Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 27 – vyšlo 29. září, ročník 4 (2006) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

27/2006

Urýchľovač Large Hadron Collider

Michal Marčišovský

V súčasnosti prebieha inštalácia najväčšieho urýchľovača na svete do 27 kilometrového tunelu po predchádzajúcom urýchľovači LEPLEP – Large Electron-Positron collider. Dosud nejvýkonnější urychlovač elektronů a pozitronů se vstřícnými svazky na světě, který byl v CERN provozován od roku 1989 do roku 2000. Dosažitelná energie byla 209 GeV. Dnes je v tunelu po urychlovači LEP postaven urychlovač LHC.. Keď začne jeho prevádzka v roku 2007, LHC bude po dlhú dobu poskytovať častice s rekordnou ľuďmi-vyrobenou energiou pre fyzikálne experimenty. Stavia sa v tuneli po urýchľovači LEP ktorý do roku 2000 urýchľoval elektróny a pozitróny až na energie 104 GeV. Problém s urýchľovaním elektrónov spočíva vo fakte, že elektróny sú veľmi ľahké nabité častice a keď sa urýchľujú na vysoké energie, tak musia mať vysoký γ-faktor ale keďže sa pohybujú po zakrivenej trajektórii tak vyžarujú intenzívne synchrotrónne žiarenieSynchrotronní záření – záření generované relativistickými elektrony rotujícími kolem magnetických siločar nebo elektrony kmitajícími v měnícím se magnetickém poli. Jde o záření s výraznou polarizací, ze které je možné určit směr magnetického pole. Záření je polarizováno v rovině dráhy elektronu, soustředěno do úzkého kužele, vyzařováno v původním směru pohybující se částice a má spojité spektrum., ktorého vyžarovaný výkon je úmerný γ⁴. ProtónProton – částice složená ze tří kvarků (duu) se spinem 1/2, hmotností 1,673×10⁻²⁷ kg (938 MeV) a elektrickým nábojem +1,6×10⁻¹⁹ C. Proton je na běžných časových škálách stabilní, pokud se rozpadá, je poločas rozpadu větší než 10³⁵ let. Za objevitele protonu je považován Ernest Rutherford, který v roce 1911 objevil atomové jádro při analýze rozptylu částice alfa pronikající tenkou zlatou fólií. Samotná jádra vodíku (protony) detekoval v roce 1918 při ostřelování dusíku částicemi alfa. Antiproton byl objeven v roce 1955 Emilio Segrem a Owenem Chamberlainem. je relatívne ťažká častica a v porovnaní s elektrónomElektron – první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10⁻³¹ kg a elektrický náboj 1,6×10⁻¹⁹ C. Elektron objevil sir Joseph John Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl Paul Dirac v roce 1928 a objevil Carl Anderson v roce 1932. žiari omnoho menej a je vhodnejší na urýchlenie na vysoké energie. Protón však nie je elementárna častica, pretože sa skladá z kvarkovKvarky – částice, ze kterých jsou tvořeny těžké částice s vnitřní strukturou (hadrony). Hadrony dělíme na baryony složené ze tří kvarků (například protony a neutrony) a na mezony tvořené kvarkem a antikvarkem (například piony). Kvarky se dělí do tří generací, první tvoří kvarky „d“ (down) a „u“ (up), druhou kvarky „s“ (strange) a „c“ (charm) a třetí kvarky „b“ (bottom nebo beauty) a „t“ (top nebo truth). Kvarky mají neceločíselné (třetinové a dvoutřetinové) elektrické náboje. Jsou také nositeli barevného náboje silné interakce. a gluónovGluony – intermediální (polní, výměnné) částice silné interakce, která působí na hadrony a je krátkého dosahu. Tato interakce spojuje kvarky v mezony a baryony, udržuje pohromadě neutrony a protony v atomovém jádře a způsobuje některé rychlé rozpady elementárních částic. Celkem známe 8 gluonů. Tyto polní částice jsou nositeli barevného náboje (náboje silného interakce). Tím se silná interakce odlišuje od elektromagnetické a slabé interakce. a teda na rozdiel od elektrónov interakcia nie je „čistá“. LHC je konštruované nielen na urýchľovanie protónov, ale aj na urýchľovanie ionizovaných jadier olova Pb 208.

