1

Large Hadron Collider

Jak to się zaczęło?

Co chcemy zbadać?

Jak to działa?

Co będzie dalej?

2

LHC – trochę historii

1984 - pomysł zderzacza hadronów,1990-92 pierwsze uzgodnienia (B=10 T, E=10 TeV),2003 6 m nadprzewodzącego magnesu jest gotowe,2007 wszystkie magnesy są połączone, chłodzenie do temp. 1.9 K,10.09.2008 pierwsze wiązki w akceleratorze,19.09.2008 zwarcie, wyciek helu, Lato 2009 – planowane ponowne zbieranie danych.

3

LHC – główne zadania

Obecna wiedza o budowie materii i pochodzeniu Wszechświata nie jest kompletna.

Model Standardowy opisuje oddziaływania elektrosłabe i silne, ale nie determinuje masy cząstek – mechanizm Higgsa

przewiduje istnienie ciężkiej cząstki, która powinna powstać przy zderzeniach protonów o bardzo wysokiej energii.

MS nie unifikuje wszystkich oddziaływań (grawitacyjnych), a pomóc tu może weryfikacja teorii o istnieniu ciężkich, supersymetrycznych partnerów istniejących cząstek,

sprawdzana na LHC.

4

Nierozwiązany jest problem braku symetrii pomiędzy materią i antymaterią – istnienie słabego procesu odpowiedzialnego za

brak antymaterii potwierdzone zostanie na LHC.

Brak jest odpowiedzi na pytanie, z czego składa się 95% materii i energii, zwanej „ciemną”, we Wszechświecie, LHC zbada nowe

cząstki przy ekstremalnie wysokich gęstościach energii, podobnych do czasu kreacji świata.

LHC – główne zadania

Zderzenia ciężkich jonów pozwolą na obserwację plazmy kwarkowo-gluonowej – nowego stanu materii, który mógł istnieć

we wczesnym Wszechświecie

LHC =badania początku Wszechświata + oddziaływań cząstek

5

Jak poznać początek?

Patrząc w niebo spoglądamy wstecz w czasie.

Najbliższa gwiazda leżąca poza Układem Słonecznym, Proxima Centauri, jest od

nas oddalona o 4,3 lat świetlnych. Najbliższa galaktyka spiralna,

Andromeda, znajduje się w odległości dwóch

milionów lat świetlnych. Światło, które obecnie obserwujemy, wybiegło z

Andromedy znacznie wcześniej, niż na Ziemi w

wyniku ewolucji pojawił się gatunek ludzki.

Pewne obiekty, zwane kwazarami, leżące na granicach znanego Wszechświata,

oddalone są od Ziemi o ponad 10 miliardów lat świetlnych. Ich światło biegło

do nas ponad dwa razy dłużej niż istnieje Układ Słoneczny.

6

A co było jeszcze wcześniej?

Zdjęcia sporządzone przez teleskop Hubble’a pozwalają na obserwację Wszechświata około miliard lat po narodzinach.

Aby cofnąć się jeszcze dalej w czasie, poniżej niewielkiego ułamka sekundy od Wielkiego Wybuchu, naukowcy używają usytuowanych na ziemi akceleratorów cząstek, zbudowanych w laboratoriach takich jak CERN.

7

A na samym początku?

Zderzenia cząstek przy wysokich energiach odpowiadają wysokiej temperaturze

W CERNie zderzenia będą miały miejsce przy temperaturze 1015 K (100 milionów razy wyższej od temperatury jądra Słońca). Jest to temperatura Wszechświata, kiedy miał zaledwie 10-25 sekundy.

Zatem badanie zderzeń cząstek przypomina badanie Wszechświata tuż po jego narodzinach.

8

Budowa materii

Atom składa się z elektronów i dodatnich obiektów (1897 - J J Thomson).

Elektrony krążą wokół dodatnio naładowanego jądra (1911).

Jądro złożone jest z protonów (1919) i neutronów (1932)

…które składają się z kwarków (1964).

