Źródła cząstek

neutrino.fuw.edu.pl

Źródła cząstek

Źródła cząstek

Naturalne:

Promieniowanie kosmiczne

Różne źródła neutrin

Sztuczne

Akceleratory

Reaktory

D. Kiełczewska wykład 2 1


Promieniowanie kosmiczne

Na początku XX wieku

Theodore Wulf umieścił na

szczycie wieży Eiffla

detektory promieniowania i

odkrył, że promieniowanie na

szczycie było bardziej

intensywne niż na ziemi.

Promieniowanie ze skał

powinno być większe u

podstawy wieży. Musiało więc

istnieć promieniowanie

"z góry".

D. Kiełczewska wykład 2 2


Pierwotne promieniowanie kosmiczne

D. Kiełczewska wykład 2 3


Widmo energii promieni kosmicznych

Zorza polarna

wywołana przez pr. kosm,

które prowadzą do wzbudzeń

cząsteczek azotu i tlenu.

D. Kiełczewska wykład 2 4


Wtórne promieniowanie kosmiczne

Pierwotne promieniowanie oddziałuje

w atmosferze Ziemi:

p + N → N + N + nπ + mK

π ± → µ ± + ν

µ ± → e ± + ν µ

+ ν e

π 0 → 2γ → e + e − + e + e −

K +− 4

π +− 8

cτ (m)

W efekcie do powierzchni Ziemi docierają

(poza neutrinami):

π 0

µ +− 660

2.5 ⋅10 −8

W sumie około:

D. Kiełczewska wykład 2 5


Wielki pęk atmosferyczny

H. Wilczyński, IFJ

D. Kiełczewska wykład 2 6


Obserwatorium Pierre Auger

Sieć powierzchniowa

1600 stacji

rozstaw 1.5 km

3000 km 2

Detektor Fluorescencyjny

4 budynki teleskopów

łącznie 24 teleskopy

H. Wilczyński, IFJ

D. Kiełczewska wykład 2 7


Źródła promieni kosmicznych?

Prawdopodobnie:

- Cząstki o niezbyt wysokich energiach przyśpieszane

w supernowych wewnątrz Galaktyki

- Cząstki o najwyższych energiach spoza Galaktyki

(cząstki o mniejszych energiach są „uwięzione” w swoich galaktykach

przez pole magnetyczne)

Zagadkowe obserwacje przy najwyższych energiach:

Powyzej E=10 19 eV strumień protonów powinien silnie zanikać

bo możliwe są oddziaływania z fotonami tła mikrofalowego (CMB):

p + γ CMB

→ N + π

efekt GZK

D. Kiełczewska wykład 2 8


H. Wilczyński, IFJ

styczeń 2010

D. Kiełczewska wykład 2 9


Skąd przybywają?

Spoza naszej Galaktyki?

Pierre Auger Observatory, 8/11/2007:

Kółka – 27 przypadków prom. kosm. o energii >5,7x10 18 eV

* - 472 znanych AGN w odległości


Naturalne źródła neutrin

D. Kiełczewska wykład 2 11


Neutrina słoneczne w Super-Kamiokande

obserwowane

z kopalni

Wrócimy

do neutrin

w następnych

wykładach

D. Kiełczewska wykład 2 12


Akceleratory

Przyśpieszanie – przez pole elektryczne

Zmiany kierunku (utrzymywanie na orbicie) – pole magnetyczne

Przyśpieszanie wielostopniowe

Akceleratory:

- liniowe

- kołowe

Kolajdery

Przyśpieszane są:

- elektrony/pozytrony

- protony/antyprotony

- ciężkie jony

Wiązki wtórne:

piony, miony

neutrina

D. Kiełczewska wykład 2 13


Akceleratory liniowe

Współczesne akceleratory liniowe:

El. pole przyśpieszające jest w niewielkim obszarze, który przesuwa

się wzdłuż rury akceleratora z prędkością przyśpieszanych cząstek.

Możliwe dzięki automatycznemu dopasowaniu się prędkości.

E

E o

A

Załóżmy, że E o to taka wartość pola,

która przyśpiesza cząstki tak, aby

czas

była zgodność prędkości. Jeśli jakaś

cząstka opóźnia się w fazie,

v

to trafia na silniejsze pole, jest

bardziej przyśpieszana i może

„dogonić” fazę pola.

D. Kiełczewska wykład 2 14


Akceleratory liniowe

Przyśpieszanie wielostopniowe – we wnękach rezonansowych między

cylindrycznymi elektrodami. We wnękach szybkozmienne pole elektr.

Pole elektryczne pojawia się w momencie nadejścia cząstek

- cząstki w fazie z polem.

