LHC – co to jest i po co nam to?
description
Transcript of LHC – co to jest i po co nam to?
LHC - wystawa PW, HB 1
LHC – co to jest i po co nam to?
Helena Białkowska
Instytut Problemów Jądrowych
LHC - wystawa PW, HB 2
LHC – Large Hadron ColliderWielki Zderzacz Hadronów-
wyzwanie dla fizyki ...
i dla techniki
LHC - wystawa PW, HB 3
LHC to nie eksperyment!To akcelerator cząstek
LHC - wystawa PW, HB 4
Akcelerator - narzędzie do badania mikroświata
akcelerator
LHC - wystawa PW, HB 5
Akceleratory• Służą do przyspiesznia
(stabilnych) cząstek naładowanych (protonów, elektronów, pozytonów, antyprotonów)
Jednostka energii: elektronowolt 1eV = 1.6·10-16J
LHC - wystawa PW, HB 6
LHC - wystawa PW, HB 7
Cząstki Elementarne a rzędy wielkości
Jakie są i jak oddziałują podstawowe składniki materii?
LHC - wystawa PW, HB 8
Obiekty fundamentalne: leptony
LHC - wystawa PW, HB 9
Obiekty fundamentalne: kwarki(górny)
LHC - wystawa PW, HB 10
Oddziaływania
LHC - wystawa PW, HB 11
Oddziaływania
LHC - wystawa PW, HB 12
Oddziaływania
LHC - wystawa PW, HB 13
LHC - wystawa PW, HB 14
Cząstki w Modelu Standardowym
Tego szukamy!
LHC - wystawa PW, HB 15
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:oMechanika kwantowa,oChromodynamika kwantowaoTeoria oddziaływań elektrosłabych
•Ma 19 swobodnych parametrów, których wartości nie wyjaśnia.
•Zgadza się z doświadczeniem do ułamków procenta.
LHC - wystawa PW, HB 16
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
LHC - wystawa PW, HB 17
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!
LHC - wystawa PW, HB 18
Cząstka Higgsa - źródło masy
LHC - wystawa PW, HB 19
CERN
LHC - wystawa PW, HB 20
CERN - przed wejściem głównym – flagi państw - członków CERN-u
Tak, jesteśmyjako kraj
LHC - wystawa PW, HB 21
CERN i LHC
tunel LHC(długość 27 km,
ok.100m pod powierzchnią
ziemi) CERN/Meyrin
Lotniskow Genewie
JezioroGenewskie
LHC - wystawa PW, HB 22
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 - wystawa PW, HB 23
LHC w schematycznym przekroju
LHC - wystawa PW, HB 24
LHC - wystawa PW, HB 25
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 c Liczba 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 Koszt detektorów i gridu (w CERN-ie) 1,53 mld CHF Decyzja o budowie 1994, rozpoczęcie budowy 1998, uruchomienie 2008
LHC - wystawa PW, HB 26
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 (10ˉ¹³ atm), a największa objętość, z której trzeba wypompować powietrze, jest wielkości głównej nawy dużej katedry!
LHC - wystawa PW, HB 27
LHC - wystawa PW, HB 28
LHC - wystawa PW, HB 29
LHC - wystawa PW, HB 30
Detektor CMS – oddziaływania cząstek z materią
LHC - wystawa PW, HB 31
LHC - wystawa PW, HB 32
Pierwsze próby z LHC
LHC - wystawa PW, HB 33
Start LHC: 10 września 2008
LHC - wystawa PW, HB 34
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.
LHC - wystawa PW, HB 35
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.
LHC - wystawa PW, HB 36
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• ...
LHC - wystawa PW, HB 37
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 !!!
LHC - wystawa PW, HB 38
LHC - wystawa PW, HB 39
LHC - wystawa PW, HB 40
A teraz `księga cytatów’
• (na temat możliwości zastosowań
• `badań podstawowych’:
LHC - wystawa PW, HB 41
LHC - wystawa PW, HB 42
LHC - wystawa PW, HB 43
LHC - wystawa PW, HB 44
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...
LHC - wystawa PW, HB 45
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
LHC - wystawa PW, HB 46
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?
LHC - wystawa PW, HB 47
Ustalmy proporcje:
LHC – koszt rzędu paru miliardów CHF
Eskadra F-16 – rzędu 1.6 mld $
LHC - wystawa PW, HB 48
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!
LHC - wystawa PW, HB 49
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.
LHC - wystawa PW, HB 50
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...
LHC - wystawa PW, HB 51
A więc hasło:
• Chcesz postępu w technice – inwestuj w badania podstawowe!
LHC - wystawa PW, HB 52
• 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)
LHC - wystawa PW, HB 53
ZAPAS
LHC - wystawa PW, HB 54
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 55
LHC - wystawa PW, HB 56
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