Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Nukleáris Technika Tanszék 1/27 Óriás kísérleti eszközök Gyorsítók és detektorok Középiskolai Fizikatanári.

Az előadások a következő témára: "Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Nukleáris Technika Tanszék 1/27 Óriás kísérleti eszközök Gyorsítók és detektorok Középiskolai Fizikatanári."— Előadás másolata:

1 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Nukleáris Technika Tanszék 1/27 Óriás kísérleti eszközök Gyorsítók és detektorok Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30 Óriás kísérleti eszközök gyorsítók (és detektorok) gyorsítók (és detektorok) Dr. Sükösd Csaba egyetemi docens, tanszékvezető

2 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Nukleáris Technika Tanszék 2/27 Óriás kísérleti eszközök Gyorsítók és detektorok Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30 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

3 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Nukleáris Technika Tanszék 3/27 Óriás kísérleti eszközök Gyorsítók és detektorok Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30 Részecskegyorsítás, de minek? Hol használnak részecskegyorsítókat? Alapkutatás (nagy energiájú fizika, magfizika, szilárdtestfizika, biológia stb.)Alapkutatás (nagy energiájú fizika, magfizika, szilárdtestfizika, biológia stb.) Elektron-nyaláb hegesztés (ipar)Elektron-nyaláb hegesztés (ipar) Félvezetőgyártás (ipar)Félvezetőgyártás (ipar) Elektronmikroszkóp (rengeteg alkalmazás)Elektronmikroszkóp (rengeteg alkalmazás) Gáz-lézerek és szabadelektron-lézerek meghajtásaGáz-lézerek és szabadelektron-lézerek meghajtása Műanyagok térhálósítása (vegyipar)Műanyagok térhálósítása (vegyipar) Orvosi alkalmazások (radioizotópok előállítása, közvetlen besugárzások, sterilizálás stb.)Orvosi alkalmazások (radioizotópok előállítása, közvetlen besugárzások, sterilizálás stb.) Élelmiszerek besugárzása (mezőgazdaság)Élelmiszerek besugárzása (mezőgazdaság) Röntgen-csövek, és Rtg-sugárzás felhasználása (ipar, gyógyítás stb.)Röntgen-csövek, és Rtg-sugárzás felhasználása (ipar, gyógyítás stb.) Elektron- és ionszórásos felületvizsgálatok (ipar)Elektron- és ionszórásos felületvizsgálatok (ipar) Fúziós berendezések, plazmafűtésFúziós berendezések, plazmafűtés Radioaktív melléktermékek transzmutációja... stb.Radioaktív melléktermékek transzmutációja... stb.

4 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Nukleáris Technika Tanszék 4/27 Óriás kísérleti eszközök Gyorsítók és detektorok Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30 Miért kell egyre nagyobb energia? 1) Felbontóképesség ~ 1) Felbontóképesség ~ Az anyag finom részleteinek megismeréséhez egyre kisebb kell. De: (de Broglie hullámhossz) nagy lendület kell! Nagy lendület Nagy tömeg Nagy sebesség (csak akkor jó, ha „elemi részecske”) Példák: Elektronmikroszkóp felbontóképessége jobb, mint a fénymikr.-éElektronmikroszkóp felbontóképessége jobb, mint a fénymikr.-é Rutherford-kísérletben  -részecske hullámhossza~10 -14 m (elemi?)Rutherford-kísérletben  -részecske hullámhossza~10 -14 m (elemi?) Nagy energiájú elektronokkal meglátni a kvarkokat a protonbanNagy energiájú elektronokkal meglátni a kvarkokat a protonban gyorsítók

5 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Nukleáris Technika Tanszék 5/27 Óriás kísérleti eszközök Gyorsítók és detektorok Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30 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. Compton-hullámhossz: Ennél rövidebb már létre tudja hozni a részecskét, ezért egy m 0 tömegű részecske helyét legfeljebb ilyen pontossággal lehet meghatározni ! Ebből: azaz

6 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Nukleáris Technika Tanszék 6/27 Óriás kísérleti eszközök Gyorsítók és detektorok Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30 Részecskegyorsító főbb részei: Otthon is van részecskegyorsítód! Három alapelv 1) Gyorsítás:  U potenciálkülönbségen áthaladó részecske kinetikusenergia- változása: 1) Gyorsítás:  U potenciálkülönbségen áthaladó részecske kinetikusenergia- változása: 1 eV = 1,6∙10 -19 [Cb]∙ 1 [V] = 1,6∙10 -19 [J] (ekkora energiát kap egy elektron/proton 1 V feszültség-különbség hatására) 1 GeV=10 9 eV, 1 TeV=10 12 eV giga-tera-

