Επιταχυντές Πλησιάζοντας την ταχύτητα του φωτός Τα πιο ισχυρά μικροσκόπια Γιώργος Φανουράκης Ινστιτούτο Πυρηνικής και Σωματιδιακής Φυσικής Ε.Κ.Ε.Φ.Ε. ‘Δημόκριτος’ Η Φυσική στο Προσκήνιο Ελληνική Ομάδα Εκλαΐκευσης

Θεμελιώδη ερωτήματα για τη Σωματιδιακή Φυσική (δηλ. τη Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων) Από τι είναι φτιαγμένος ο κόσμος γύρω μας; Ποιοι είναι οι δομικοί λίθοι της ύλης, δηλ. ποια είναι τα στοιχειώδη σωματίδια; Η επιστήμη που συνεχίζει να εμβαθύνει στην κατανόηση της φύσης, δηλαδή τόσο στην ταυτοποίηση των στοιχειωδών συστατικών της και των θεμελιωδών αλληλεπιδράσεων τους όσο και στην διερεύνηση της δημιουργίας και εξέλιξης του σύμπαντος με την βοήθεια της γνώσης που αποκτάται, είναι η Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων ή αλλιώς Φυσική Υψηλών Ενεργειών. Πώς συνδέονται οι δομικοί λίθοι μεταξύ τους, για να συγκροτήσουν την ύλη; ή αλλιώς: ποιες είναι οι θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις;

Πως παρατηρούμε ? Όργανα και λεπτομέρεια παρατήρησης Πως παρατηρούμε ? Όργανα και λεπτομέρεια παρατήρησης γ 25 cm Δx Το φως ανακλάται στο αντικείμενο (σκεδάζεται) και εισέρχεται μέσω της κόρης στα μάτια μας. Ο φακός εστιάζει το φως στον αμφιβληστροειδή χιτώνα που περιέχει φωτοευαίσθητα κύτταρα. Ο εγκέφαλος επεξεργάζεται και ερμηνεύει τα οπτικά ερεθίσματα. Η διακριτική ικανότητα του ματιού είναι: Για n=1.33, λ=500nm, ακτίνα κόρης α=5mm,  γ = 6x10-5 Η μικρότερη διάσταση που μπορούμε να διακρίνουμε: Δx~12 μm Κύτταρα (~10μm) σαν κουκκίδες

Οπτικά μικροσκόπια Για n=1, θ=70ο, λ=500nm  Δx = 300 nm Διακρίνουμε λεπτομέρειες στα κύτταρα (~10μm) και στα βακτήρια (0.8-3μm) Η διακριτική ικανότητα ανάλογη του λ, δηλ. του μήκους κύματος του φωτός !!

Περισσότερη λεπτομέρεια; Πως όμως θα μπορέσουμε να παρατηρήσουμε ακόμη πιο μικρά αντικείμενα (π.χ. ιούς μεγέθους 17-300 nm) ;;;;;; Ο De Broglie έκανε την σύνδεση σωμάτιο-κύμα: ένα υλικό σωματίδιο είναι ισοδύναμο με κύμα λ = h/p Ένα ηλεκτρόνιο με ταχύτητα 1% της ταχύτητας του φωτός έχει λ ~ 0.07 nm Επιταχύνοντας σωματίδια ώστε να αποκτήσουν μεγάλες ορμές (δηλαδή μεγάλες ενέργειες) επιτυγχάνομε πολύ καλύτερη διακριτική ικανότητα.

