Εισαγωγή στους Επιταχυντές II Δρ. Eμμανουήλ Τσεσμελής (CERN) 24-25 Ιουνίου 2008

Cosmotron – Βrookhaven National Laboratory (BNL) Το COSMOTRON ενέργειας 3 GeV ήταν το πρώτο σύγχροτρο πρωτονίων που τέθηκε σε λειτουργία το 1952. Οι New York Times έγραψαν για το πρώτο `Billion Volt Shot`.

Ασθενή Εστίαση σε Σύγχροτρον O μαγνήτης του COSMOTRON Η κατακόρυφη εστίαση δημιουργείται από την καμπύλωση των δυναμικών γραμμών όταν το πεδίο γίνεται πιο μικρό με την ακτίνα. Οριζόντια εστίαση από την καμπύλωση της τροχιάς.

Οι Άνθρωποι του Cosmotron E. Courant -Σχεδιαστής Stan Livingston – Επικεφαλής Snyder - Θεωρητικός Christofilos - Εφευρέτης

Ισχυρή Εστίαση

Το CERN και το BNL Odd Dahl, Frank Goward, and Rolf Wideröe

CERN PS – Σύγχροτρον Πρωτονίων 25 GeV 1959

CERN SPS – Σύγχροτρον Πρωτονίων 450 GeV 1976

AdA – Ο Πρώτοs Επιταχυντής e+e-

Επιταχυντές και Ενέργεια 1. Επιταχυντές ακίνητου σταθερού στόχου 2. Επιταχυντές συγκρουομένων δεσμών

Φωτεινότητα Συγκρουόμενων Δεσμών Το γαλάζιο σωματίδιο συγκρούεται με μία δέσμη με εγκάρσια διατομή A Με μία συγκεκριμένη πιθανότητα σύγκρουσης Για N σωματίδια σε κάθε δέσμη Οι δέσμες συναντιούνται φ φορές ανά δευτερόλεπτο Ρυθμός αντιδράσεων Φωτεινότητα (ανά ομάδας) Μεγάλο 10-25 cm2 Μικρό

Φυσική με Δέσμες Ηλεκτρονίων η Πρωτονίων Κατά τη σύγκρουση δύο πρωτονίων συνθλίβονται δύο κουάρκς η γκλουόνια. Η διαθέσιμη ενέργεια για την παραγωγή νέων σωματιδίων είναι μόλις 10% της ολικής ενέργειας στο σύστημα κέντρου μάζας. Δεν ξέρουμε όμως ποιά από τα κουάρκς η γκλουόνια συγκρούονται. Έτσι το 100 GeV + 100 GeV LEP μπορεί να θεωρηθεί εξίσου καλό όσο το 1000 GeV + 1000 GeV TEVATRON. Αλλά στην ουσία οι επιταχυντές ηλεκτρονίων είναι γιά μετρήσεις ακρίβειας ενώ οι επιταχυντές πρωτονίων είναι για ανακαλύψεις σωματιδίων. Έτσι είχαμε το SPS -> LEP -> LHC -> ILC/CLIC?

Οι Επιταχυντές του CERN

LEP –Large Electron Positron Collider 100 GeV + 100 GeV

Μέσα στό LEP

To Tevatron στο FNAL (Chicago) Ο μεγάλος επιταχυντής συγκρουομένων δεσμών πρωτονίων – αντιπρωτονίων με υπεραγώγημους μαγνήτες.

Ο Μεγάλος Αδρονικός Επιταχυντής (LHC)

Υπεραγώγιμοι Μαγνήτες LHC

Υπεραγώγιμοι Μαγνήτες LHC

H Σήραγγα του LHC The project was first proposed in 1982 at a Snowmass Study, organised by the APS. At a cost of $2.9B to $3.2B, it was supposed to re-establish US supremacy in the field of high-energy particle physics following the discovery in Europe of the W and Z. The next step was carried out. By 1986 a detailed design study, by a Central Design Group set up under Maury Tigner at Lawrence Berkeley Laboratory, was complete and in 1987 President Reagan set in motion the search for a site. In 1988 Waxahatchie, Texas was announced as the successful candidate and construction commenced. This decision was, perhaps, influenced by then Vice-President George Bush (senior) of Texas, Jim Wright of Fort Worth, then Speaker of the House of Representatives, and a powerful Senator, Lloyd Bentsen, also from Texas. Meanwhile the cost, taking into account the more realistic estimates of the Central Design Group, and including the proposed experimental facilities, had risen from the initial estimate of 2.9 B$ to 3.2 B$ and then to 5.3 B$ in 1986. The DOE took over the management of the project from the CDG and determined that the traditions of technical and cost control that had been built up in large laboratories, like Fermilab, were to be abandoned in favour of methods judged more appropriate for a project of this size. Contracts were placed and subsystems procured in a manner that had hitherto been used for large defense projects. This led to further escalation, first to 5.9 B$ and then, as review teams included into account “site-specific” costs, to 7.2 B$ and then 8.2 B$ (DOE, 1991). The final straw came when an Independent Cost Estimating Team of the DOE (1993) added 2.5 B$ for “peripheral expenses which would not have been incurred if the SSC had not been there”. The SSC was given a year’s reprieve but by 1994 when the US Congress saw fit to cut their losses and terminate the project the estimate was 11.8 B$. The reasons for cancellation were not entirely budgetary. There was a rival project – the Space Station – that many in the House of Representatives preferred.

