FIZYKA III MEL Fizyka jdrowa i czstek elementarnych

FIZYKA III MEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych Wykład 7 – Akceleratory

Akceleratory

Akceleratory urządzenia wytwarzające strumienie naładowanych cząstek o (odpowiednio) dużej energii izotopy radioaktywne źródła naturalne promieniowanie kosmiczne reaktory jądrowe źródła sztuczne akceleratory

Akceleratory przyspieszane cząstki: e, p, d, , jon parametry energia: E, E/A natężenie wiązki źródło cząstek akcelerator system transport u zapis danych dst target trigger wyzwalacz detektor daq zbieranie danych

Akceleratory elektrostatyczne V = 10 MV E k= 10 Me. V Jak osiągnąć wysoką różnicę potencjałów?

Akceleratory elektrostatyczne generator kaskadowy, Cockroft, Walton (1932) • maksymalnie V = 3 MV • wyładowania… • … akceleracja wstępna 4 V 0 3 V 0 2 V 0 V 0+V 0 sin t VV 00 V 0 sin t

Cockcroft, Walton 1932 – pierwsze rozbicie jądra: 1 H + 7 Li 2 (300 k. V)

Akceleratory elektrostatyczne + + generator Van de Graaffa (1935) + + + + + • maksymalne V kilka MV + + + • upływ ładunku można zmniejszyć przez wypełnienie azotem lub argonem pod ciśnieniem kilkunastu atmosfer

Van de Graaff

Tandem elektroda dodatnia + + + kanał zdzierający ładunek źródło jonów - - -- kanał dodający ładunek Tandemy wielostopniowe - maksymalne V 20 MV

Akcelerator liniowy przyspieszenie wydrążone elektrody(E = 0) generator Częstość zmian pola elektrycznego dobrana tak, aby cząstki trafiały w szczeliny w fazie przyspieszającej. Los Alamos, protony 800 Me. V SLAC (Uniwersytet Stanforda) 3 km, elektrony do 30 Ge. V

Akcelerator liniowy

Cyklotron nie zależy od r ! B częstotliwość cyklotronowa maksymalna energia kinetyczna:

Cyklotron

kompleks

Cyklotron Uniwersytetu Warszawskiego przyspiesza jony węgla do 10 Me. V/nukleon Podstawowe parametry: • Typ: Izochroniczny, AVF • Średnica: 2 m • Struktura magnetyczna: Cztery sektory • Napięcie przyspieszania 70 k. V • Metoda wyprowadzenia wiązki zdzieranie ładunku • Zakres wartości stosunku masa/ładunek jonów: 2 -10

Synchrotron dipol magnetyczny pole magn. rośnie wraz z pędem cząstki. wnęki przyspieszajace injektor wyprowadzenie wiązki

Synchrotron energia pocz. Częstość kołowa obiegu: Pole elektryczne we wnękach przyspieszających zmienia się z częstością taką, że: Aby promień był stały, musi wzrastać B i

Kolajder . . . by mieć protony o energii w środku masy 40 Me. V: 800 Me. V 20 Me. V

tak działa kolajder. . .

BNL

Relativistic Heavy Ion Collider 0. 99995 · c 0. 997 · c 0. 37 · c 0. 05 · c

w RHIC’u 197 Au A · 100 Ge. V ~ 40 Te. V ! animacja

Akcelerator w tunelu 4 m pod ziemią przyspiesza przeciwbieżne wiązki jąder atomowych do prędkości 99, 95 prędkości światła. Wiązka odchylana jest w polu magnetycznym wytwarzanym przez nadprzewodzące magnesy umieszczone w ciekłym helu o temperaturze 4, 5 K.

RHIC • Energia zderzenia Ecms = 200 Ge. V • Tysiące zderzeń na sekundę • Podczas zderzenia wytwarza się temperatura 10 000 razy wyższa niż na Słońcu W eksperymentach bierze udział ponad 1000 fizyków z całego świata Grupa naukowców i studentów z Wydziału Fizyki P. W. uczestniczy w eksperymencie STAR

Rejestracja cząstek Cztery eksperymenty na zderzaczu RHIC

RHIC kriogenika ciekły hel ~ 40 Te. V ! próżnia 5 · 10 -10 tor tunel 3. 8 km dipole 288 · 9. 7 m, 3. 45 T 1 g złota / 20 lat zużycie energii 20 tys. miasto

Large Hadron Collider, 2007? CERN Genewa (Szwajcaria/ Francja) obwód ok. 27 km

LHC

tevatron

Reakcje jądrowe

„Historyczne” reakcje jądrowe 1919 E. Rutherford 4 He 2 + 14 N 7 17 O 8 powietrze +p (Q = -1. 19 Me. V) błyski na ekranie scyncylacyjnym Zn. S transmutacja – zamiana jednego jądra na inne 1932 protony z generatora Cocrofta-Waltona p + 73 Li 42 He + 42 He (Q > 0) Bariera kulombowska – potrzebna niezerowa energia pocisku

„Historyczne” reakcje jądrowe 1932 Chadwick: odkrycie neutronu 4 He 2 + 94 Be 4 He 2 + 95 B 12 C 6 11 N 7 +n +n Źródło neutronów Ra-Be: Be ( , n) C B ( , n) N

Reakcje jądrowe deuter d +d 31 H + p (Q = 4. 03 Me. V) d +d 32 He + n (Q = 3. 27 Me. V) tryt n + 63 Li 31 H + 42 He 3 H 1 + 21 H n + 42 He (Q = 17. 58 Me. V) wysokoenergetyczne neutrony (ok. 14 Me. V)

Reakcje jądrowe fotoreakcja +d n + p (Q = -2. 22 Me. V) sztuczna promieniotwórczość – F. i I. Joliot-Curie 4 He 2 + 27 Al 13 30 P 15 + 105 B 137 N + n d + 126 C 137 N + n p + 126 C 137 N + (Q = -2. 69 Me. V) +n 30 Si 14 + e + + e 13 N 7 13 C 6 + e + + e

Sztuczna promieniotwórczość F. i I. Joliot-Curie 4 He 2 + 27 Al 13 30 P 15 + 105 B 137 N + n d + 126 C 137 N + n p + 126 C 137 N + (Q = -2. 69 Me. V) +n 30 Si 14 + e + + e 13 N 7 13 C 6 + e + + e

Wychwyt neutronu Enrico Fermi n+ 27 13 Al 24 Na 11 + 24 Na 11 24 Mg 12 + e + e reakcja aktywacji srebra: n+ 107 Ag 47 108 Ag 47 + 108 Ag 47 108 Cd 48 + e + e