Okamžik

zrození

Toto je pracovní a diskusní materiál pro přípravu pořadu o LHC v Planetáriu.

Cílem této prezentace je připravit rozumně objemný text pro vypravěče v korelaci s ilustracemi a usnadnit diskusi, co a jak říkat. Cílem pořadu je přinést plejádu ilustrativních informací včetně ilustrativních čísel a trochu zpravit posluchače o tom, co LHC znamená.Cílem pořadu není zevrubné vzdělání posluchačů v současné částicové fyzice.

Nové uspořádání podle planetária:

Musíme dodat 13 stran textu pro spíkra a 300 fotografií (korelovaných). Všechny obrázky musí být vhodné pro temnou kopuli.

Otevření pod hvězdami … od vesmíru po mikrosvět z jedněch komponent, studuje se to různěNejdřív úvod do částic (neboť to má být pro školy) a co se hledá … 3 str.Urychlovač LHC … 2 str.Experimentální úvod … 2ATLAS … 2ALICE … 2Data a GRID … 1 CERN, základní výzkum … 1

LHC, CERN

Nový vědecký nástroj,spouštěný po

24 letech od začátku příprav a 14 let od schválení projektu.

Evropská laboratoř pro částicovou fyziku v Ženevě,

občasné pracoviště mnoha českých fyziků

Očekávaná „porodnice“ nových částic a jevů:

například Higgsův boson, supersymetrické částice,

extradimenze …

Simulace podmínek raného vesmíru

v podobě horkého a hustého kvark

gluonového plazmatu

LHC - nový vědecký nástroj, spouštěný po 24 letech příprav

LHC (Large Hadron Collider = Velký srážeč hadronů) je urychlovač protonů a těžkých jader vestavěný do 27 kilometrového tunelu 100 metrů pod zemí na předměstí Ženevy

LHC - nový vědecký nástroj, spouštěný po 15 letech přípravK čemu je dobrý urychlovač?

… K tomu, aby urychloval částice, či spíše aby jim dodával velkou energii, protože od Alberta Einsteina už víme, že ani nemohou dosáhnout rychlosti světla.

V případě LHC jsou urychlovány dva svazky protonů proti sobě, každý proton nese energii 7 TeV, tedy má zhruba energii 7 000 krát větší než klidovou (E0=m0c2).

Jde o to, urychlené částice srazit a dívat se pomocí různých detektorů, co ve srážce vzniklo.

Jak se to dělá? Tady je přehled

postupného urychlování protonů v

CERN

LHC - nový vědecký nástroj, spouštěný po 15 letech přípravJak pracuje současný urychlovač?

Na několika místech jsoučástice urychlovány

vysokofrekvenčním polemv urychlovacích dutinách

Urychlované částice, které musejí být nabité, létají ve vakuu

v trubce zahnuté do kruhu. K letu po kruhové dráze jsou nuceny magnetickým polem

magnetů obklopujících trubku.

Urychlovač je vestavěn v tunelu

podobném tunelu metra.

LHC - nový vědecký nástroj, spouštěný po 15 letech příprav

Hlavní součástí LHC je 1232 supravodivých magnetů, pracujících při teplotě 1,9 K (-271 °C), které udržují urychlované částice na kruhové dráze.

Magnety vytvářejí magnetické pole 8,4 T, což je zhruba dvěstětisíckrát více než magnetické pole Země.

Teče jimi proud zhruba 11 700 A. Konvenční, například měděný vodič, by musel mít velký průřez a stejně by měl obrovské ztráty. Proto je použit supravodič. Ten ale potřebuje chlazení na teplotu několik málo kelvinů. Studené části musí být dobře tepelně izolované. Výsledkem je, že čtrnáct metrů dlouhý magnet má 35 tun a stojí půl miliónu CHF…

Díra pro vakuovou

trubici, kterou létají částice

v jednom směru …

… a díra pro vakuovou trubici,

kterou létají částice v opačném

směru

LHC - nový vědecký nástroj, spouštěný po 15 letech příprav

Chlazení zajišťuje zhruba 700 000 litrů kapalného a navíc supratekutého hélia. Celkový potřebný chladicí výkon je zhruba 140 kW. Příkon chladicího systému je ale daleko větší, asi 28 MW.

