Hiukkaskiihdyttimet ja ilmaisimet Kati LassilaPerini Fysiikan tutkimuslaitos Miksi
- Slides: 48
Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet Kati Lassila-Perini Fysiikan tutkimuslaitos Miksi hiukkasia kiihdytetään? Miten hiukkasia kiihdytetään? Mitä törmäyksessä tapahtuu? Miten hiukkasia mitataan? Esitys hiukkasfysiikan näkökulmasta, vastaavia laitteita myös ydin- ja materiaalitutkimuksessa lääketieteessä monissa kaupallisissa sovelluksissa
Kiihdyttimet Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet 2
Miksi kiihdytetään? Heisenbergin epätarkkuusperiaate: Jos halutaan tutkia pienimpiä aineenosia, liikemäärä on oltava vähintään ∆p > ħ/(2∆x) = 6. 6. 10 -16 e. Vs/(2. 10 -18 m) ≈ 1011 e. V/c = 100 Ge. V/c? Ge. V? « luonnolliset » yksiköt (ħ = 1, c = 1) jolloin energia, massa ja liikemäärä: Ge. V Protonin massa ≈ 1 Ge. V Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet 3
Mitä kiihdytetään? Kiihdyttimet toimivat sähkö -ja magneettikenttien avulla: Hiukkasia tarvitaan paljon: kiihdytettävillä hiukkasilla on oltava varaus. hiukkasia on oltava « helposti » saatavilla. Hiukkasten kiihdytys ja törmäytys kestää jonkin aikaa: hiukkasten on syytä olla stabiileja eli niiden ei pidä hajota spontaanisti. → Sopivia hiukkasia: Elektronit, protonit (sekä näiden antihiukkaset), stabiilit raskaat ion it Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet 4
Mistä hiukkasia saadaan? Elektronit: Protonit: metallipinnasta erkanee elektroneita lämmitettäessä. ionisoidaan vetyä. Antihiukkaset: korkeaenerginen hiukkassuihku törmäytetään kohtioon, jossa tapahtuvassa reaktiossa syntyy mm. hiukkas-antihiukkaspareja, jotka voidaan erotella toisistaan magneettikentässä Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet 5
Miten hiukkasia kiihdytetään? « Low-tech » esimerkki: Sähkömagneettinen kenttä työntää hiukkasia eteenpäin: Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet 6
Hiukkaskiihdyttimen osat RF-kaviteetit antavat hiukkasille lisää energiaa Magneetit ohjaavat hiukkassuihkua dipolit kääntämiseen kvadrupolit fokusointiin sekstupolit kromaattisten virheiden korjaamiseen oktu-, deka-, ja dodekapolit muiden magneettien aiheuttamien virheiden korjaamiseen törmäyskohdan magneetit Tyhjiöputki Muuta: injektiolinja. hiukkassuihkua puhdistavat kollimaattorit, suihkun katkaisin ja pysäytyslinja, jäähdytysjärjestelmä Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet 7
Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet 8
Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet 9
Miten hiukkasia käännetään? Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet 10
Millainen magneettikenttä? Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet 11
Dipolit ja kvadrupolit Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet 12
Dipolit ja kvadrupolit Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet 13
LHC-kiihdyttimen dipolit Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet 14
Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet 15
Törmäykset Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet 16
Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet 17
Mitä törmäyksessä tapahtuu? Elektroni-positroni-törmäys: Protoni-(anti)protoni-törmäys hiukkaset annihiloituvat ja niiden energia vapautuu uusiin hiukkasten osaset – kvarkit ja gluonit – vuorovaikuttavat. Raskaiden ionien törmäys kvarkki-gluoni-plasma. Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet 18
Törmäykset Kiinteä kohtio Rutherfordin koe Kalibrointi, laitteiden testaus Hiukkasten törmäyttäminen Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet 19
Esimerkiksi Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet 20
Mittaukset Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet 21
Miten dataa tulkitaan? Esimerkki: Törmäyksessä on syntynyt Higgsin hiukkanen, joka hajoaa kahteen fotoniin 0 HH Hiukkassysteemin massa on invariantti (Higgsin massa m. H), jolloin fotonien energiasta ja liikemäärästä voidaan laskea: m 2 H = (E 1 + E 2)2 – [(px 1 + px 2)2 + (py 1 + py 2)2 + (pz 1 + pz 2)2 ] Ilmaisimen pitää: • tunnistaa fotoni • mitata sen energia ja liikemäärä • kirjoittaa tiedot muistiin. Fyysikon pitää: • löytää ne törmäykset, joissa on Higgs • vakuuttua ja vakuuttaa, että löydetty signaali on todella Higgsin hiukkanen. Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet 22
Miten hiukkaselle käy aineessa (= hiukkasilmaisimessa)? Kaikki varatut hiukkaset: Elektronit ja positronit: jarrutussäteily e± + N → e± + N + ɣ Fotonit: sähkömagneettinen vuorovaikutus aineen atomien kanssa: energiaa kuluu atomien ionisaatioon. parinmuodostus ɣ + N → e+ + e- + N Hadronit (protonit, neutronit, pionit, kaonit jne. ) vahva vuorovaikutus aineen atomien ydinten kanssa. Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet 23
Hiukkasten vuorovaikutus aineessa Fotonit Elektronit ja positronit Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet 24