Kwarki i elektrony uważamy Kwarki i elektrony uważamy za cząstki fundamentalneza cząstki fundamentalne

9

Model Standardowy

HIGGS

Cząstki fundamentalne

Cząstki przenoszące oddziaływania

10

Budowa materii-hadrony

Kwarki żyją w grupach wraz z innymi kwarkami i nigdy nie występują samotnie.

Cząstki złożone z kwarków to hadrony.

• Mezony

Zbudowane z kwarku i antykwarku

Piony:

• Bariony

Zbudowane z trzech kwarków

proton

neutron

uudp

ddun 0duud

Wszystkie mezony są niestabilne, rozpadają się na elektrony, pozytony, neutrina i fotony.

Wszystkie bariony z wyjątkiem protonu są niestabilne tzn. rozpadają się, a na końcu łańcucha rozpadów są leptony, protony i fotony.

11

LHC – program fizyczny

Podczas zderzenia protonów o wysokiej energii powstają tysiące cząstek wtórnych. Rozpadają się one na najlżejsze hadrony (kaony, piony, protony) oraz leptony (elektrony i neutrina).

Zadaniem detektorów jest zerejestrowania wszystkich cząstek końcowych, określenie ich toru, pędu oraz identyfikacja.

Zadaniem fizyków jest, na podstawie tych informacji, określić stan, który powstał z pierwotnego zderzenia protonów, czyli z miejsca naśladującego początek Wszechswiata.

Porównanie tych danych z wieloma istniejącymi teoriami, pozwoli na wybranie i weryfikację jednej z nich.

Do eksperymentu potrzeba zatem akceleratorów i detektorów.

12

LHC jako akcelerator wiązek przeciwbieżnych

Magnesy zakrzywiające

Magnesy ogniskujące

Przyspieszanie

Przyspieszanie

Wyprowadzenie wiązkiInjekcja wiązki

Synchrotrony

Wiązki przeciwbieżne:

Przyspieszane cząstki przechodzą wielokrotnie przez te same elementy: wnęki przyspieszające, magnesy zakrzywiające i układy ogniskujące

Przy zderzeniach wiązek energia dostępna do produkcji nowych cząstek jest sumą energii wiązek,Przy zderzeniach z tarczą – jest proporcjonalna do √E

13

LHC – wyzwania technologiczne

Szybkie hybrydowe układy detekcyjne – zderzenia protonów co 25 ns Z LHC przekazywanych będzie rocznie ok. 15 mln GB filtrowanych danych – rozwór

technologii informatycznych – GRID, szybkie przesyły i zapis danych

Wytworzenie wysokich pól magnetycznych zakrzywiających tory protonów B do 10 T – elektromagnesy nadprzewodzące

Technologia niskich temperatur – temperatura He – 1,9 K

Układy przyspieszające o wysokim gradiencie przyspieszania 10 MV/m – wnęki rezonansowe nadprzewodzące

Wysoka świetlność zderzacza 1034 cm-2 s-1

Bardzo wysoka próżnia 10-13 atm

23

LHC-zespoły przyspieszaczySystem injekcji cząstek:

akcelerator liniowy: PSB

PSSPS

0,05 GeV1,4 GeV25 GeV450 GeV

Energia protonów 7 TeV,

Liczba protonów w pęczkuLiczba protonów w wiązceLuminosity (świetlność)Temperatura

1011 - 1,7x1011

2,8x1014

1034 cm-2s-1

1,9 K (-271,3oC)

Pole magnetyczne 8,36 T,

Odległość między pęczkamiLiczba pęczków

7,5 m, 25 ns2835

Długość tunelu 26,66 km

Ciśnienie 10-13 atm.

Magnesy (dipolowe, kwadrupolowe, sekstupolowe)

9600 szt.

Wneki rezonansowe 5 MV/m

24

Położenie akceleratorów i detektorów

LHCb

ATLAS

ALICE

CMSSPS

LHC

PS

25

26

Magnesy dipolowe LHC

E max ∞ BW LHC zastosowano nadprzewodzące magnesy dipolowe o B=8,3 T umożliwiajace zakrzywianie protonów o energii 7 TeV.Magnesy zbudowane są jako cewki z drutu niobowo-tytanowego (Tkryt=10 K), w których płynie prąd o I=11 700 A.Do chłodzenia 4700 ton materiału wykorzystano nadciekły hel (T=1,9 K), który bardzo dobrze rozprzestrzenia chłód na duże odległości.