Wewnątrz wnęk dryfowych pole=0 – cząstki osłonięte przed polem, gdy ma

ono niewłaściwy kierunek

D. Kiełczewska wykład 2 15


Akceleratory – wnęki rezonansowe

Do przyspieszania cząstek:

Wewnątrz wnęki

wytwarzana jest fala

elektromagnetyczna

Częstości rzędu 1 GHz

(mikrofale).

Częstości są tak dobrane,

żeby prędkość fazowa

składowej elektrycznej

była równa prędkości cząstek.

Nadprzewodzace wnęki rezonansowe pozwalają uzyskiwać natężenia pola

rzędu 10 MV/m czyli na 100 m możemy uzyskać 1 GeV

Przykład: akcelerator SLAC (Stanford), dług 3km, E=30 GeV

(240 wnęk, dających krótkie pulsy (2sec) o dużej intensywności)

D. Kiełczewska wykład 2 16


Wnęki rezonansowe

D. Kiełczewska wykład 2 17


Akceleratory kołowe

Siła Lorentza w polu mgt powoduje:

czyli:

Okres obiegu:

Stąd częstość

kołowa:

Im większa energia cząstki

tym dłuższy czas obiegu

- bo dla utrzymania R=const

B odpowiednio zwieksza sie

„Częstość cyklotronowa”

(nierelatywist. γ=1)

np elektron w polu 1 T pokonuje 1 obrót w czasie 36γ psec

B


Akceleratory kołowe

Najprostsze: cyklotrony - przyśpieszone cząstki poruszały się po coraz

większych orbitach.

Jednak: łatwiej utrzymyać cząstki na tych samych

orbitach i stopniowo zwiększać pole mgt.

Wtedy silne pole mgt musimy utrzymywać tylko

w pobliżu orbit (pierścień próżniowy).

W synchrotronach cząstki przyśpieszane są

w kilku wnękach rezonansowych.

Praktyczne rozwiązanie: częstość

przyśpieszającego pola elektr

zsynchronizowana z częstością orbitalną cząstek

Schemat synchrotronu

wnęki

magnesy

zakrzywiające

(dipolowe)

układy

ogniskujące

D. Kiełczewska wykład 2 19


Synchrotrony

Samoogniskowanie fazy cząstek we wnęce rezonansowej:

Załóżmy, że cząstka A jest idealnie w fazie z polem przyśpieszającym.

E

Eo

B

A

T

A’

B’

T = 2π R

v

= 2πmγ

eB

Wprawdzie dla B zwiększa się też orbita, ale układy ogniskujące

(magnesy kwadrupolowe) dokonują korekcji.

t

W paczce cząstek jest pewne

rozmycie w czasie. Załóżmy, że

cząstka B przybywa wczesniej (po

krótszym czasie), uzyskuje

większy przyrost energii, jej czas

obiegu (zgodnie ze wzorem) się

wydłuża i w konsekwencji

przybywa do następnej wnęki

przyśpieszającej nieco później,

trafia na słabsze pole i zbliża się

do cząstki A. Cząstki oscylują

wokół punktu równowagi.

D. Kiełczewska wykład 2 20


Kolajdery

Z poprzedniego wykładu:

Zderzenia wiązek przeciwbieżnych

Zderzenia wiązki ze stacjonarną

tarczą

E a

, E b

m a

,m b

E a

m a

,m b

s ≈ 4E a

E b

E cms


4E a

E b

dla E a

= E b

≡ E E cms

≈ 2E

s ≈ 2E a

m b

E cms


2E a

m b

Najwyższe energie w środku masy osiągamy w kolajderach tzn.

zderzaczach wiązek przeciwbieżnych.

Gdy zderzamy cząstki i antycząstki np e+e- albo protony-antyprotony

wtedy wystarczy jeden pierścień synchrotronowy (te same magnesy

i klistrony dla cząstek i antycząstek) np: LEP lub SPS.

D. Kiełczewska wykład 2 21


SLAC, Stanford, USA

wszystkie ustępują miejsca LHC...

D. Kiełczewska wykład 2 22


Kolajdery

Ograniczenia intensywności

wiązek: „defocusing effect”

- odpychanie Coulomb.

cząstek w wiązce.

>2020

(na kwark

lub elektron)

Intensywności

w synchrotronach

do 10 11 – 10 13 cząstek/sek

Gradienty: do 50MV/m

Przyszłość??

Akceleratory oparte na

wiązkach laserowych w

plaźmie.

Uzyskano elektrony o energii:

85 GeV na odl ok 1m

D. Kiełczewska wykład 2 23


Promieniowanie synchrotronowe

promieniowanie hamowania na skutek przyśpieszeń wynikających

z zakrzywienia w polu mgt

Moc wypromieniowana:

mniejsze straty dla

większych promieni

np. akcelerator LEP w CERN

miał R=4,3 km

LEP był prawdopodobnie ostatnim akceleratorem kołowym e+e-.

