LHC – co to jest i po co nam to?hep.fuw.edu.pl/u/doroba/lenab/lhcpw.pdf · Wielki Zderzacz Hadronów • LHC = Large Hadron Collider (Wielki Zderzacz Hadronów) • Ostatnie „ogniwo”

LHC - wystawa PW, HB 1

LHC – co to jest i po co nam to?

Helena BiałkowskaInstytut Problemów Jądrowych


LHC – Large Hadron ColliderWielki Zderzacz Hadronów-

wyzwanie dla fizyki ...

i dla techniki


LHC to nie eksperyment!To akcelerator cząstek


Akcelerator - narzędzie do badania mikroświata

akcelerator


Akceleratory• Służą do

przyspiesznia (stabilnych) cząstek naładowanych (protonów, elektronów, pozytonów, antyprotonów)

Jednostka energii: elektronowolt 1eV = 1.6·10-16J



Cząstki Elementarne a rzędy wielkościJakie są i jak oddziałują

podstawowe składniki materii?


Obiekty fundamentalne: leptony


Obiekty fundamentalne: kwarki(górny)


Oddziaływania


Oddziaływania


Oddziaływania



Cząstki w Modelu Standardowym

Tego szukamy!


Model Standardowy –wspólczesna teoria cząstek elementarnych

Własności:• Opisuje trzy spośród czterech oddziaływań:

elektromagnetyczne, słabe i silne.• Nie opisuje oddziaływań grawitacyjnych.• Zawiera w sobie wcześniejsze teorie:

o Mechanika kwantowa,o Chromodynamika kwantowao Teoria oddziaływań elektrosłabych

• Ma 19 swobodnych parametrów, których wartości nie wyjaśnia.

• Zgadza się z doświadczeniem do ułamków procenta.


1. Skąd się biorą masy cząstek i czemu są takie – jakie są? 2. Czy istnieje bozon Higgsa?3. Gdzie się podziała antymateria?4. Gdzie i czym jest niewidoczna część Wszechświata?

(„ciemna materia i „ciemna energia”)5. Czy istnieją „skryte” wymiary przestrzeni?6. Jak formował się wczesny Wszechświat?7. Jakie są własności kwarków w stanie swobodnym?

(Czym jest „plazma kwarkowo-gluonowa”?)8. Czy istnieją cząstki „supersymetryczne”?

Czego nie wiemy? Kilka przykładów


10 –6 s 10 –4 s 3 min 1.5 *109 lat

Plazma K-G Nukleony Jądra Atomy Dzisiaj

Przyroda

Eksperyment

WielkiWybuch

O co chodzi z tą plazmą? Jak to było ‘na początku’?‘cofamy bieg czasu’ zderzając w LHC także jądra ołowiu!


Cząstka Higgsa - źródło masy


CERN


CERN - przed wejściem głównym –flagi państw - członków CERN-u

Tak, jesteśmyjako kraj


CERN i LHC

tunel LHC(długość 27 km, ok.100m pod powierzchnią ziemi) CERN/Meyrin

Lotniskow Genewie

JezioroGenewskie


Wielki Zderzacz Hadronów• LHC = Large Hadron Collider

(Wielki Zderzacz Hadronów)• Ostatnie „ogniwo” kompleksu

akceleratorów w CERNie, obwód: 27km• p+p: E=7TeV+7TeV = 14TeV

(14·1012·1.6·10-19CV=22.4·10-7J)v=99.9999991%c

• 2800 paczek protonowych, 1011 protonów w paczce

• Zderzenia co 25ns, około 20 oddziaływań p-p w jednym przecięciu

• 4 Duże eksperymenty w tymCMS i ATLAS


LHC w schematycznym przekroju



LHC w liczbachDługość obwodu tunelu akceleratora 26 659 m Średnia głebokość tunelu akceleratora 100 m Energia protonów w wiązce 7 TeV Energia jonów w wiązce 2,76 TeV/nukleon Prędkość protonów w wiązce 0,999999991 cLiczba protonów w wiązce 2808 paczek x 1011

Liczba obiegów protonu w akceleratorze na sekundę 11 245

Liczba zderzeń cząstek 600 mln/s Liczba rejestrowanych zderzeń 100/s Czas życia wiązki 10 h Liczba elektromagnesów akceleratora 9 593 Indukcja pola magnetycznego w elektromagnesach dipolowych 8,3 T

Temperatura obwodów nadprzewodzących w tych elektromagnesach

1,9 K

Ciśnienie w rurze wiązki 10-13atm Koszt akceleratora 4,98 mld CHF K d k ó i id ( CERN i ) 1 3 ld CHF


LHC w liczbach – c.d.• Wiązki prowadzi i ogniskuje ogółem 9593

magnesów. Magnesy są nadprzewodzące i operują w temperaturze 1,9°K (-271,3°C). To zimniej niż w kosmosie! Temperaturę zapewnia użycie nadciekłego helu.