; Ισχυρότεροι Επιταχυντές Σωματιδίων Ηλεκτρονικό μικροσκόπιο (~50 pm, 1 pm= 10-12m) Ενέργειες 40-400 keV Ιός της γρίπης (D: 200nm) ; Ισχυρότεροι Επιταχυντές Σωματιδίων Ενέργειες GeV (1 fm = 10-15m)

Γιατί χρειαζόμαστε Επιταχυντές; Ο επιταχυντής είναι ένα μικροσκόπιο που όσο πιο μεγάλη ενέργεια διαθέτει, τόσο πιο καλή διακριτική ικανότητα έχει: 2) Τα σωματίδια που αναμένουμε να ανακαλύψουμε είναι όλο και βαρύτερα: Άρα χρειαζόμαστε την απαιτούμενη ενέργεια για να τα δημιουργήσουμε μεγάλη ενέργεια  δυνατότητα παραγωγής σωματιδίων με μεγάλη μάζα (Ε=mc2)

Ο πιο γνωστός ηλεκτροστατικός επιταχυντής σωματιδίων Κάθοδος Άνοδος Δακτύλιοι εστίασης απόκλισης Δέσμη ηλεκτρονίων Κενό Let me say just a little about particle accelerators. You are all familiar with one - the television set. In a television electrons are boiled off a piece of metal by heating it and then accelerating them through a potential of about 20,000 volts (which is why you are advised not to poke you fingers in the back of a television). They are focused and directed to the screen by electric and magnetic fields where they produce the picture by making materials of the screen fluoresce. Η ενέργεια των ηλεκτρονίων είναι περίπου 20keV

Ινστιτούτο Πυρηνικής & Σωματιδιακής Φυσικής Ο Επιταχυντής TANDEM ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος» Ινστιτούτο Πυρηνικής & Σωματιδιακής Φυσικής Ο Επιταχυντής TANDEM (Ηλεκτροστατικός επιταχυντής)

Ο επιταχυντής Tandem του ΙΠΣΦ 5.5 ΜV

Κάτοψη

Η δέσμη ιόντων του Tandem του ΙΠΣΦ χρησιμοποιείται σε: · Πειράματα Πυρηνικής Φυσικής και Αστροφυσικής. Ερευνητές του ΙΠΦ και συνεργάτες από Πανεπιστήμια της Ελλάδας και του εξωτερικού σχεδιάζουν και εκτελούν πειράματα όπου μελετώνται ενδιαφέρουσες, από πλευράς πυρηνικής φυσικής και αστροφυσικής, πυρηνικές αλληλεπιδράσεις. Π.χ. Μετρήσεις των αντιδράσεων 19F(p,g)16O και 27Al(p,g)28Si σε ενέργειες 0.2-3.6 MeV και 0.2 - 2 MeV (σχετικές με τους κύκλους CNO και Mg-Al) · Εφαρμογές Βιοφυσικής, Αρχαιομετρίας, Υγειοφυσικής, Περιβαλλοντικού ενδιαφέροντος. Προσδιορισμός ιχνοστοιχείων σε βιολογικά δείγματα, μη καταστρεπτική ανάλυση αντικειμένων. · Εφαρμογές στην Φυσική Στερεού. Τεχνικές όπως το PIXE και το RBS εφαρμόζονται για να εξάγουμε πληροφορίες για την δομή και σύσταση υλικών όπως και για την μελέτη των κρυσταλλικών ανωμαλιών που δημιουργούνται με την ακτινοβόληση υλικών.

Ο Γραμμικός Επιταχυντής + + - - + + - - - - + + - - + + + + - - + + - - SLAC 50GeV electrons (Stanford Linear Collider) CLIC 1 – 5 TeV electrons (Cern LInear Collider – Μελλοντικός Επιταχυντής) - - + + - - + +

Το Κύκλοτρο ο πρώτος κυκλικός επιταχυντής Το Κύκλοτρο ο πρώτος κυκλικός επιταχυντής πρωτόνια υψηλή τάση (εναλλασσόμενη) μεταλλικά D κενό επιτάχυνσης Μαγνητικό πεδίο Β ~10 MeV ( B=0.5Τ και R=0.3m)

επιταχυντές γραμμικοί κυκλικοί σταθερού στόχου κυκλικοί συγκρουόμενων δεσμών

CERN Το Ευρωπαϊκό Ερευνητικό Εργαστήριο για την Σωματιδιακή Φυσική στην Γενεύη. LHC CERN Site (Meyrin) SPS Το CERN διεξάγει Βασική Έρευνα Όμως χρειάζεται να επινοήσουμε συσκευές που δεν υπάρχουν ακόμα Παράπλευρες ανακαλύψεις (WWW, ιατρικές εφαρμογές, ηλεκτρονικά κλπ) LHC WWW Tim Berners-Lee Κάθε χρόνο ~25,000 άτομα επισκέπτονται το CERN Σχολεία είναι ευπρόσδεκτα http://www.cern.ch/visits