27

LHCb

Atlas

Alice

CMS

Magnes LHC

Połączenia prądowe

28

Magnesy podczas testów naziemnych...

29

... oraz pod ziemią

30Opuszczanie 15-metrowego (35 t) modułu

31

Wnęka przyspieszajaca

32

LHC - detektory Na LHC zainstalowanych jest sześć detektorow: ALICE, ATLAS, CMS, LHCb (w podziemnych grotach) oraz LHCf (obok ATLASA) i TOTEM (w pobliżu CMS).

Współczesne detektory cząstek elementarnych składają się z wielu elementów, które rejestrują większość produktów zderzenia (oddziaływania).

Cząstki oddziałują w różny sposób z poszczególnymi częściami detektorów.

33

Zadania detektorów

Hybrydowy system detektorów

● zarejestrować wszystkie rodzaje cząstek,● pokazywać trajektorię i zderzenia w 3D,● wyznaczać masę, pęd i energię,● precyzyjnie pokazywać miejsca produkcji i rozpadu,● odrzucić przypadki nieciekawe, ● zapisać dane do dalszej analizy.

Zadania te mogą być realizowane przez wieloczęściowe zestawy detekcyjne (detektory wierzchołka, detektory śladowe w polu magnetycznym, kalorymetry oraz detektory mionów) .

ATLAS - Higgss

LHCb

34

LHC - detektory

ATLAS – najwiekszy obecnie detektor, poszukiwanie cząstki Higgsa, partnerów supersymetrycznych, dodatkowych wymiarów,

CMS – program badawczy podobny do ATLASA, ale odmienna budowa.

LHCb- zagadnienia związane z asymetrią materii, badania mezonów z kwarkiem b, spektrometr.

ALICE – plazma kwarkowo-gluonowa

35

ATLAS

Charakterystyczne układ magnesów w formie obwarzanka.

Stanowi go osiem nadprzewodzącychcewek magnetycznych, każda o długości 25 m, ułożonych nakształt cylindra wokół rury wiązki znajdującej się w środkudetektora.

36

ATLAS

37

LHC – start we wrześniu 2008

Obydwie wiązki 450 GeV obiegły pierścień LHC

Pierwszą przeprowadzono w ciągu godziny

Drugą przeprowadzono w ciągu kilku następnych godzin

38

AGH w DESY i CERN

Opracowanie koncepcji fizycznej – symulacje: fizycyProjekt akceleratora – symulacje: fizycy,inżynierowieProjekt detektorów – symulacje, prototypy, testy: fizycy,

elektronicy, inżynierowie, technicyBudowa akceleratoraBudowa detektorówOpracowywanie danychDESYUdział we wszystkich fazach projektowania i budowy 1980 - 2008

monitor świetlności: projekt L.Suszycki, AGH i IFJ PANkalorymetr uzupełniający, system gazowy, AGH i UWtesty próżniowe: HERA, PETRA, TESLA, FELprace montażowe

Wyjazdy: fizycy wyjazdy długie i krótkieinżynierowie i technicy wyjazdy kilkumiesięczne (~

100)

39

LHC na AGH

17.05.2005 roku doszło do podpisania listu intencyjnego pomiędzy CERN i AGH o współpracy w zakresie odbioru i uruchomienia LHC.

Na kontraktach nie krótszych niż 6 miesięcy przebywało 38 osób, sumaryczny pobyt to 900 osobo/miesięcy.

Osoby te pracowały przy: • instalacji kriogenicznej,• nadprzewodzących magnesach,• technicznej koordynacji prac w tunelu LHC,• kontroli jakości połączeń kriogenicznych, elektrycznych i próżniowych magnesów nadprzewodzących.

40

LHC na AGH

Udział w projektowaniu i budowie wybranych elementów:

ATLAS

Detektor promieniowania przejścia

Inne komponenty ATLASa

System kontroli i sterowania układem detektora

Programowanie

LHCb

Analiza danych symulowanych

GRID

41

Zapraszamy do zwiedzania wystawy!