• Próżnia w rurach wiązek też jest “lepsza” niż w kosmosie (10¯¹³ atm), a największa objętość, z której trzeba wypompować powietrze, jest wielkości głównej nawy dużej katedry!





Detektor CMS – oddziaływania cząstek z materią



Pierwsze próby z LHC

http://elogbook.cern.ch/eLogbook/attach_viewer.jsp?attach_id=1025394


Start LHC: 10 września 2008


Wydarzenie 19 września 2008

19/09/2008 w czasie testowania magnesów przepalił się mały element elektryczny pomiędzy 2 magnesami. W rezultacie stracono dużo chłodzącego helu. Sama naprawa przepalonego elementu zajmie bardzo mało czasu, ale najpierw trzeba ogrzać oba magnesy do normalnej temperatury, a potem powtórnie ochłodzić. Każda z tych operacji musi zająć ok. 3 tygodni. Ponieważ zaś akceleratory nie mogą działać w zimie (ze względu na koszty prądu), oznacza to, że wznowienie działalności LHC może odbyć się dopiero na wiosnę 2009.


19 września 2008 – c.d.Ważne uwagi:• Zawiódł drobny element elektryczny, wszystkie

elementy skomplikowane technologicznie działały bezbłędnie!

• W momencie, gdy się to wydarzyło, nie było ani ludzi w tunelu, ani wiązek w akceleratorze.

• Powodem nie był pośpiech, presja ani zaniedbanie. Prowadzono standardowe prace przechodzenia do wyższych prądów w magnesach.


A czy „zwykłemu człowiekowi”to się na co przyda?

• nowe materiały,• nowe technologie,• nowe urządzenia pomiarowe,• zastosowania w medycynie,• zastosowania w komunikacji,• zastosowania w energetyce,• zastosowania w ochronie środowiska• ...


foto-tablicana lotniskuw Genewie

CERNNajwiększe w świecie laboratorium fizyki,gdzie narodził się World Wide Web...

... 5 minut stąd!

•nie biznes,•nie przemysł,•nie polityka...

...FIZYKA !

Stworzyła potrzebę i znalazła rozwiązanie,z którego korzysta teraz cały świat !!!




A teraz `księga cytatów’

• (na temat możliwości zastosowań• `badań podstawowych’:





A jak się pracuje w takiej wielkiej współpracy?

• Oczywiście, praca fizyka w eksperymencie różni się od pracy w dużym zakładzie z podobną liczbą osób.– Nie można pracować samemu! Nikt sam nie jest w stanie

ogarnąć całości współczesnych skomplikowanych eksperymentów.

– Ale też nie pracuje się z 2000 osobami naraz. Ani z 500, ani nawet z 10. Zwykle współpracuje się ściśle z 2-3 osobami, więc w zasadzie nie ma wielkiej różnicy z pracą w innych dziedzinach nauki.

• Natomiast trzeba umieć w razie potrzeby znaleźć wśród tych 2000 osób specjalistę od problemu, którego akurat w danej chwili nie potrafimy rozwiązać.

• Ponieważ zwykle każda analiza prowadzona jest przez 2 niezależne grupy, trzeba umieć porozumieć się z kolegami, którzy robią w zasadzie to samo, tylko zupełnie inaczej (oczywiście gorzej...), i mają wyniki w części podobne, ale jednak nie do końca...

• Obie te umiejętności są niezwykle przydatne w tzw. życiu...


A co my będziemy z tego mieli?My, Polska...

• Dostęp naukowców i inżynierów do nauki i technologii na najwyższym poziomie, czego żadne państwo nie byłoby w stanie samodzielnie zapewnić!

• CERN umożliwia kształcenie studentów przed i po magisterium.

• CERN organizuje 3-tygodniowe kursy dla nauczycieli fizyki, po polsku i pokrywając wszelkie koszty pobytu.

• Kontakt przez kuratorium


A my, zwykli ludzie?

Autentyczne wypowiedzi:• Czy to nie za drogi sposób zaspokajania

ciekawości kilku osób?• Rety, tyle kasy! Czy nie lepiej było

przeznaczyć te pieniądze na walkę z rakiem?