Ο Επιταχυντής LEP The largest accelerator at CERN is called is called ‘LEP’ - Large Electron Positron collider, shown very schematically here. In recent years, together with other members of our group, I have been using LEP for experiments. It contains very similar elements to a television set, including some 3,000 magnets to steer the particles in a circular path, and acceleration devices. The vacuum pipe containing the particles is a few cm in diameter and 27km in circumference. A marvellous feature of this machine is that electrons go in one direction and positrons travel in the opposite direction because of their opposite charge and identical mass. Η ενέργεια των ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων ήταν περίπου 100GeV

LHC

Ο επιταχυντής LHC

Οι μαγνήτες στρέψης του LHC Μαγνητικό Πεδίο: 9Τ (~200000 φορές μεγαλύτερο από της Γης) Ρεύμα ~13000 Α Θερμοκρασία -271ο C (1.8 K) Υπεραγώγιμοι, ψύχονται με υγρό άζωτο αρχικά και υπέρευστο Ήλιο στο τελικό στάδιο ψύξης. Μήκος καλωδίων = 5 φορές την απόσταση Γης – Ήλιου !!!

Συγκρούσεις Πρωτονίων-Πρωτονίων p g πρωτόνιο Παράγονται σωματίδια και αντισωματίδια E = mc2 Η διαθέσιμη ενέργεια είναι 7 TeV !!! (2010 – 2012) ή περίπου 7000 μάζες πρωτονίου Η τελική ενέργειά του θα είναι 14 TeV

Έστω Πρωτόνιο κινούμενο με ταχύτητα V V = 1% της ταχύτητας του φωτός = 0.01c V = 50% “ “ = 0.50c V = 99% “ “ = 0.99c V = υπολείπεται 1/1000 = 0.9990c V = υπολείπεται 36/1000000000 = 0.999999964c V = υπολείπεται 9/1000000000 = 0.999999991c 1.00005 1.15 7.08 22.37 3730.0 (3.5TeV) 7460.0 (7.0TeV) Ενέργεια Πρωτονίου

Η δομή του πρωτονίου Το πρωτόνιο δεν αποτελείται απλά από 3 κουάρκ (uud) Εκτός από αυτά τα 3 (“valence” quarks) υπάρχει και μια «θάλασσα» από γκλουόνια και Ζευγάρια κουάρκ - αντικουάρκ

Οι δέσμες του LHC Λαμπρότητα δέσμης: 2010 = 2x1032cm-2s-1 Συγκρούσεις στο LHC: αντίθετες δέσμες, υψηλής έντασης ομάδων (bunches) πρωτονίων ή βαριών ιόντων. Key parameters: Ni = Αριθμός πρωτονίων/bunch (~1011) nb = Αριθμός bunches (2808) σ = μέγεθος δέσμης (16μm) Λαμπρότητα Δέσμης (Αριθμός συγκρούσεων/cm2/s: Λαμπρότητα δέσμης: 2010 = 2x1032cm-2s-1 2011-2012 = 1033-1034cm-2s-1

Επιταχυντικό Σύμπλεγμα CERN (LHC) Beam 1 TI2 Beam 2 TI8 LHC proton path

Οι ανιχνευτές του LHC Γενικής χρήσης Higgs Ενοποίηση ?? LHC Βαριών Ιόντων (Pb) Πλάσμα Κουάρκ - Γκλουονίων LHC Γενικής χρήσης Higgs Ενοποίηση ?? Υπεραγώγιμοι μαγνήτες Φυσική του - b Ασυμμετρία Ύλης - Αντιύλης

“Demokritos” Participation in CMS at CERN Μία πραγματική σύγκρουση Στον κέντρο του πειράματος CMS