Arcs: ~ 1 mm transversellt Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 51

EXEMPEL: LHC Exempel: LHC 1 Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 52

EXEMPEL: LHC Exempel: LHC 2 Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 53

EXEMPEL: LHC Exempel: LHC 3 Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 54

EXEMPEL: LHC Exempel: LHC 3 Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 55

Exempel: LHC 3 Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 56

REFERENSER Referenser 1 • M. S. Livingston and E. M. Mc. Millan, ’History of the Cyclotron’, Physics Today, 1959 • S. Weinberg, ’The Discovery of Subatomic Particles’, Scientific American Library, 1983. (ISBN 0 -7167 -1488 -4 or 0 -7167 -1489 -2 [ pbk]) (539. 12 WEI) • C. Pellegrini, ’The Development of Colliders’, AIP Press, 1995. (ISBN 1 -56396 -349 -3) (93: 621. 384 PEL) • P. Waloschek, ’The Infancy of Particle Accelerators’, DESY 94 -039, 1994. • R. Carrigan and W. P. Trower, ’Particles and Forces - At the Heart of the Matter’, Readings from Scientific American, W. H. Freeman and Company, 1990. • Leon Lederman, ’The God Particle’, Delta books 1994 • Lillian Hoddeson (editor), ’The rise of the standard model: particle physics in the 1960 s and 1970 s’, Cambridge University Press, 1997 • S. Weinberg, ’Reflections on Big Science’, MIT Press, 1967 (5(04) WEI) Introduction to Particle Accelerator Physics: • J. J. Livingood, ’Principles of Cyclic Particle Accelerators’, D. Van Nostrand Company, 1961 • M. S. Livingston and J. P. Blewett, ’Partticle Accelerators’, Mc. Graw. Hill, 1962 • Mario Conte and William Mc. Kay, ’An Introduction to the Physics of Particle Accelerators’, Word Scientific, 1991 • H. Wiedemann, ’Particle Accelerator Physics’, Springer Verlag, 1993. • CERN Accelerator School, General Accelerator Physics Course, CERN Report 85 -19, 1985. • CERN Accelerator School, Second General Accelerator Physics Course, CERN Report 87 -10, 1987. • CERN Accelerator School, Fourth General Accelerator Physics Course, CERN Report 91 -04, 1991. Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 57

REFERENSER Referenser 2 • M. Sands, ’The Physics of Electron Storage Rings’, SLAC-121, 1970. • E. D. Courant and H. S. Snyder, ’Theory of the Alternating-Gradient Synchrotron’, Annals of Physics 3, 1 -48 (1958). • CERN Accelerator School, RF Engeneering for Particle Accelerators, CERN Report 92 -03, 1992. • CERN Accelerator School, 50 Years of Synchrotrons, CERN Report 97 -04, 1997. • E. J. N. Wilson, Accelerators for the Twenty-First Century - A Review, CERN Report 90 -05, 1990. Special Topics and Detailed Information: • J. D. Jackson, ’Calssical Electrodynamics’, Wiley, New York, 1975. • Lichtenberg and Lieberman, ’Regular and Stochastic Motion’, Applied Mathematical Sciences 38, Springer Verlag. • A. W. Chao, ’Physics of Collective Beam Instabilities in High Energy Accelerators’, Wiley, New York 1993. • M. Diens, M. Month and S. Turner, ’Frontiers of Particle Beams: Intensity Limitations’, Springer-Verlag 1992, (ISBN 3 -540 -55250 -2 or 0387 -55250 -2) (Hilton Head Island 1990) ’Physics of Collective Beam Instabilities in High Energy Accelerators’, Wiley, New York 1993. • R. A. Carrigan, F. R. Huson and M. Month, ’The State of Particle Accelerators and High Energy Physics’, American Institute of Physics New Yorkm 1982, (ISBN 0 -88318 -191 -6) (AIP 92 1981) ’Physics of Collective Beam Instabilities in High Energy Accelerators’, Wiley, New York 1993. Speciellt tack till Oliver Bruning för referenslista och material Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 58

Ömsesidig påverkan av magnetiska fälten Frågor Magneten är konstruerad så att fältlinjerna i hela magneten tillfredsställer kraven: Ingen “påverkan” Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 59

Frågor Framtida acceleratorprojekt Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 60

Frågor Framtida acceleratorprojekt Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 61

Frågor Framtida acceleratorprojekt Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 62

Frågor Framtida acceleratorprojekt Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 63

Bremsstrahlung Frågor Bremsstrahlung (from the German bremsen, to brake and Strahlung, radiation, thus, "braking radiation"), is electromagnetic radiation produced by the acceleration of a charged particle, when deflected by another charged particle, such as an atomic nucleus. The term is also used to refer to the process of producing the radiation. Bremsstrahlung may also be referred to as free-free radiation. This refers to the radiation that arises as a result of a charged particle that is free both before and after the deflection (acceleration) that causes the emission. Strictly speaking, bremsstrahlung refers to any radiation due to the acceleration of a charged particle, which includes synchrotron radiation; however, it is frequently used (even when not speaking German) in the more literal and narrow sense of radiation from electrons stopping in matter. Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 64

Frågor Värmen från cryosystemet Tyvärr värms enbart uteluften… Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 65

Frågor Antalet kollisioner Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 66

Frågor Kollisionsområdet Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 67

Production Follow-Up of the LHC Main Dipoles 5 Field Description Extra slides In a current free region of space the field fulfils the following simplified Maxwell equations: If a two dimensional field is present, with only two non zero Cartesian components Bx and By, no longitudinal component, the following. equations can be derived from the above Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 68

Production Follow-Up of the LHC Main Dipoles 6 Extra slides Referring to a reference system where x and y are orthogonal and where and the total magnetic field B is defined in complex notation as: Cauchy-Riemann conditions provide a necessary and sufficient condition for the complex function to be analytic in z Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 69

Physics Motivation 1 The Standard Model • Extra slides • Sorts the elementary particles into three families. There are two quarks (and their antiparticles) and two leptons in each family: 1. the "up" and "down" quarks, the electron and the electron-neutrino are in the first; 2. the "strange" and the "charm" quark, the muon and the muon neutrino in the second; . 3. the "top" and the "bottom" quark, the tau and the tau neutrino in the third. Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 70

Physics Motivation 2 The Standard Model, “three generations” Extra slides Ordinary matter What happens in our universe How was created our universe . Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 71

The CERN Laboratory n Extra slides n n Users contribute to the present large research project, the LHC, with in-kind services and equipment or directly with funding ALICE “A Large Ion Collider Experiment” will observe protons and lead ion collisions (strongly interacting matter, quark gluon plasma) ATLAS “A Toroidal LHC Apparatus” looks for Higgs bosons CMS “Compact Muon Solenoid” looks for Higgs bosons LHC-B, LHC Beauty experiment precise measurement on CP violation . Acceleratorkurs, 24 Oktober, 2006, Elena Wildner 72