Budapesti Mszaki s Gazdasgtudomnyi Egyetem Nukleris Technika Tanszk

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Nukleáris Technika Tanszék Óriás kísérleti eszközök gyorsítók (és detektorok) Dr. Sükösd Csaba egyetemi docens, tanszékvezető Óriás kísérleti eszközök Gyorsítók és detektorok Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03. 26 -30 1/27

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Nukleáris Technika Tanszék Tartalom 1. Részecskegyorsítás, de minek? 2. Nagy energia, de minek? 3. Részecskegyorsító fő részei és három alapelve 4. Lineáris gyorsító, SLAC 5. Ciklotron 6. Nagy energiák problémái és a gyorsítógyűrű 7. A CERN gyorsítóinak története 8. A LEP és az LHC, és detektoraik 9. Kitekintés Óriás kísérleti eszközök Gyorsítók és detektorok Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03. 26 -30 2/27

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Nukleáris Technika Tanszék 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. Óriás kísérleti eszközök Gyorsítók és detektorok Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03. 26 -30 3/27

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Nukleáris Technika Tanszék Miért kell egyre nagyobb energia? 1) Felbontóképesség ~ l Az anyag finom részleteinek megismeréséhez egyre kisebb l kell. De: (de Broglie hullámhossz) Nagy lendület nagy lendület kell! Nagy tömeg (csak akkor jó, ha „elemi részecske”) 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 Óriás kísérleti eszközök Gyorsítók és detektorok Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03. 26 -30 4/27

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Nukleáris Technika Tanszék Miért kell egyre nagyobb energia? 2) Új részecskék keltése (részecskefizika) Ha m 0 c 2 –nél nagyobb energiát koncentrálunk, akkor egy m 0 nyugalmi tömegű részecske létrejöhet. azaz Ebből: Compton-hullámhossz: Ennél rövidebb l már létre tudja hozni a részecskét, ezért egy m 0 tömegű részecske helyét legfeljebb ilyen pontossággal lehet meghatározni ! Óriás kísérleti eszközök Gyorsítók és detektorok Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03. 26 -30 5/27

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Nukleáris Technika Tanszék Részecskegyorsító főbb részei: Otthon is van részecskegyorsítód! Három alapelv 1) Gyorsítás: DU potenciálkülönbségen áthaladó részecske kinetikusenergiaváltozása: 1 e. V = 1, 6∙ 10 -19 [Cb]∙ 1 [V] = 1, 6∙ 10 -19 [J] (ekkora energiát kap egy elektron/proton 1 V feszültség-különbség hatására) 1 Ge. V=109 e. V, 1 Te. V=1012 e. V Óriás kísérleti eszközök Gyorsítók és detektorok gigatera. Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03. 26 -30 6/27

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Nukleáris Technika Tanszék 2) Részecskenyaláb „terelése”: elektromágneses (Lorentz) erő: elektromos mágneses térerősség indukció részecske sebessége 3) Faraday „kalitka” Fémdoboz belsejében az elektromos térerősség: E=0 Óriás kísérleti eszközök Gyorsítók és detektorok Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03. 26 -30 7/27

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Nukleáris Technika Tanszék 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 Óriás kísérleti eszközök Gyorsítók és detektorok Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03. 26 -30 8/27

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Nukleáris Technika Tanszék A részecskék „csomagokban” gyorsulnak. Fázisfókuszálás (a csomaghoz képest) SLAC Stanford Linear ACcelerator A világ legnagyobb lineáris gyorsítója Hossza: 3, 2 km Részecskék: elektron, pozitron E~ 50 Ge. V 3 Nobel-díj: 1976: J/Y részecske (c-kvark) 1990: kvarkok a p és a n belsejében 1995: t - lepton. Óriás kísérleti eszközök Gyorsítók és detektorok Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03. 26 -30 9/27

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Nukleáris Technika Tanszék Második alkalmazás: ciklotron Homogén mágneses térben, a B-re (F ┴ v, körpálya) merőlegesen belépő részecskékre: centrip. erő = Lorentz erő Ebből kapjuk: = állandó, (amíg m is állandó) Gyorsító elektródán belül „Faraday-kalitka” Gyorsítás: az elektródák között Óriás kísérleti eszközök Gyorsítók és detektorok Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03. 26 -30 10/27

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Nukleáris Technika Tanszék Orvosi alkalmazású ciklotron (Orsay, Fr. ország) Ciklotronból a levegőbe kilépő protonsugár Ciklotronnal előállítható maximális energia: (R a ciklotron sugara) Óriás kísérleti eszközök Gyorsítók és detektorok Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03. 26 -30 11/27

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Nukleáris Technika Tanszék Nagy energiáknál két probléma: De az energia növekedésével 1) m is nő (relativisztikusan) B növelése (relativisztikus ciklotron) Két lehetséges megoldás: w csökkentése (szinkrociklotron) 2) Számpélda: Gyorsítsunk protonokat Emax= 50 Ge. V 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!!! Óriás kísérleti eszközök Gyorsítók és detektorok Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03. 26 -30 12/27