CERN – Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, Evropské centrum jaderného výzkumu. Komplex urychlovačů a laboratoří na pomezí Švýcarska a Francie založený v roce 1954. Na výzkumu se podílí 22 členských zemí včetně České republiky. K největším objevům patří detekce polních částic slabé interakce, příprava antivodíku a vytvoření kvarkového-gluonového plazmatu, pralátky, z níž vznikal vesmír. V současné době je zde vybudován největší urychlovač světa – Large Hadron Collider, který byl po závadě na jednom z magnetů opětovně spuštěn na konci roku 2009. V roce 2012 byl na LHC objeven Higgsův boson, poslední částice standardního modelu. V CERNu byl také vynalezen a poprvé použit Web. LHC – Large Hadron Collider. Urychlovač protonů na nominální energie 14 TeV. LHC byl vybudován ve středisku jaderného výzkumu CERN v tunelu po urychlovači LEP II, který má obvod 27 km. Do zkušebního provozu byl uveden v září 2008, ale zanedlouho došlo k poruše na jednom z magnetů. Urychlovač byl opětovně spuštěn v listopadu 2009. Od března 2010 probíhal fyzikální program na energii 7 TeV. V roce 2012 byl na urychlovači objeven Higgsův boson. Provoz na energiích blízkých nominální probíhá od roku 2015. ATLAS – A Toroidal LHC ApparatuS, detektor pro urychlovač LHC s hmotností 7 000 tun umístěný 100 metrů pod zemí. Jde o multifunkční detektor, který je mj. schopen detekovat Higgsovy bosony. Délka zařízení je 44 metrů, magnetické pole cívky vychylující nabité částice 2 T. CMS – Compact Muon Solenoid. Víceúčelový detektor vybudovaný v CERN pro urychlovač LHC, vážící 12 500 tun, který je schopen mj. detekovat Higgsovy částice. ALICE – A Large Ion Collider Experiment. Experiment, jehož součástí je vybudování specializovaného detektoru těžkých iontů pro odhalení unikátních fyzikálních vlastností interakcí jádro-jádro při energiích, které dokáže iontům dodat urychlovač Large Hadron Collider. LHCb – Large Hadron Collider beauty, multifunkční detektor pro LHC, na kterém je sledováno narušení CP symetrie a jsou zkoumány hadrony obsahující kvark b. TOTEM – Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation. Detektor pro LHC sdílející stanoviště s detektorem CMS.

Sústava urýchľovačov pre LHC

Legenda: LEIR (Low Energy Ion Ring, prstenec iónov s nízkými energiami); PSB (Proton Synchrotron Booster, protonový synchrotrón – booster); PSR (Proton Synchrotron Ring, prstenec protónového synchrotrónu), AD (Antiproton Decelerator) – antiprotónový spomaľovač; SPS (Super Proton Synchrotron, super protonový synchrotrón); LHC (Large Hadron Collider, velký kolider hadrónov).

LHC potrebuje pre svoju činnosť predurýchlené častice a k tomu využíva už existujúce urýchľovače v CERNeCERN – Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, Evropské centrum jaderného výzkumu. Komplex urychlovačů a laboratoří na pomezí Švýcarska a Francie založený v roce 1954. Na výzkumu se podílí 22 členských zemí včetně České republiky. K největším objevům patří detekce polních částic slabé interakce, příprava antivodíku a vytvoření kvarkového-gluonového plazmatu, pralátky, z níž vznikal vesmír. V současné době je zde vybudován největší urychlovač světa – Large Hadron Collider, který byl po závadě na jednom z magnetů opětovně spuštěn na konci roku 2009. V roce 2012 byl na LHC objeven Higgsův boson, poslední částice standardního modelu. V CERNu byl také vynalezen a poprvé použit Web. zapojené do vzostupnej sekvencie podľa ich výstupných energií. Protóny získavané z vodíka sú najskôr urýchlené v lineárnom urýchľovači Linac na energiu 50 MeV skadiaľ sú nasmerované do boostera kde získajú energiu skoro 1,4 GeV. Booster je predurýchľovač pre synchrotrón PSR (Proton Synchrotron Ring), stroj o obvode 630 m, ktorý urýchli protóny na energiu asi 25 GeV a následne sú pripravené na injekciu do ďalšieho synchrotróna SPS (Super Proton Synchrotron), ktorý má konečnú výstupnú energiu častíc 450 GeV. Až teraz sú pripravené na finálne urýchlenie v LHC.