V trubkách pro svazky částic není skoro nic, aby částicím v letu nic nevadilo. Ono „skoro nic“ znamená vakuum s tlakem 1/10 000 000 000 000 tlaku atmosférického. Stejně zbývá zhruba 3 milióny molekul na cm3 (je to ekvivalentní atmosféře ve výšce asi 1000 km nad povrchem Země).

Chladné části magnetů a rozvod chladicího hélia jsou také izolovány vakuem, to je však horší, jen 1/1 000 000 000 atmosférického tlaku.

Cívky jsou navinuty ze supravodivého kabelu, který je složen z mnoha (227 000) tenkých niob-titanových vláken (desetkrát tenčích než lidský vlas) obalených mědí.

LHC - nový vědecký nástroj, spouštěný po 15 letech příprav

Magnety bylo potřeba vyrobit, otestovat,

spustit 100 metrů pod zem …

… rozvézt po 27 kilometrech tunelu

LHC - nový vědecký nástroj, spouštěný po 15 letech příprav

… otestovat, a pak chladit a chladit …

… pospojovat všechny trubky …

Kromě těchto dipólových magnetů jsou potřeba speciální magnety na zaostřovaní svazku, systém odvedení a bezpečného pohlcení svazku, urychlovací dutiny a moc dalších zařízení.

LHC umí částice urychlovat a srážet. Srážky sledují detektory. Na LHC budou pracovat čtyři velké detektorové komplexy ─ experimenty ATLAS, CMS, ALICE a LHCb

Tunel tu už byl, bylo potřeba vykutat další prostory (červeně

označené)

Experimenty ATLAS, CMS, ALICE a LHCb chtějí získat co nejvíce informací o částicích vylétajících ze srážek. Proto musejí být bohužel dosti velké a tím složité a drahé.

To jsou rozměry pořádné budovy!ATLAS ale sídlí v jeskyni 100 m pod zemí, takže musí jít o pěkně velkou

jeskyni …

44 m

22 m

ATLAS

O ATLASu tu mluvíme proto, že na jeho konstrukci

se podíleli čeští fyzikové a české firmy. Podobně je

tomu u ALICE.

Budování podzemní jeskyně ATLAS

Zařizování podzemní jeskyně ATLAS

Do vybetonované jeskyně byly spuštěny přístupovými šachtami

jeřáby, stěny pokryty lešeními, vzduchotechnikou …

Filmeček Episode1

…a pak tu byl nainstalován celý

komplex detektorů ATLAS …

A jak celý ATLAS vlastně funguje?

Chceme zjistit, jaké částice z místa srážky vylétají, kolik jich je a jaké mají vlastnosti. Srovnáváním těchto údajů s předpověďmi teoretických modelů dovoluje získávat nové poznatky a objevovat nové jevy.

Proto bod srážky obklopíme takovým systémem detektorů, abychom zaregistrovali dráhy částic, ze zakřivení dráhy v magnetickém poli jejich hybnosti, a abychom také změřili energie částic.

16

Různé detektory obklopují bod

srážky

A jak celý ATLAS vlastně funguje?

elektron

mion

hadrony

Vnitřní dráhový detektor Zachytí dráhy nabitých částic, více či méně zakřivených magnetickým polem.

Elektromagnetický kalorimetr nabízí materiál pro rozvojelektromagnetických spršeka měří absorbovanou energii.

Hadronový kalorimetr: nabízí svůj materiál pro rozvojhadronových spršek a měří energii,kterou v něm částice zanechají.

Mionový detektor se nepokouší miony zachytit, ale zaznamenává jejich dráhy zakřivené magnetickým polem.

Neutrina utíkají nezpozorována!!!Zakřivení drah nabitých částic v

magnetickém poli umožňuje určit jejich hybnost

Velké je to protože … viz další stránka

A jak celý ATLAS vlastně funguje?

Vnitřní detektor, kalorimetry a vnější mionový detektor chceme navrstvit kolem bodu srážky. Standardně se používá válcové uspořádání s víky na obou koncích. Typická vrstva materiálu, například železa, která je potřeba na zachycení energie částic, které budou vznikat při srážkách protonů na LHC je zhruba 1 ― 2 metry, mionový detektor potřebuje sledovat dráhy mionů dlouhé několik metrů. Proto studium srážek při vysokých energiích vyžaduje velké detektory.

