| |||
|
Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. | |||
|
Mezinárodní lineární kolider
Zuzana Vidláková
O jeho sesterském projektu LHCLHC – 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. bylo již napsáno mnoho. Pod zkratkou ILC (Mezinárodní lineární koliderKolider – urychlovač, ve kterém jsou dva urychlené svazky částic nasměrovány proti sobě. Jiným užívaným systémem je namíření svazku na nepohyblivý terč., International Linear Collider) se však ukrývá projekt neméně zajímavý, i když teprve ve fázi plánování a vývoje. Jeho úkolem bude obsáhnout i ty oblasti subjaderného výzkumu, kde jsou možnosti kruhových urychlovačů omezeny.
|
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. Fermilab – komplex urychlovačů ve Spojených státech, ve státě Illinois. Fermilab byl založen v roce 1967, prvním ředitelem se stal Robert Wilson, vynálezce mlžné komory. V roce 2011 zde byl ukončen provoz druhého největšího urychlovače světa – Tevatronu. K nejvýznamnějším objevům patří objev kvarku „b“ (1977), kvarku „t“ (1995) a tau neutrina (2000). Fermilab se zabýval výzkumem „b“ a „t“ kvarku, výrobou a výzkumem antivodíku, narušením CP symetrie, zkoumáním platnosti CPT symetrie a výzkumem řady dalších vlastností hmoty a antihmoty za vysokých energií. DESY – Deutsches Elektronen SYnchrotron, německé výzkumné centrum částicové fyziky s laboratořemi v Hamburku a Zeuthenu, které bylo založeno v roce 1959. K nejvýznamnějším zařízením patří synchrotronový zdroj záření PETRA III (obvod 2,3 km) a velký evropský laser na volných elektronech European XFEL s délkou 3,4 km, který byl uveden do provozu v září 2017. |
Při urychlování nabitých částic po zakřivené dráze na rychlosti blízké rychlosti světla částice emitují tzv. synchrotronní zářeníSynchrotronní 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.. Od určité rychlosti dosažené částicí se při jakékoliv snaze o další urychlení dodaná energie vyzáří. Energie, kterou tím částice ztrácejí, je přímo úměrná čtvrté mocnině jejich rychlosti, nepřímo úměrná čtvrté mocnině jejich hmotnosti a kvadrátu poloměru dráhy.
To se stalo limitujícím faktorem urychlovače 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., v jehož tunelech je nyní situován LHCLHC – 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.. „Mezeru v poznávání“, která tak ve fyzice vznikla, by měl vyplnit právě urychlovač ILC. Na druhou stranu elektronyElektron – 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 pozitronyPozitron – antičástice k elektronu. Teoreticky existenci pozitronu předpověděl Paul Dirac v roce 1928. Experimentálně ho objevil v kosmickém záření Carl Anderson v roce 1932. patří do rodiny leptonůLeptony – skupina částic, mezi které patří elektron, těžký elektron (mion) a supertěžký elektron (tauon) a jejich neutrina (elektronové, mionové a tauonové). Tyto částice nepodléhají silné interakci, ale jen slabé a elektromagnetické (pokud jsou nabité)., což mimo jiné znamená, že se jedná o částice bez vnitřní struktury. Tento fakt bude dělat následnou analýzu dat mnohem snazší a rychlejší, neboť zde nebude obsaženo velké množství šumu a pozadí.
Koncept ILC je jednoduchý. Jedná se o dva protilehlé lineární urychlovače s detektorem umístěným v místě srážky. Počítá se, že částice budou při srážce dosahovat energií od 250 GeVElektronvolt – 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=kBT). Jeden elektronvolt odpovídá teplotě přibližně 11 600 K. do 500 GeV. Výsledná energie srážky se tedy bude pohybovat mezi 500 GeV a 1000 GeV. Vše závisí na délce ILC, která se zase odvíjí od toho, jaká klidová hmotnost Higgsova bosonuHiggsovy 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. se určí na LHCLHC – 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.. Momentální koncept počítá spíše s třiceti kilometry, což odpovídá energiím elektronů a pozitronů 500 GeV + 500 GeV.
Základní schéma ILC.