LHC

LHC je technologicky a finančne náročný projekt, otázky na ktoré by mal pomôcť nájsť odpoveď sú však zásadné pre súčasnú fyziku, ako napríklad nájdenie Higgsovho bozónuHiggsovy částice – částice, které se objevují ve sjednocené teorii elektromagnetické a slabé interakce (tzv. elektroslabé interakce) standardního modelu. Částice a jim odpovídající Higgsovo pole zde zajišťují nenulovou hmotnost polních částic slabé interakce a způsobují narušení symetrie elektroslabé interakce při energiích nižších než 100 GeV. Částice jsou pojmenovány podle skotského fyzika Petera Higgse. Tento mechanizmus nazýváme Higgsův mechanizmus a je aplikovatelný i na jiné částice. Existence Higgsovy částice byla s největší pravděpodobností potvrzena v červenci 2012 na dvou detektorech urychlovače LHC v CERNu. O Higgsově částici se často hovoří jako o Higgsově bosonu, Higgsově poli či jen higgsi., poprípade určenie či je ho jeden alebo viacero typov, umožní precízne meranie hmotnosti baryónovBaryon – elementární částice složená ze tří kvarků s různým barevným nábojem. Výsledná barva je „bílá“. Baryony podléhají silné interakci a patří proto mezi hadrony. Baryony složené z kvarků první generace (d, u) dělíme na nukleony se spinem rovným 1/2 (proton a neutron) a delta baryony se spinem rovným 3/2 (4 částice s různým nábojem). Baryony obsahující s kvark nazýváme hyperony. Nejznámějším je lambda hyperon. Hyperony byly hojně zastoupené v raných vývojových fázích vesmíru, často hovoříme o hyperonovém plynu. Dnes vznikají interakcí kosmického záření s horními vrstvami atmosféry a umíme je vytvořit uměle na urychlovačích. a teda ďalší test štandardného modelu alebo preskúmať presnejšie vlastnosti leptokvarkovLeptokvarky – hypotetické kalibrační bosony X a Y, které mají podle teorie velkého sjednocení převádět leptony na kvarky a naopak.. LHC by mal mať dostatočnú energiu na nájdenie superpartnerov častíc ako sú predpovedané podľa SUSYSUSY – SUSY (SUper SYmmetry), supersymetrie, symetrie mezi fermiony a bosony, která by se měla projevovat při vysokých energiích. Ke každému fermionu by měl existovat superpartner, který je bosonem, a naopak ke každému bosonu by měl existovat superpartner, který je fermionem. Názvy superpartnerů tvoříme příponou „ino" pro bosony a předponou „s“ pro fermiony. Tedy například foton – fotino, elektron – selektron. Přestože se tyto superpartnery zatím nepodařilo experimentálně pozorovat na urychlovači LHC, představuje supersymetrie významnou ingredienci v teorii superstrun. a takisto preskúmať narušenie CP symetrieCP invariance – levopravá symetrie kombinovaná se symetrií částice – antičástice. Označení CP pochází z anglických slov „charge“ a „parity“. Základní otázkou je, zda experiment připravený podle zrcadlového obrazu z antičástic by fungoval shodně s původním experimentem. Narušení CP symetrie v přírodě prokázali James Cronin a Val Fitch v roce 1964 v experimentech s rozpadem kaonů. pri vyšších energiách. Takisto môže naznačiť existenciu extra dimenzií, pomôže hľadaniu odpovede na otázky typu čo je to temná hmotaTemná hmota – hmota ve vesmíru nebaryonové povahy, která není složena z kvarků. Temná hmota udržuje pohromadě svítící objekty velkých rozměrů, které díky ní v periferních oblastech obíhají rychleji, než odpovídá gravitačnímu zákonu aplikovanému na viditelnou hmotu. Podle posledních odhadů na základě pozorování existuje ve vesmíru 5 % baryonové hmoty, 27 % temné hmoty a 68 % temné energie. Existuje několik hypotetických částic, které jsou vhodnými kandidáty na částice temné hmoty, dosud však nebyly objeveny. Termín „temná hmota“ zavedl v roce 1933 Fritz Zwicky, když zjistil, že se členové Kupy galaxií ve Vlasech Bereniky pohybují v průměru rychleji, než by odpovídalo gravitačním účinkům viditelné látky. Existují také teorie, které se pokoušejí vysvětlit rotační křivky galaxií a pohyby galaxií v kupách jiným způsobem než temnou hmotou. a temná energiaTemná energie – entita zodpovědná za zrychlenou expanzi vesmíru, která byla objevena na konci roku 1998 (Saul Perlmutter, Adam Riess). Temná energie tvoří 68 % hmoty a energie ve vesmíru. Hustota temné energie je velmi málo proměnná v čase i v prostoru, pokud vůbec. Nejnadějnějším kandidátem na temnou energii je energie vakuových fluktuací. a takisto by mal slúžiť ako pomôcka pre výrobu kvark-gluónovej plazmyQGP – kvarkové-gluonové plazma. Podaří-li se nám „dostat“ kvarky na vzdálenosti menší než 10⁻¹⁵ m, začnou se kvarky a gluony chovat jako volné (nevázané) částice. Tím vznikne zcela zvláštní stav hmoty nazývaný kvarkové-gluonové plazma. Poprvé byla tato fáze látky připravena na urychlovači SPS ve středisku CERN v roce 2000. Ve vesmíru existovalo QGP v období do 10 mikrosekund po vzniku vesmíru., čo je stav látky tesne po Veľkom tresku pri extrémne vysokých teplotách. LHC je synchrotrón, teda urýchľovač kde urýchľované častice krúžia dookola a postupne cirkuláciou môžu získavať vyššie a vyššie energie. Na zakrivovanie dráh častíc je v LHC použité 1 232 dipólových magnetov (modré valce). Na kompenzáciu chýb trajektórií a fokusovanie zväzku 858 kvadrupólov a niekoľko magnetov vyšších rádov. Dipóly dosahujú indukciu až 8,4 T použitím supravodiča NbTi pri teplote nižšej ako vesmír, 1,9 K. Cez dipóly tečie prúd 11 700 A.