Ακτινοβολία Σύγχροτρου Κώνοs Ακτινοβολίας Σύγχροτρου Τροχιά σωματιδίων Ηλεκτρομαγνητικά κύματα Επιταχόμενα φορτισμένα σωματίδια εκπέμπουν φωτόνια Σήματα ράδιο και Ακτίνεs X ΔE = (4π/3) (e2β2γ4/ρ) γ = (1-β2) -1/2 β = v / c

Ακτινοβολία Σύγχροτρου Very soon afterwards a real electron synchrotron was built – where to look for synchrotron radiation. To 300 MeV σύγχροτρον στο General Electric Co. Schenectady που κατασκευάστικε στα τέλη της δεκαετίας 1940. Η φωτογραφία δείχνη την δέσμη ακτινοβολίας σύγχροτρου που παράγεται.

Επιταχυντές για Θεραπεία Καρκίνου Electrons are accelerated in a linac and then shot into a metallic target to produce xrays. The microwave linacs that are to be found in many hospitals range in energy from 4 to 22 MeV. The linac, followed by a vertically deflecting magnet system that can turn the beam through 90 degrees, is small enough to rotate about the patient, forming a rather simple form of gantry Advanced hospitals have a cyclotron in the basement for producing isotopes. Radiation from longer-lived radioisotopes, such as cobalt-60, is used in the Gamma Ray Knife, developed in the 1980s at the University of California, Los Angeles (UCLA) and used as an alternative surgical tool, especially for brain surgery. A number of small cyclotrons (60–70 MeV) have been used with considerable success in treating eye tumors. In recent times IBA (Belgium) and ACCEL (Germany) have produced cyclotrons in the 220 MeV range dedicated to proton therapy in hospitals. The first machine from IBA was installed in Massachusetts General Hospital while ACCEL has built two superconducting cyclotrons — one for PSI in Switzerland (not a hospital) and the other in Regensburg outside Munich. Ένα σύγχρονο σύστημα για θεραπεία ασθενών με Ακτίνεs-Χ από δέσμες ηλεκτρονίων υψηλών ενεργειών.

Οι Επιταχυντές Ενώνουν Κράτη Accelerators bringing nations together The last chapter – Mainly for the Young Just as CERN was formed (thanks to UNESCO) to heal the scars of a European war, so Sesame SESAME is short for “Synchrotron light for Experimental Science and Applications in the Middle East”. It is a bold and imaginative venture involving Bahrain, Egypt, Islamic Republic of Iran, Israel, Jordan, Pakistan, Palestinian Authority, Turkey and the United Arab Emirates. It may seem to some to be quite improbable that these states, many of whom have an ongoing history of disagreement and conflict, could agree on any common enterprise - but they have. Just as building a common accelerator facility at CERN united the recently warring factions in Europe in 1953, the proponents of SESAME have a vision that SESAME may play the same role for the Middle East. Ο Βασιλιάς τηs Ιορδανίας και το Sesame Project που κατασκευάζεται στην χώρα του και που θα είναι διαθέσιμο για όλους τους επιστήμονες του κόσμου.

Σύνοψη και Προοπτική Οι επιταχυντές τα τελευταία 90 χρόνια χρησιμοποιήθηκαν γιά: Την «έρευνα και ανακάλυψη» για την καλύτερη κατανόηση του Σύμπαντος. Εφαρμογές σε ιατρική απεικόνιση / θεραπεία, μελέτη βιολογικών συστημάτων και μορίων. Η εξεδείκευση νέων επιστημών. Διεθνής συνεργασία. Το μέλλον Οι επιταχυντές που σχεδιάζουμε ή κατασκευάζουμε σήμερα έχουν φθάσει στα όριά τους. LEP, LHC, ILC, CLIC Για τα επόμενα βήματα, χρειαζόμαστε νέες μεθόδους επιτάχυνσης (lasers, plasma, …)

Βιβλιογραφία “Engines of Discovery”: http://www.worldscibooks.com/physics/6272.html http://www.enginesofdiscovery.com “Particle Accelerators” http://www.oup.com/uk/catalogue/?ci=9780198508298