ElektronyElektron – 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. uvolněné pomocí laserovéhoLASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal Charles Hard Townes spolu s Arthurem Leonardem Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval Theodore Harold Maiman v roce 1960. Aktivním prostředím byly ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu. paprsku z galium arsenidového terčíku budou urychlovány v pomocném lineárním urychlovači na energii přibližně 5 GeV. Po té poputují do skladovacího prstence. Díky ztrátě energie přeměnou v synchrotronní záření dojde ke zmenšení objemu shluku částic, hustota jeho náboje naopak vzroste. Po další kompresi a urychlení na 15 GeV nakonec shluk poputuje do hlavního urychlovače, kde získá finální energii a nakonec se srazí s protijdoucím shlukem pozitronů.
PozitronyPozitron – antičástice k elektronu. Teoreticky existenci pozitronu předpověděl Paul Dirac v roce 1928. Experimentálně ho objevil v kosmickém záření Carl Anderson v roce 1932. budou získávány srážkami gama paprsků (vyzáří je elektronyElektron – 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. odkloněné ze své dráhy při energii přibližně 150 GeV) s rotujícím terčíkem ze slitiny titanuTitan (prvek) – Titanium, šedý až stříbřitě bílý lehký kov, poměrně hojně zastoupený v zemské kůře. Je poměrně tvrdý a mimořádně odolný proti korozi. Jeho výrazně většímu technologickému uplatnění brání doposud vysoká cena výroby čistého kovu. Hlavní uplatnění nalézá jako složka různých slitin a protikorozních ochranných vrstev, ve formě chemických sloučenin slouží často jako složka barevných pigmentů. Titan byl objeven roku 1791 anglickým chemikem Williamem Gregorem.. Srážkou vznikne množství elektron-pozitronových párů. Pozitrony budou odděleny pomocí magnetického pole a urychleny v protilehlém urychlovači stejným způsobem jako elektrony.
Urychlovač ILC bude též schopen plnit funkci jako tzv. fotonový koliderKolider – urychlovač, ve kterém jsou dva urychlené svazky částic nasměrovány proti sobě. Jiným užívaným systémem je namíření svazku na nepohyblivý terč., kde se těsně před interakční místo posvítí na fokusované shluky částic intenzivním laserovým paprskem. Elektrony předají skoro všechnu svou energii a hybnost fotonůmFoton – 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. pohybujícím se v původním směru elektronů.
Urychlování částic je prováděno technologií SCRF (Super Conducting Radio Frequency) – základní stavební jednotkou jsou supravodivé urychlovací dutiny vyrobené z niobuNiob – Niobium, přechodový kovový prvek, který nachází využití v elektronice a metalurgii při výrobě speciálních slitin. Při teplotách nižších než 9,26 K a magnetických polích pod 410 mT je supravodivý. Niob byl objeven roku 1801 Charlesem Hatchttem v minerálu kolumbitu a byl pojmenován podle Niobe, dcery bájného krále Tantala.. Niob se při ochlazení na teplotu 9,2 K stává supravodičem. Elektromagnetické pole sloužící k urychlení částic je generované v klystronechKlystron – zařízení využívané jako zesilovač mikrovlnných a radiových frekvencí. Energii získávají vlny ze svazku elektronů emitovaných z tepelné katody. Přístroj vynalezli bratři Russell a Sigurd Varianovi v roce 1937.. a mělo by dosáhnout až 35 MV/m. V dutinách je možné ho udržet po dlouhou dobu téměř beze ztrát. Na výstavbu urychlovače jich bude potřeba 16 000 a na jejich výrobu se použije přibližně 500 tun niobu. Každá dutina bude složena z devíti komor a dlouhá přibližně jeden metr. Momentálně probíhají testy a výběr nejvhodnějšího designu. Stejnou technologii urychlení elektronů v supravodivých rezonančních dutinách bude využívat laserLASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal Charles Hard Townes spolu s Arthurem Leonardem Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval Theodore Harold Maiman v roce 1960. Aktivním prostředím byly ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu. na volných elektronech XFEL, který se začne v letošním roce stavět v německém DESYDESY – Deutsches Elektronen SYnchrotron, německé výzkumné centrum částicové fyziky s laboratořemi v Hamburku a Zeuthenu, které bylo založeno v roce 1959. K nejvýznamnějším zařízením patří synchrotronový zdroj záření PETRA III (obvod 2,3 km) a velký evropský laser na volných elektronech European XFEL s délkou 3,4 km, který byl uveden do provozu v září 2017.. Délka urychlovací části laseru XFEL bude 3,4 km a provoz by měl být zahájen v roce 2013. Urychlovací část laseru XFEL je zmenšeninou budoucího urychlovače ILC.