LHC – dipólové magnety (modré valce). Zdroj: CERN.

Častice sa pohybujú v 2 kanáloch v opačných smeroch a na 4 miestach
sa ich dráhy prekrížia a tam sú umiestnené experimenty.

Na urýchlenie častíc je v každom kanále LHC umiestnených 8 urýchľovacích supravodivých rezonančných dutín s gradientom poľa 5 MV/m. Protóny sú urýchľované v skupinkách (bunches) vzdialených asi 7,5 m od seba a každá skupinka ich obsahuje asi 115 miliárd a okolo celého prstenca obehnú 11 245 krát za sekundu. Celková energia protónov v LHC bude asi 725 MJ čo je ekvivalent 172 kg TNTTNT – trinitrotoluén, běžná trhavina. Využívá se také jako ekvivalent k vyjádření energie. 1 kg TNT odpovídá energii 4,2 MJ.. LHC môže urýchľovať protóny na energiu 7 TeVElektronvolt – jednotka energie. Jde o energii, kterou získá elektron urychlením v potenciálovém rozdílu jeden volt, 1 eV = 1,6×10⁻¹⁹ J. V jaderné fyzice se používají spíše větší násobky této jednotky, kiloelektronvolt keV (10³ eV), megaelektronvolt MeV (10⁶ eV), gigaelektronvolt GeV (10⁹ eV), teraelektronvolt TeV (10¹² eV) nebo petaelektronvolt PeV (10¹⁵ eV). V těchto jednotkách se také vyjadřuje hmotnost (E=mc²) a teplota (E=k_BT). Jeden elektronvolt odpovídá teplotě přibližně 11 600 K. a aj jadrá olova na 2,76 TeV na nukleón čo dohromady dáva asi 600 TeV na jadro. Doba medzi zrážkami zhlukov je 25 ns. Po urýchlení na požadovanú energiu ich LHC dokáže udržiavať v móde „storage ringu“ aj niekoĺko desiatok hodín.