7 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Nukleáris Technika Tanszék 7/27 Óriás kísérleti eszközök Gyorsítók és detektorok Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30 2) Részecskenyaláb „terelése”: elektromágneses (Lorentz) erő: 2) Részecskenyaláb „terelése”: elektromágneses (Lorentz) erő: 3) Faraday „kalitka” 3) Faraday „kalitka” Fémdoboz belsejében az Fémdoboz belsejében az elektromos térerősség: E=0 elektromos térerősség: E=0 elektromostérerősség mágnesesindukció részecskesebessége

8 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Nukleáris Technika Tanszék 8/27 Óriás kísérleti eszközök Gyorsítók és detektorok Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30 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

9 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Nukleáris Technika Tanszék 9/27 Óriás kísérleti eszközök Gyorsítók és detektorok Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30 SLAC Stanford Linear ACcelerator Hossza: 3,2 km Részecskék: elektron, pozitron E~ 50 GeV 3 Nobel-díj: 1976: J/  részecske (c-kvark) 1990: kvarkok a p és a n belsejében 1995:  - lepton. A világ legnagyobb lineáris gyorsítója A részecskék „csomagokban” gyorsulnak. Fázisfókuszálás (a csomaghoz képest) képest)

10 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Nukleáris Technika Tanszék 10/27 Óriás kísérleti eszközök Gyorsítók és detektorok Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30 Homogén mágneses térben, a B-re merőlegesen belépő részecskékre: centrip. erő = Lorentz erő Ebből kapjuk: = állandó, (amíg m is állandó) Második alkalmazás: ciklotron Gyorsító elektródán belül „Faraday-kalitka” Gyorsítás: az elektródák között (F ┴ v, körpálya)

11 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Nukleáris Technika Tanszék 11/27 Óriás kísérleti eszközök Gyorsítók és detektorok Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30 Orvosi alkalmazású ciklotron (Orsay, Fr.ország) Ciklotronból a levegőbe kilépő protonsugár (R a ciklotron sugara) Ciklotronnal előállítható maximális energia:

12 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Nukleáris Technika Tanszék 12/27 Óriás kísérleti eszközök Gyorsítók és detektorok Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30 Nagy energiáknál két probléma: 1) De az energia növekedésével m is nő (relativisztikusan) Két lehetséges megoldás: B növelése (relativisztikus ciklotron)  csökkentése (szinkrociklotron) 2) Számpélda: Gyorsítsunk protonokat E max = 50 GeV energiára! Legyen B = 3 T Mekkora sugarú ciklotronra lenne szükség? 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!!! megoldás!

13 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Nukleáris Technika Tanszék 13/27 Óriás kísérleti eszközök Gyorsítók és detektorok Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30 Gyorsítógyűrű! Állandó pályasugáron tartani, tehát a gyorsítás során B növelése. Gyorsító (és tároló) gyűrű felépítése Működési fázisok (A rajz nem teljesen jó, hiszen a pálya csak ott görbül, ahol hajlító mágnes van!) (ehhez a lineáris gyorsító „körbehajlításával” is eljuthatunk)

14 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Nukleáris Technika Tanszék 14/27 Óriás kísérleti eszközök Gyorsítók és detektorok Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30 A CERN nagy gyorsítóinak története 1959: Proton szinkrotron (PS) 28 GeV protonok 28 GeV protonok föld alatti elhelyezés föld alatti elhelyezés kerülete 628 m kerülete 628 m

15 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Nukleáris Technika Tanszék 15/27 Óriás kísérleti eszközök Gyorsítók és detektorok Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30 A CERN nagy gyorsítóinak története 1976: Super Proton Szinkrotron (SPS) 400 GeV protonok 400 GeV protonok föld alatti elhelyezés föld alatti elhelyezés kerülete 6 km kerülete 6 km Lineáris gyorsító és „preinjektor”

16 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Nukleáris Technika Tanszék 16/27 Óriás kísérleti eszközök Gyorsítók és detektorok Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30 A CERN nagy gyorsítóinak története 1981: Carlo Rubbia javaslata: ütközőnyalábok protonok és antiprotonok protonok és antiprotonok „Antiproton accumulator” „Antiproton accumulator” 1984: Antiproton Collector 1984: C.Rubbia és Van der Meer felfedezik a Z 0, majd a W részecskéket