Urychlovací devítikomorová dutina vyvíjená v DESY.
Celková délka dutiny
je přibližně 1 metr, urychlovací pole má hodnotu 35 MV/m. Zdroj: DESY.
Urychlovač ILC bude mít dva hlavní detektory z důvodu porovnání výsledků a vyloučení detektorových vad. Existují 4 návrhy detektorů s vysokými rozlišovacími schopnostmi. Jedná se o SiD (Silicon Detektor), LDC (Large Detector Concept), GLD (Global Large Detector) a „Čtvrtý koncept“. Detektor SiD je založen na polovodičových detektorech od detekce drah po kalorimetrii. V poslední době spolupráce GLD a LDC vyústila v návrh ILD (International Large Detektor) sestávající z velkého plynného dráhového detektoru a křemíkového pixlového detektoru. Při průchodu částice ionizují plyn a zanechávají za sebou stopu, která se působením elektrického pole přesouvá na sběrné vodiče drátové komory. Čtvrtý detektor se od předchozích liší v implementaci tzv. kompenzační kalorimetrie, kde se vyvažuje odezva kalorimetru na různé částice.
Detektor ILD.
Simulace srážky Z bosonu a Higgsovy částice v SiD
detektoru vedoucí na čtyři výtrysky.
Zdroj: software JAS3.
V možnostech LHCLHC – 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. je určit hmotnost Higgsova bosonuHiggsovy 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. a způsob, jakým interaguje s ostatními částicemi. ProtonyProton – 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. jsou však částice s vnitřní strukturou, ve výstupních datech experimentu bude tedy obsaženo množství informací týkajících se nezajímavých fyzikálních procesů. ILC je v tomto ohledu mnohem preciznější. Dovolí například vědcům ověřit standardní modelStandardní model – současný obecně přijímaný model částic a interakcí. Obsahuje kvarky, leptony, polní částice jednotlivých interakcí (fotony, gluony, W+, W−, Z0) a Higgsovu částici jakožto zdroj hmotnosti ostatních částic a narušení symetrie elektroslabé interakce. Součástí modelu není gravitační interakce. Standardní model je vybudován na základě kvantové teorie pole. pomocí měření síly, s jakou Higgsův boson interaguje. Důležité je určit tzv. vazebnou konstantu interakce Higgsova bosonu.. Navíc se předpokládá využití ILC k hlubšímu zkoumání supersymetrickýchSUSY – 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. částic, k jejichž objevu možná na LHC dojde. Tyto výsledky by mohly pomoci s objasněním původu temné hmoty.
O konečném místě stavby urychlovače zatím nebylo definitivně rozhodnuto. Uvažuje se o CERNuCERN – 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. v Ženevě; FermilabuFermilab – komplex urychlovačů ve Spojených státech, ve státě Illinois. Fermilab byl založen v roce 1967, prvním ředitelem se stal Robert Wilson, vynálezce mlžné komory. V roce 2011 zde byl ukončen provoz druhého největšího urychlovače světa – Tevatronu. K nejvýznamnějším objevům patří objev kvarku „b“ (1977), kvarku „t“ (1995) a tau neutrina (2000). Fermilab se zabýval výzkumem „b“ a „t“ kvarku, výrobou a výzkumem antivodíku, narušením CP symetrie, zkoumáním platnosti CPT symetrie a výzkumem řady dalších vlastností hmoty a antihmoty za vysokých energií. v Illinois a o Japonsku. Jako nejpravděpodobnější se dnes jeví jeho umístění ve Fermilabu.
Klip týdne: Laser a urychlovač XFEL
Laser a urychlovač XFEL. V Evropském rentgenovém laseru na volných elektronech XFEL (X-Ray Free Electron Laser) bude 3,4 km dlouhý lineární urychlovač elektronů. Elektrony budou urychlovány elektromagnetickým polem v supravodivých niobových dutinách na rychlost blízkou rychlosti světla. Urychlovací dutiny budou dlouhé jeden metr a každá se bude skládat z devíti komor. Dutiny budou chlazeny kapalným héliem na teplotu –271 °C, při které je niob supravodivý. Elektrony tak budou moci být urychleny s minimálními ztrátami. Se stavbou laseru se započne v roce 2008, uvedení do provozu se předpokládá v roce 2013. Urychlovací část bude obdobná jako u připravovaného Mezinárodního lineárního kolideru, jehož délka by měla být 30 kilometrů. (6 MB, mpg)
Odkazy