Detektory na LHC

Kolízie sa odohrávajú uprostred detektorov, produkty unikajú z miesta zrážky na všetky strany pričom musí platiť zákon zachovania hybnosti a energie. Zvyčajne veľmi blízko pri interakčnom mieste sa zisťujú trajektórie unikajúcich častíc v magnetickom poli kvôli meraniu hybnosti a potom častice nasledujú do kalorimetrov kde sa deštruktívnym spôsobom odmerá ich energia. Za kalorimetrami sa nachádzajú detektory miónov, ktoré tvrdohlavo unikajú z detektoru von. Na urýchľovači LHC sídli 5 fyzikálnych experimentov.

I. ATLAS – A TOROIDAL LHC APPARATUS

ATLAS je najväčší detektor na LHC, 22 metrov vysoký a 44 metrov dlhý. Je to tzv. nešpecializovaný detektor, nebol optimalizovaný pre nejakú konkrétnu úlohu. Detektoru ATLAS bol venovaný samostatný bulletin (AB 25/2005).

II. CMS – Compact Muon Solenoid

Detektor CMS je zložitý komplex subdetektorov, má tvar valca s dĺžkou 21 m a výškou 16 m s hmotnosťou 12 500 ton čo z neho robí najťažší detektor v celom komplexe LHC. Častice prilietavajú zo strán a po zrážke sú produkty detekované systémom detektorov:

Vnútorný detektor stôp (Tracker) slúži na presné zisťovanie polohy prelietavajúcich nabitých častíc blízko interakčného bodu, je to v podstate niečo ako CCDCCD – Charge Coupled Device, zařízení s nábojovou vazbou, umožňuje převést paralelní analogový signál (elektrický náboj kumulovaný v potenciálových jámách) na sériový signál, daný časovou posloupností proudových pulzů úměrných kumulovanému náboji. Při serializaci paralelní informace CCD funguje jako posuvný registr, který umožňuje postupné posouvání náboje změnou potenciálového profilu řízenou hodinovým signálem. (Přesun náboje si lze přestavit podobně jako řetěz lidí předávajících si při požáru na povel různě naplněná vědra s vodou. S každým povelem se konkrétní vědro posune o krok blíže k požáru. Časový průběh proudu vody vylitého do ohně odráží prostorové rozložení objemů vody ve vědrech.) Potenciálové jámy mohou být umístěny vedle sebe pouze v jediné řadě (lineární CCD) nebo ve více řadách (plošné CCD). Nejznámějšími CCD jsou fotoelektrické snímače, kdy se rozložení náboje vytváří vnitřním fotoefektem. Mohou však sloužit i jako paměťové prvky (například jako odkládací paměť pro výše zmíněné fotoelektrické snímače). V zobrazovacích zařízeních jsou nejmenší rozměry jednoho CCD pixelu 9×9 mikrometrů a plošné senzory jsou tvořeny maticí velkou až 5120×5120 pixelů. Chlazené CCD senzory pracují se šumem odpovídajícím 4 až 7 elektronům. (Údaje z roku 2008.) senzor. Detektor stôp u CMSCMS – Compact Muon Solenoid. Víceúčelový detektor vybudovaný v CERN pro urychlovač LHC, vážící 12 500 tun, který je schopen mj. detekovat Higgsovy částice. sa skladá asi z 10 miliónov kremíkových mikroprúžkov a 80 miliónov pixlov, celková plocha činí viac ako 200 metrov štvorcových. Kremíkové prúžiky a pixel sú diódy s reverzne aplikovaným tzv. biasing napätím a v oblasti PN prechodu vzniká oblasť bez  voľného náboja (depletion layer). Keď cez PN prechod preletí nabitá častica, tak ionizuje materiál, cez ktorý prelieta a vznikajú voľné nosiče náboja. ElektrónyElektron – první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10⁻³¹ kg a elektrický náboj 1,6×10⁻¹⁹ C. Elektron objevil sir Joseph John Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl Paul Dirac v roce 1928 a objevil Carl Anderson v roce 1932. doputujú na čítacie prúžky (readout strips), kde sa zozbierajú na povrchu a zosilnia nábojovým zosilňovačom na použiteľný signál. Ak nabitá častica preletí cez viacero vrstiev detektoru stôp, tak môžme zrekonštruovať jej trajektóriu.