44 m

22 m

Podstavce držící celé toto monstrum, které váží 7 000 tun

Supravodivé cívky magnetu,který zakřivuje dráhy mionů

Komory, které registrují miony(miony totiž dokážou proniknoutz vnitřku detektoru až ven)

Vnitřní detektor, který detailně registruje dráhy částic, zakřivené magnetickým polem vnitřní supravodivé cívky

Elektromagnetický kalorimetrpohltí elektrony, pozitrony a fotony a změří jejich energii,těžší částice sice ztratí částenergie, ale projdou

Hadronový kalorimetr zastavía změří energii pionů, protonůa jim podobných částic, mionyprojdou

protony

protony

Stínění proti záření

Jednotlivé části ATLASu, vysvětlení funkce v klipu …

… a částečně postavený ATLAS (úplně postavený ATLAS vyplňuje celou jeskyni a tak není skoro nic vidět).

Nové možnosti, které LHC otevírá, spočívají ve vysokých energiích, které byly dosud v pozemských laboratořích nedostupné, a v obrovském množství srážek. To dovoluje hledat „jehly v kupce sena“ neboli velmi řídké procesy. Podívejme se na několik (zaokrouhlených) čísel:

Energie elektronu urychleného napětím tužkové baterie …1,5 eV

Klidová energie elektronu … 500 000 eV = 0,5 MeVKlidová energie protonu … 1 000 000 000 eV = 1 GeVEnergie protonu v LHC … 7 000 000 000 000 eV = 7 TeVEnergie olověného jádra v LHC … 500 000 000 000 000 eV = 500 GeVNejvyšší pozorované energie protonů přilétajících z vesmíru … 100 000 000 000 000 000 000 eV

= 100 EeV

Střední počet kosmických protonů s nejvyššími energiemi dopadajících na 1 km2 za 1 s … 0,000 000 03Střední počet pp srážek v LHC za 1 s … 1 000 000 000Střední počet vybraných a zaznamenaných srážek za 1 s … 200

Jistě si všímáte, že hledání řídkých jevů znamená vybírání malého podílu zajímavých událostí z mnoha uskutečněných srážek.

Všechna tato monstrózní zařízení budujeme proto, abychom se dozvěděli něco nového, za hranicemi současného poznání.

Současnému pohledu na mikrosvět říkáme „standardní model“

22

Objev jádra E. Ruthefordem v roce 1911

(Jádro by mělo být nakreslené daleko menší, s průměrem

menším než 0,0001 průměru atomu )

Objev elektronu (Thomson 1897) –

Thomsonův model atomu (1903).

Objev protonu (E. Rutheford

1916) a neutronu

(J. Chadwick 1932)

Objev kvarků 1964

Očekávaná „porodnice“ nových částic a jevů: například Higgsův boson, supersymetrické částice, extradimenze …

Všechno se to děje v CERN, v Evropské laboratoři pro částicovou fyziku v Ženevě.

Ženeva

CERN

CERN byl založen v roce 1954 dvanácti evropskými státy jako mezinárodní laboratoř pro jaderný výzkum. Jeho cílem nebyly bomby ani elektrárny, ale základní výzkum mikrosvěta. Proto si dnes říká Evropská

laboratoř pro čísticovou fyziku.

Na polích severozápadně od Ženevy vyrostl ústav, který má dnes 20 členských zemí včetně České republiky a další státy se na jeho činnosti podílejí, např. USA, Rusko, Japonsko…

Za více než půlstoletí existence učinili vědci v CERN mnohé velmi závažné objevy …

Carlo Rubbia a Simon van der Meer oslavují zprávu o udělení

Nobelovy ceny za objev intermediálních bosonů W a Z v

roce 1983.

Tohle je obrázek, jak se narodil Z0.

Některé objevy vznikly jaksi mimochodem … Tim Berners-Lee, pracující s Robertem Cailliau navrhl distribuovaný informační systém používající hypertextu. Tento systém měl dovoloval efektivně využívat informace různého typu na různých počítačích a sloužit především rozsáhlým experimentálním kolektivům částicové fyziky. Vymysleli pro něj název "World-Wide Web“. Systém se docela ujal …