• ... na poszukiwanie alternatywnych źródeł energii?


Ustalmy proporcje:

LHC – koszt rzędu paru miliardów CHF

Eskadra F-16 – rzędu 1.6 mld $


To są źle postawione pytania!• Badania podstawowe muszą się rozwijać, bo tylko wtedy

zapewnimy postęp i umożliwimy nowe wynalazki!– ... w szczególności na walkę z rakiem i poszukiwania nowych źródeł

energii!– w przeciwnym razie natychmiast stajemy przed pytaniem, który z

naszych bezpośrednich celów jest ważniejszy? Czy np. może po prostu dać wszystkie pieniądze na walkę z rakiem, a o energię zadbać w dalszej kolejności??

• Warunkiem zastosowania w praktyce nowego zjawiska jest jego uprzednie dobre poznanie – jakie przyczyny wywołują jakie skutki

• Oczywiście, problem zapewnienia funduszy na rozwój biologii, fizyki, chemii, ... jest poważny– ale przecież każde gospodarstwo domowe też musi go rozwiązać!


Spektakularne przykłady z przeszłości• Tomograf to akcelerator elektronów• G.Charpak, konstruktor nowych, przełomowych

detektorów cząstek (1968, nagroda Nobla 1992), od razu przewidział ich zastosowanie w medycynie.

• Metoda magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR) jest strasznie skomplikowanym zjawiskiem z fizyki kwantowej (nagroda Nobla 1952) – a obecnie urządzenia wykorzystujące to zjawisko są standardowym wyposażeniem każdego szpitala.


Spektakularne przykłady – c.d.• Louis de Broglie miał czysto teoretyczny pomysł, że cząstki mają dualną naturę – korpuskularną i falową (1924, nagroda Nobla 1929). Wkrótce (1931) w oparciu o tę koncepcję 2 niemieckich inżynierów zbudowało mikroskop elektronowy.

• Laser został wynaleziony w r.1960, stosując ideę pompowania optycznego (1950, nagroda Nobla 1966). Gdyby wtedy zgromadzono wszystkich najwybitniejszych naukowców i kazano im wymyślić konkretne urządzenie do efektywnego zapisywania muzyki (bądź pomocy kasjerkom w sklepach), pewno myśleliby jeszcze do dzisiaj...


A więc hasło:

• Chcesz postępu w technice –inwestuj w badania podstawowe!


• Wykorzystałam tu informacje/obrazki/prezentacje wielu osób

• (źródła ogólnodostępne (polecam strony CERNu) oraz referaty kolegów; niektórzy będą mówić na następnych wykładach)

• Dziękuję prof. Janowi Plucie (PW), dr Marcinowi Koneckiemu (UW), dr Ryszardowi Gokieli (IPJ)


ZAPAS


CERN i Polska w liczbach

05/02/2008

Zatrudnieni na długi

okres (>3 lat)

Zatrudnieni na krótszy okres

(1-3 lat)

Przyjeżdżający dorywczo

Ogółem 2415 730 9133

w tym z Polski

38 67 202



LHC - wystawa PW, HB 57Thierry Lagrange57

BUDGET 200720 MEMBER STATES’ CONTRIBUTIONS

Amounts in Swiss francs

Germany 19.73% 202’452’100 Norway 2.37% 24’299’950

United Kingdom 17.67% 181’370’000 Poland 2.21% 22’687’350

France* 14.88% 152’718’800 Denmark 1.76% 18’100’250

Italy 12.05% 123’635’450 Greece 1.54% 15’854’400

Spain 8.16% 83’790’450 Finland 1.40% 14’416’100

Netherlands 4.46% 45’739’400 Portugal 1.19% 12’243’100

Switzerland 3.07% 31’462’150 Hungary 0.76% 7’839’950

Belgium 2.66% 27’260’750 Czech Republic 0.88% 9’075’800

Sweden 2.48% 25’451’950 Slovak Republic 0.34% 3’491’100

Austria 2.17% 22’250’950 Bulgaria 0.21% 2’147’800

* Additional contribution from France 9’000’000 CHF

Total CHF 100% 1’026’287’800

Documents

LHC – co to jest i po co nam to?hep.fuw.edu.pl/u/doroba/lenab/lhcpw.pdf · Wielki Zderzacz Hadronów • LHC = Large Hadron Collider (Wielki Zderzacz Hadronów) • Ostatnie „ogniwo”