Detektor stôp dokáže lokalizovať častice, fyzikov však zaujíma náboj častíc, hybnosť a energia. Na meranie náboja a hybnosti je sústava sledovače stôp a kalorimetrov umiestnená v 4 T silnom magnetickom poli supravodivého magnetu, najväčšej termosky na svete. Nabité častice sa vychyľujú v magnetickom poli a z polomeru zakrivenia ich trajektórie a smeru sa určí hybnosť a polarita náboja. Je to nedeštruktívne meranie na rozdiel od merania energie, kde sa musí pôvodná častica zlikvidovať interakciou s materiálom kalorimetru pričom sa vytvorí spŕška sekundárnych a ďalších častíc. Podľa veľkosti spŕšky a deponovanej energie v jednotlivých segmentov kalorimetra dokážeme odhadnúť pôvodnú energiu častice.

Elektromagnetický kalorimeter ECAL (Electromagnetic CALorimeter) je zariadenie merajúce energiu prelietavajúcich nabitých častíc, najmä elektrónov a fotónov. Obsahuje okolo 80 000 kryštálov PbWO4 ktoré sú veľmi husté a majú krátku radiačnú dĺžku a takisto sú priehľadné. ElektrónyElektron – první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10⁻³¹ kg a elektrický náboj 1,6×10⁻¹⁹ C. Elektron objevil sir Joseph John Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl Paul Dirac v roce 1928 a objevil Carl Anderson v roce 1932. a fotónyFoton – základní kvantum energie elektromagnetického záření, polní částice elektromagnetické interakce. Má nulovou klidovou hmotnost a nemá elektrický náboj. Jeho energie a hybnost jsou přímo úměrné frekvenci záření (E = ħω, p = E/c). Stav fotonu zahrnuje také polarizaci, protože jde o příčné vlnění. Kvantování energie poprvé zavedl Max Planck při pokusech o vysvětlení záření černého tělesa. Albert Einstein dal těmto kvantům reálný význam v roce 1905 při vysvětlení fotoelektrického jevu. Samotný název foton poprvé pro tuto částici použil až americký fyzikální chemik Gilbert Lewis v dopise časopisu Nature z roku 1926. interagujú s kryštálmi a vytvárajú tzv. elektromagnetické spŕšky. Spŕšky spôsobujú scintiláciu v kryštáli a výsledné svetlo je detegované a jeho intenzita meraná fotodetektormi. Výsledný poskladaný elektronický signál dáva informáciu o energii pôvodnej častice.

Hadrónový kalorimeter HCAL (Hadronic CALorimeter). Častice, ktoré interagujú silne deponujú väčšinu svojej energie v tzv. hadrónovom kalorimetri, ktorý funguje podobne ako ECAL, hadróny vytvárajú spŕšky v sendvičovej štruktúre vytvorenej z mosadze a plastického scintilátoru.