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Nukleáris Technika Tanszék Gyorsítógyűrű! (ehhez a lineáris gyorsító „körbehajlításával” is eljuthatunk) Állandó pályasugáron tartani, tehát a gyorsítás során B növelése. Gyorsító (és tároló) gyűrű felépítése (A rajz nem teljesen jó, hiszen a pálya csak ott görbül, ahol hajlító mágnes van!) Óriás kísérleti eszközök Gyorsítók és detektorok Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03. 26 -30 Működési fázisok 13/27

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Nukleáris Technika Tanszék A CERN nagy gyorsítóinak története 1959: Proton szinkrotron (PS) 28 Ge. V protonok föld alatti elhelyezés kerülete 628 m Óriás kísérleti eszközök Gyorsítók és detektorok Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03. 26 -30 14/27

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Nukleáris Technika Tanszék A CERN nagy gyorsítóinak története 1976: Super Proton Szinkrotron (SPS) 400 Ge. V protonok föld alatti elhelyezés kerülete 6 km Lineáris gyorsító és „preinjektor” Óriás kísérleti eszközök Gyorsítók és detektorok Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03. 26 -30 15/27

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Nukleáris Technika Tanszék 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 Z 0, majd a W részecskéket Óriás kísérleti eszközök Gyorsítók és detektorok Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03. 26 -30 16/27

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Nukleáris Technika Tanszék A CERN nagy gyorsítóinak története 1989 -2000 LEP Óriás kísérleti eszközök Gyorsítók és detektorok 45 Ge. V elektron-pozitron tárológyűrű Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03. 26 -30 17/27

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Nukleáris Technika Tanszék A CERN gyorsítói légifényképre rajzolva Óriás kísérleti eszközök Gyorsítók és detektorok Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03. 26 -30 18/27

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Nukleáris Technika Tanszék A LEP (Large Electron-Positron Collider) néhány adata: • Maximális energia: 50 Ge. V (elektron) ütközésben: 100 Ge. V (m. Z c 2 =91, 25 Ge. V) • 50 – 150 méterrel a felszín alatt fúrt alagútban van (volt). • Kerülete: 27 km (Franciaország és Svájc határán is átlép) • 4 elektron-, 4 pozitroncsomag egymással szemben • 250 milliárd részecske/csomag • 11200 fordulat/s Óriás kísérleti eszközök Gyorsítók és detektorok Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03. 26 -30 19/27

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Nukleáris Technika Tanszék Négy hatalmas detektor (egyenként kb. 3000 tonna) Az ALEPH detektor építés alatt Óriás kísérleti eszközök Gyorsítók és detektorok Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03. 26 -30 20/27

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Nukleáris Technika Tanszék 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 akár ólom-ólom ütközés is (!!) • Energia: 7000 Ge. V/proton, ütközésben 14000 Ge. V(!!!) • Egy csomagban 100 milliárd részecske • Négy nagy detektor: ALICE, ATLAS, CMS, LHC-B A CMS detektor építés alatt Óriás kísérleti eszközök Gyorsítók és detektorok Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03. 26 -30 21/27

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Nukleáris Technika Tanszék Óriás kísérleti eszközök Gyorsítók és detektorok Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03. 26 -30 22/27

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Nukleáris Technika Tanszék Az LHC alagútjában Óriás kísérleti eszközök Gyorsítók és detektorok Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03. 26 -30 23/27

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Nukleáris Technika Tanszék Az ATLAS detektor Óriás kísérleti eszközök Gyorsítók és detektorok Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03. 26 -30 24/27

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Nukleáris Technika Tanszék 1) 2) 3) 4) 5) Sokat tudunk már, de nagyon sok a nyitott kérdés is! Miért éppen 3 részecske-család van? (kvarkoknál, és leptonoknál is) Miért 4 féle kölcsönhatás van? Miért olyan különbözőek ezek a kölcsönhatások? Miért akkorák a részecskék tömegei, mint éppen amekkorák? Miért nincs antianyag az Univerzumban, amikor a törvények nagyon szimmetrikusak? Az LHC (és a CERN) ezek megválaszolásában segíthet! 1) Talán megtalálható lesz a feltételezett Higgs-részecske, amely tömeget ad a részecskéknek 2) Talán még nagyobb energiákon sikerül a kölcsönhatások további egyesítése (SUSY – szuperszimmetria), GUT, TOE 3) Talán megtalálható az anyag-antianyag aszimmetria igazi oka Óriás kísérleti eszközök Gyorsítók és detektorok Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03. 26 -30 25/27

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Nukleáris Technika Tanszék Lehet, hogy ezekre választ kapunk az LHC működésekor… működésekor … de az is lehet, hogy nem… DE! Egészen biztos, hogy a Természet még tartogat olyan meglepetéseket, amelyekre nem is számítunk, és amelyekre jelenleg nem is gondolunk! A Természet megismerésének évezredes kalandjában a CERN-nek fontos szerepe van! Óriás kísérleti eszközök Gyorsítók és detektorok Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03. 26 -30 26/27

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Nukleáris Technika Tanszék Köszönöm a megtisztelő figyelmet! Óriás kísérleti eszközök Gyorsítók és detektorok Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03. 26 -30 27/27