Żeby osiągnąć wyższe energie lepiej budować akceleratory

liniowe. Np. planuje się ILC (International Linear Collider):

D. Kiełczewska wykład 2 24


Świetlność (luminosity)

Definicja:

gdzie:

f częstość obiegu

n liczba paczek/pulsów

N liczby cząstek w paczkach

s poprzeczne rozmiary paczek

Rate – liczba reakcji na sec

L – świetlność

σ – przekrój czynny (miara prawd. reakcji)

Np: LEP

ILC

(planowany)

Np. weźmy

L 10 34 1

cm 2 s

σ 1 fb=1⋅10 −15 ⋅10 −24 cm 2 = 1⋅10 −39 cm 2

rate 10 34 ⋅10 −39 1

s = 10−5 1

s ≈ 300 1

rok

Dla porównania – łatwiej o duze L w zwykłych sychrotronach :

wiązka o intensywności 10 13 prot./sec

na tarczy ciekłego wodoru o dług 1m daje:

D. Kiełczewska wykład 2 25


Aktualnie funkcjonujące:

Największe kolajdery

Energia pojedynczej

wiązki

Świetlność

Tevatron 2000- 1 TeV 171

RHIC Au-Au 2000- 100 GeV/nukleon

LHC p-p 2009- 7 TeV 10000

Planowane:

p p

e + e −

ILC >2020 250-500 GeV 10000

więcej na stronie:

http://pdg.lbl.gov/2010/reviews

D. Kiełczewska wykład 2 26


Największe akceleratory

Badania fizyki cząstek koncentrują się w dużych ośrodkach:

CERN w Genewie (LEP, SPS, LHC, CNGS-ν)

)

Fermilab pod Chicago (Tevatron, NuMi-ν)

KEK w Japonii (JPARC-ν)

D. Kiełczewska wykład 2 27


Zestaw akceleratorów w CERN

SPS

Liniac (500 MeV elek, 50 MeV prot, 4.2MeV/nukl),

EPA (Electron-Positron Accumulator)

PS – Proton Synchrotron 28 GeV

SPS – Super Proton Synchrotron, obwód 6km, protony 450 GeV

LHC – Large Hadron Collider, obwód 27 km, 7 TeV

dawniej w tym samym tunelu był:

LEP – Large Electron Positron collider, obwód 27 km, ~100 GeV

D. Kiełczewska wykład 2 28


Zestaw

akceleratorów

w CERN

D. Kiełczewska wykład 2 29


Zestaw akceleratorów w CERN

LEP

(Large electron positron)

collider

LHC (Large Hadron Collider)

50 do 175m pod ziemią

tunel 3.8 m średnicy

Pierwsza wiązka: jesień 2009

Docelowo 2 wiązki protonów po 7 TeV

Nadprzewodzące magnesy

W ciekłym helu

D. Kiełczewska wykład 2 30


LHC

obwód: 27 km

9600 nadprzewodzących magnesów

(Ni-Ti) w temp. 1.9K

max pole B: 8.3 T

paczki po 10 11 protonów

20 zderzeń gdy 2 paczki się

spotykają (co 25 ns)

czas obiegu pierścienia: 0.1 msec

D. Kiełczewska wykład 2

Wnętrze magnesu dipolowego


• Jeszcze trochę liczb

Nature, 455, 436 (2008):

• 362 megajoules = collective energy of LHC's protons at top

speed.

• 88,000 tonnes = total weight of the aircraft carrier USS

Ronald Reagan.

• 361 megajoules = kinetic energy of the USS Ronald Regan

when cruising at 5.6 knots.

• US$4.1 billion = cost of building the LHC.

• US$4.5 billion = cost of the USS Ronald Regan.

D. Kiełczewska wykład 2 32


T2K - Tokai to Kamioka (wiązka neutrin)

D. Kiełczewska wykład 2 33


D. Kiełczewska wykład 2 34


W Japonii zbudowano

nowe laboratorium:

• J-PARC – Japan Proton

Accelerator Research

Complex w Tokai, na

wybrzeżu Pacyfiku

• Wiązka protonowa 30 GeV

• 3.3*10 14 protonów na puls

• Impuls 5µs co 3.5 sekundy

• Moc 0.75MW

• Pierwsze neutrina pojawiły

się kwietniu 2009

Produkcja wiązki neutrin

D. Kiełczewska wykład 2 35


Reaktory jako źródła neutrin

• Reaktory są źródłem antyneutrin

• Reaktory dużej mocy produkują 6•10 20 antyneutrin/s

Z rozpadów neutronów:

energie poniżej 10 MeV

Antyneutrina reaktorowe były obserwowane z

odległości kilkuset metrów

eksperyment KamLAND

D. Kiełczewska wykład 2 36


Reaktory w Japonii – eksper. KamLAND

D. Kiełczewska wykład 2 37

More magazines by this user
Similar magazines