Miónové komory. MiónyMion – těžký elektron, hmotnost má 207 m_e. Střední doba života je přibližně 2×10⁻⁶ s. Těžký elektron se rozpadá na stabilní elektron, elektronové antineutrino a mionové neutrino. Mion se vyskytuje v sekundárních sprškách z kosmického záření. Mion byl objeven C. Andersonem v kosmickém záření za pomoci mlžné komory v roce 1936. sú častice ktoré málo interagujú s látkou a majú dostatočnú dĺžku života na to, aby unikli z detektoru. Odnášajú však zo zrážky hybnosť a energiu a je potrebné ich jednoznačne identifikovať. K tomu slúžia tzv. miónové komory, v prípade CMSCMS – Compact Muon Solenoid. Víceúčelový detektor vybudovaný v CERN pro urychlovač LHC, vážící 12 500 tun, který je schopen mj. detekovat Higgsovy částice. sú to driftové komory, katódové prúžkové komory a komory RPCRPC – Resistive Plate Chamber.

Rez detektorom CMS, znázornená je interakcia rôznych častíc. Kliknutím na obrázok
si môžte vyskúšať pohyb rôznych druhov častíc. CMS. Zdroj: CERN.

III. ALICE – A Large Ion Collider Experiment

Alice bude skúmať relativistické kolízie ťažkých jadier, teda v podstate silne interagujúcu kvark-gluónovú plazmu. Na rozdiel od obecných detektorov ako sú ATLASATLAS – A Toroidal LHC ApparatuS, detektor pro urychlovač LHC s hmotností 7 000 tun umístěný 100 metrů pod zemí. Jde o multifunkční detektor, který je mj. schopen detekovat Higgsovy bosony. Délka zařízení je 44 metrů, magnetické pole cívky vychylující nabité částice 2 T. alebo CMSCMS – Compact Muon Solenoid. Víceúčelový detektor vybudovaný v CERN pro urychlovač LHC, vážící 12 500 tun, který je schopen mj. detekovat Higgsovy částice. je ALICE optimalizovaná na skúmanie zrážok nabitých iónov a nad kremíkovým detektorom stôp sa nachádza komora TPCTPC – Time Projection Chamber., čo je v podstate veľký valec s veľkým driftovým objemom naplnený plynom, kde na koncoch sa nachádza drátová komora MWPCMWPC – Multi Wire Proportional Chamber, citlivá drátová komora pro sledování stop částic. Funguje analogicky jako Geiger Müllerův počítač, ale obsahuje velké množství detekčních drátků a pracuje v proporcionálním režimu. Je součástí mnoha detektorů.. Nabité častice vytvoria ionizované stopy ktoré sa šíria konštantnou driftovou rýchlosťou pozdĺž elektrického poľa až dodriftujú na nábojové zberné drôty komory MWPCMWPC – Multi Wire Proportional Chamber, citlivá drátová komora pro sledování stop částic. Funguje analogicky jako Geiger Müllerův počítač, ale obsahuje velké množství detekčních drátků a pracuje v proporcionálním režimu. Je součástí mnoha detektorů.. Trajektória častíc sa dá zrekonštruovať na základe faktu že ionizovaná stopa sa šíri konštantnou rýchlosťou k zberným elektródam komory MWPC a teda väčšia vzdialenosť od komory MWPC sa prejaví dlhším časom doletu k nim. Dĺžka detektora je 25 m, priemer 15 m a hmotnosť 10 000 ton. Viac o detektoru ALICE je možné sa dozvedieť v bulletinu AB 34/2003.

IV. LHCb – LHC beauty

LHCb bude skúmať narušenie CP symetrieCP invariance – levopravá symetrie kombinovaná se symetrií částice – antičástice. Označení CP pochází z anglických slov „charge“ a „parity“. Základní otázkou je, zda experiment připravený podle zrcadlového obrazu z antičástic by fungoval shodně s původním experimentem. Narušení CP symetrie v přírodě prokázali James Cronin a Val Fitch v roce 1964 v experimentech s rozpadem kaonů. medzi hmotou a antihmotou v systémoch B mezónovMezon – částice složená z jednoho kvarku a jednoho antikvarku. Název vznikl z toho, že první objevené mezony měly hmotnost „mezi“ hmotností elektronu a protonu. Pokud se kvarky složí s nesouhlasným spinem, vznikne skalární mezon (má nulový spin), pokud se souhlasným spinem vznikne vektorový mezon (spin má roven jedné). Skalární mezony zkombinované z kvarků „d“ a „u“ nazýváme piony, vektorové róony. Pokud mezon obsahuje kvark „s“, nazývá se kaon. (bu, bs), ktoré obsahujú antikvark b a u alebo s kvark, u ktorých sa predpokladá že bude narušenie výrazné. V porovnaní s ostatnými samostatnými detektormi na LHC je LHCb malý, vošiel by sa do kvádru 18×12×12 metrov. Váži 4 300 ton.

