Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 6 – vyšlo 6. února, ročník 7 (2009) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

6/2009

FAIR – urychlovač pro výzkum atomových jader

Miroslav Havránek

FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) je mezinárodní urychlovačový projekt pro výzkum atomových jader a antiprotonů. Projekt se rozběhl v roce 2003, kdy německá vláda odsouhlasila jeho financování ze 75 %. Zbývajících 25 % financuje 14 dalších zemí (Čína, Francie, Rusko, Velká Británie. atd.). FAIR se stane součástí urychlovačové laboratoře GSIGSI – Gesellschaft für SchwerIonenforschung (Sdružení pro výzkum iontů). Německá laboratoř v blízkosti Darmstadtu, která byla založena v roce 1969. Laboratoř má 1050 zaměstnanců. Ve vybavení je lineární urychlovač UNILAC, iontový synchrotron SIS, experimentální prstenec ESR. V současnosti se buduje výkonný laser PHELIX a urychlovač FAIR. nedaleko německého Darmstadtu. Dokončení projektu se předpokládá v roce 2015. Urychlovačový komplex FAIR naváže na jaderný výzkum laboratoře GSI. Projekt FAIR svými výsledky přispěje hned do několika oborů fyziky jako je jaderná fyzika, fyzika plazmatu a astrofyzika. Hlavním cílem experimentů je studium formování atomových jader a hlubší porozumění silné interakci.

Silná interakce – interakce krátkého dosahu, přibližně 10−15 m. Silná interakce je výběrová, působí jen na částice s barevným nábojem, tj. kvarky. Polními částicemi silné interakce jsou gluony (z anglického „glue“ = lepit, lepidlo). Gluony spojují kvarky do větších celků, tzv. hadronů. Nejznámější jsou proton a neutron složený ze tří kvarků. Silná interakce je odpovědná za soudržnost atomárního jádra. Polní částice mají barevný náboj a proto mohou působit samy na sebe. Barevný náboj na malých vzdálenostech (při vysokých energiích) slábne a kvarky se chovají jako volné částice. Hovoříme o tzv. asymptotické volnosti kvarků. Teorií silné interakce se nazývá kvantová chromodynamika (QCD). Kvarky – 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. Gluony – 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. Nukleon – společný název pro částice jádra (protony a neutrony). Jde o baryony složené z kvarků „u“ a „d“.

Atomové jádro

Atomové jádro je vázaný stav nukleonů (protonůProton – 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. a neutronůNeutron – částice složená ze tří kvarků (ddu) se spinem 1/2, hmotností 1,675×10⁻²⁷ kg (940 MeV) a nulovým elektrickým nábojem. Volné neutrony jsou nestabilní se střední dobou života 886 s (15 minut) a poločasem rozpadu 10 minut. V roce 1930 Walther Bothe a Herbert Becke ostřelovali lehké prvky alfa částicemi a objevili nový druh pronikavého záření. V roce 1932 zjistil James Chadwick, že je toto záření složeno z neutrálních částic přibližné velikosti protonu a objevil tak neutron.). Nukleony nejsou elementární částice, skládají se z kvarkůKvarky – 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.. Kvarky však tvoří jen zlomek hmotnosti nukleonu, většina hmotnosti je uložena ve formě gluonůGluony – 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. – zprostředkujících částic silné interakce. Například u protonu připadá 11 MeVElektronvolt – 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. na hmotu kvarků a 927 MeV na hmotu gluonů. Atomové jádro drží pohromadě díky zbytkové silné interakci (sama silná interakceSilná interakce – interakce krátkého dosahu, přibližně 10⁻¹⁵ m. Silná interakce je výběrová, působí jen na částice s barevným nábojem, tj. kvarky. Polními částicemi silné interakce jsou gluony (z anglického „glue“ = lepit, lepidlo). Gluony spojují kvarky do větších celků, tzv. hadronů. Nejznámější jsou proton a neutron složený ze tří kvarků. Silná interakce je odpovědná za soudržnost atomárního jádra. Polní částice mají barevný náboj a proto mohou působit samy na sebe. Barevný náboj na malých vzdálenostech (při vysokých energiích) slábne a kvarky se chovají jako volné částice. Hovoříme o tzv. asymptotické volnosti kvarků. Teorií silné interakce se nazývá kvantová chromodynamika (QCD). váže kvarky uvnitř nukleonu). Výsledkem je, že atomová jádra nemohou mít libovolnou velikost – počet nukleonů. Pokud má jádro příliš velký počet protonů, nedokáže již silná interakce přemoci elektrické odpuzování a jádro se rozpadne. Celkem je známo přes 2 500 izotopůIzotopy – prvky, jejichž jádra mají stejný počet protonů, ale různý počet neutronů. Všechny izotopy prvku mají stejné chemické vlastnosti, liší se však od sebe svými fyzikálními vlastnostmi, například hmotností, poločasem rozpadu atd., avšak jen méně než 300 je stabilních. Stále však existuje více než 3 500 neobjevených izotopů.