17 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Nukleáris Technika Tanszék 17/27 Óriás kísérleti eszközök Gyorsítók és detektorok Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30 A CERN nagy gyorsítóinak története 45 GeV elektron-pozitron tárológyűrű tárológyűrű 1989-2000 LEP

18 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Nukleáris Technika Tanszék 18/27 Óriás kísérleti eszközök Gyorsítók és detektorok Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30 A CERN gyorsítói légifényképre rajzolva

19 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Nukleáris Technika Tanszék 19/27 Óriás kísérleti eszközök Gyorsítók és detektorok Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30 A LEP (Large Electron-Positron Collider) néhány adata: Maximális energia: 50 GeV (elektron) Maximális energia: 50 GeV (elektron) ütközésben: 100 GeV (m Z  c 2 =91,25 GeV) ütközésben: 100 GeV (m Z  c 2 =91,25 GeV) 50 – 150 méterrel a felszín alatt fúrt alagútban van (volt). 50 – 150 méterrel a felszín alatt fúrt alagútban van (volt). Kerülete: 27 km (Franciaország és Svájc határán is átlép) Kerülete: 27 km (Franciaország és Svájc határán is átlép) 4 elektron-, 4 pozitroncsomag egymással szemben 4 elektron-, 4 pozitroncsomag egymással szemben 250 milliárd részecske/csomag 250 milliárd részecske/csomag 11200 fordulat/s 11200 fordulat/s

20 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Nukleáris Technika Tanszék 20/27 Óriás kísérleti eszközök Gyorsítók és detektorok Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30 Az ALEPH detektor építés alatt Négy hatalmas detektor (egyenként kb. 3000 tonna)

21 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Nukleáris Technika Tanszék 21/27 Óriás kísérleti eszközök Gyorsítók és detektorok Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30 További tervek: Large Hadron Collider (LHC) Jelenleg építés alatt (2008-ban indul!) Jelenleg építés alatt (2008-ban indul!) A LEP alagútjában A LEP alagútjában szupravezető mágnesek (8,2 T!!) szupravezető mágnesek (8,2 T!!) Első lépésben proton-proton ütközés, Első lépésben proton-proton ütközés, Később akár ólom-ólom ütközés is (!!) Később akár ólom-ólom ütközés is (!!) Energia: 7000 GeV/proton, Energia: 7000 GeV/proton, ütközésben 14000 GeV(!!!) ütközésben 14000 GeV(!!!) Egy csomagban 100 milliárd részecske Egy csomagban 100 milliárd részecske Négy nagy detektor: ALICE, ATLAS, CMS, LHC-B A CMS detektor építés alatt

22 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Nukleáris Technika Tanszék 22/27 Óriás kísérleti eszközök Gyorsítók és detektorok Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30

23 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Nukleáris Technika Tanszék 23/27 Óriás kísérleti eszközök Gyorsítók és detektorok Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30 Az LHC alagútjában

24 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Nukleáris Technika Tanszék 24/27 Óriás kísérleti eszközök Gyorsítók és detektorok Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30 Az ATLAS detektor

25 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Nukleáris Technika Tanszék 25/27 Óriás kísérleti eszközök Gyorsítók és detektorok Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30 Sokat tudunk már, de nagyon sok a nyitott kérdés is! 1) Miért éppen 3 részecske-család van? (kvarkoknál, és leptonoknál is) 2) Miért 4 féle kölcsönhatás van? 3) Miért olyan különbözőek ezek a kölcsönhatások? 4) Miért akkorák a részecskék tömegei, mint éppen amekkorák? 5) 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

26 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Nukleáris Technika Tanszék 26/27 Óriás kísérleti eszközök Gyorsítók és detektorok Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30 Lehet, hogy ezekre választ kapunk az LHC működésekor Lehet, hogy ezekre választ kapunk az LHC működésekor… … de az is lehet, hogy nem… DE! Egészen biztos, hogy a Természet még tartogat olyan meglepetése- ket, amelyekre nem is számítunk, és amelyekre jelenleg nem is gon- dolunk! A Természet megismerésének évezredes kalandjában a CERN-nek fontos szerepe van!

27 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Nukleáris Technika Tanszék 27/27 Óriás kísérleti eszközök Gyorsítók és detektorok Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30 Köszönöm a megtisztelő figyelmet!