Prvý detektor VELO (VErtex LOcator) je umiestnený blízko interakčného miesta, používa sa na meranie pozície prelietavajúcich častíc za účelom oddelenia primárnych a sekundárnych vertexov (miest rozpadu) B-mezónov pochádzajúcich zo zrážky alebo určovanie výtryskov pochádzajúcich z bottom (b) kvarkov. B-mezóny preletia iba pár milimetrov než sa rozpadnú a preto je dôležité určiť polohu ich produktov presne.

Hneď za detektorom VELO sa nachádza komora RICH-1 (Ring Imaging Cherenkov), ktorá dokáže určiť rýchlosť prelietavajúcich častíc využitím Čerenkovovho žiareniaČerenkovovo záření – kužel elektromagnetického záření v podobě rázové vlny, který vzniká za nabitou částicí pohybující se nadsvětelnou rychlostí v daném prostředí..

Hlavný systém sledovania stôp častíc je umiestnený pred a za dipólovým magnetom a dokáže rekonštruovať dráhy nabitých častíc a odmerať ich hybnosť. Za ním je umiestnený druhý RICH systém, ktorý identifikuje častice s veľkou hybnosťou. Nasledujú elektromagnetické a hadrónové kalorimetre zisťujúce energiu elektrónov, fotónov a hadrónov. Takisto ako predchádzajúce detektory aj LHCb potrebuje identifikovať miónyMion – těžký elektron, hmotnost má 207 m_e. Střední doba života je přibližně 2×10⁻⁶ s. Těžký elektron se rozpadá na stabilní elektron, elektronové antineutrino a mionové neutrino. Mion se vyskytuje v sekundárních sprškách z kosmického záření. Mion byl objeven C. Andersonem v kosmickém záření za pomoci mlžné komory v roce 1936. a k tomu slúžia miónové komory na najvzdialenejšom mieste detektoru.

V. TOTEM – Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation

Úlohou experimentu TOTEM je presne odmerať účinný prierez protón-protónových zrážok a difrakčné procesy pri energiách, ktoré dokáže poskytnúť LHC. Nie je to experiment, ktorý by mal samostatné interakčné miesto – zdieľa miesto v dutine pod zemou s detektorom CMS.

Záver

LHC má byť spustený v novembri 2007 na energii 900 GeV s luminozitouLuminozita – integrální tok částic průřezem urychlovače. a začiatkom roku 2008 naplno s energiami 7+7 TeV a plnou luminozitouLuminozita – integrální tok částic průřezem urychlovače.. Bude to pravdepodobne posledný z veľkých synchrotrónov, jeho parametre sú limitované technológiou a fyzikou a na dosiahnutie zaujímavejších vyšších energií by bola potreba postaviť omnoho väčší urýchľovač, čo by bolo výrazne finančne náročné a veda a výskum nie sú prioritou politikov dnešného sveta. Veľká časť fyzikov verí, že LHC prinesie prekvapenia a teda máme sa na čo tešiť.

Klip týdne

Stavba detektoru CMS. V této animaci naleznete základní fáze konstrukce detektoru CMS (Compact Muon Solenoid). Jde o jeden z pěti detektorů připravovaných pro největší urychlovač světa – Large Hadron Collider. Celý detektor má hmotnost 12 500 tun a délku 21 metrů. Jde v podstatě o obří magnet o indukci 4 T a řadu částicových detektorů (detektor stop, elektromagnetický kalorimetr, hadronový kalorimetr, mionové komory).  Zdroj: CERN 2000.

Odkazy