Miten hiukkasia mitataan? Jälkikammio – mittaa varatun hiukkasen radan hajotttamatta sitä Kalorimetrit – hajottaa hiukkasen ja mittaa menetetyn energia Myonikammiot – mittaa muiden osien läpi kulkevat myonit. Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet 25
Hiukkasilmaisimen osat Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet 26
Jälkikammio Aktiiviset osat keräävät varauksen, joka vapautuu ohikulkevan hiukkasen ionisoidessa aineen atomeja. Osumista voidaan rekonstruoida hiukkasen rata. Sijoitetaan voimakkaaseen magneettikenttään, jolloin hiukkasen rata kaartuu. Tyypillisiä tekniikoita: pii-ilmaisimet lankakammiot (aktiivisena aineena kaasu, esim. Ar, CH) Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet 27
Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet 28
Varatun hiukkasen rata magneettikentässä Voima, joka pitää massan kaarevalla radalla: F= mv 2/r Magneettikentän varatulle hiukkaselle aiheuttama voima: F = qv. B = mv 2/r mv = p = q. Br Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet 29
Miksi pitää mitata niin tarkkaan? 18 päällekkäista p-p-törmäystä, mukana neljä muonia Higgsin hajontatuotteina (simuloitua dataa) Poistettu kaikki jäljet, joiden pt < 2 Ge. V/c Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet 30
Kalorimetri Sähkömagneettinen kalorimetri Hadronikalorimetri pysäyttää ja mittaa elektronit, positronit, fotonit pysäyttää ja mittaa hadronit. Ensimmäisessä vuorovaikutuksessa syntyneet hiukkaset vuorovaikuttavat edelleen ja syntyy ketjureaktio, joka loppuu kun kaikki energia on kulunut. Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet 31
Kalorimetri Koostuvat joko kokonaan aktiivisesta aineesta tai levyrakenteessa jossa aktiiviset ja passiiviset osat vuorottelevat esim. aktiivinen neste Ar, tuikemuovi – passiivinen lyijy. messinki Aktiivinen osa mittaa varausta tai valoa esim. kristallit CMS-kokeessa varaus: ionisaatio valo: hiukkasten menettämä energia kohottaa aktiivisen aineen elektronit korkeammalle energiatasolle, josta palautuminen aiheuttaa valokvantin Passiivinen osa pysäyttää hiukkassuihkun Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet 32
Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet 33
Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet 34
Myonikammio Myonikammiot ovat jälkikammioita, jotka ovat koeasemassa uloimpana. Kaikki muut hiukkaset pysähtyvät aiemmin. Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet 35
Resoluutio = mittaustarkkuus, esim. energian mittaus Hyvä resoluutio Huonompi resoluutio Huonoin resoluutio /E Emitattu/Eoikea = 1 Jakauman keskiosaan sovitetaan normaalijakauman tiheysfunktio, josta saadaan (keskihajonta) Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet 36
Kalorimetrin resoluutio /E =√ [(a/√E) 2 + (b/E)2 + c 2] Kalorimetrit: Mitä suurempi energia, sitä tarkempi mittaus. Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet 37
Jälkiresoluutio Jälkikammio: Mitä suurempi energia, sitä epätarkempi mittaus. Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet 38
Mikä hajonta? Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet 39
Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet 40
Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet 41
Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet 42
Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet 43
Kiinnostavien törmäysten valinta Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet 44
Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet 45
Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet 46
Tulevaisuuden näkymiä Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet 47
Avoimia kysymyksiä Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet 48
- Kvanttielektrodynamiikka
- Miksi vetyionia kutsutaan myös protoniksi
- Miksi ehkäisyvälineitä on monenlaisia
- Eloonjäämiskuvaaja
- Mitä psykologia tutkii
- Sitruuna karboksyylihappo
- Ionisidos
- Radioaaltojen vaikutus ihmiseen
- Miksi kristillinen oppi muotoutui
- Miksi tropiikin vuorilla on endeemisiä lajeja
- 5 x miksi
- Miksi lukioon
- Miksi opiskella teologiaa
- Miksi usha
- Biosentrismi
- Miksi lentokone pysyy ilmassa
- Miksi kristillinen oppi muotoutui
- Tammikuu liputuspäivät
- Fullereeni ominaisuudet
- Kati madisson
- Erime ısısı formülü
- Sıvı maddenin soğutularak katı hale geçmesi
- 60 ve 80 ebob
- Kati kettunen
- Beşgen piramit yüzey sayısı
- Dragana kati
- Kati djamel eddine
- Kati airisniemi
- Evsel katı atık düzenli depolama tesisinde depolanabilir
- Birimin
- Katı atık nedir
- Besinlerini katı parçacıklar halinde
- Sıvı farmasötik şekiller
- Sıvı maddenin soğutularak katı hale geçmesi
- Problem kurma nedir
- Svlar
- Işaretli katı faz yöntemleri
- Molekülerite katı sıvı yazılır mi
- Kati jalkanen
- Bir maddenin uzayda kapladığı yer
- Ambalaj atıklarının kontrolü yönetmeliği
- Ardha kati chakrasana
- Esneklik berklik ne demek
- Parlayıcı maddeler nelerdir
- Kati ranta
- Kati liik
- Kati mori london marathon
- Katı yaklaşım araçları
- Metrenin 10 katı