Přehled atomových jader. Na obrázku je vidět, že nuklidy a stabilní izotopy zaujímají
jen malou část z celkového počtu jader. Zdroj: Argonne National Laboratory.

První lehká jádra vznikala v průběhu primordiální nukleosyntézy již několik minut po Velkém třesku. Jelikož vesmír rychle chladl, vznikla pouze jádra lehkých prvků jako je vodíkVodík – Hydrogenium, je nejlehčí a nejjednodušší plynný chemický prvek, tvořící převážnou část hmoty ve vesmíru. Má široké praktické využití jako zdroj energie, redukční činidlo při chemické syntéze a v metalurgii nebo jako náplň balonů a vzducholodí. Vodík objevil roku 1766 Henry Cavendish., heliumHelium – plynný chemický prvek, patřící mezi vzácné plyny a tvořící druhou nejvíce zastoupenou složku vesmírné hmoty. Bezbarvý plyn, bez chuti a zápachu, chemicky zcela inertní. Francouzský astronom Pierre Janssen objevil helium ze spektrální analýzy sluneční korony. V roce 1895 se britskému chemikovi Williamu Ramsayovi podařilo izolovat plynné helium na Zemi. Je pojmenované po starořeckém bohu Slunce, Héliovi. a malé množství lithiaLithium – nejlehčí ze skupiny alkalických kovů, značně reaktivní, stříbřitě lesklého vzhledu. Jedná se o lehký a měkký kov, který lze krájet nožem. Dobře vede elektrický proud a teplo. Bylo objeveno roku 1817 švédským chemikem Johannem Arfvedsonem. a beryliaBerylium – nejlehčí prvek ze skupiny kovů alkalických zemin, tvrdý, šedý kov o značně vysoké teplotě tání. Vede špatně elektrický proud a teplo. Velmi dobře propouští radioaktivní záření. Jeho soli jsou mimořádně toxické. Berylium bylo objeveno roku 1798 Louisem Vauguelinem jako součást minerálu berylu a smaragdů.. Těžší prvky vznikaly mnohem později v jádrech hvězd, kde hmota opět získala dostatečnou teplotu pro tzv. hvězdnou nukleosyntézu. Zde však nastal další limit. Energii pomocí jaderné syntézy lze získávat pouze slučováním lehkých jader. Limitní prvek je železoŽelezo – Ferrum, kovový prvek významně zastoupený na Zemi i ve vesmíru. Má všestranné využití při výrobě slitin pro výrobu většiny základních technických prostředků používaných člověkem. Objev výroby a využití železa byl jedním ze základních momentů vzniku současné civilizace., které má nejstabilnější jádro a jeho další jaderné slučování je již energeticky ztrátové. Prvky těžší než železo tedy vznikají při procesech mnohem bouřlivějších, než existují v nitru hvězd. Tvoří se v důsledku explozivní nukloesyntézy, která probíhá při explozích supernovSupernova – rozmetání podstatné části hvězdy, při kterém vznikne extrémně jasný objekt, jehož svítívost se o více než 4 řády zvýší. Minimálně 10 % hmotnosti původní hvězdy se přemění na energii exploze. Svítivost posléze klesá v průběhu týdnů či měsíců. K tomuto konci vedou dvě možné cesty: 1) jedná se o velmi hmotnou hvězdu, která ve svém jádře vyčerpala zásoby paliva a začala se hroutit pod silou své vlastní gravitace na neutronovou hvězdu, nebo černou díru; 2) jedná se o bílého trpaslíka, který nahromadil materiál od svého hvězdného průvodce, dosáhl Chandrasekharovy meze a prodělal objemovou termonukleární explozi. – závěrečných stádiích některých hvězd. Při těchto procesech vzniká celá řada těžších jader, třebaže i velmi krátce žijících, o kterých máme velmi omezené informace. Z produktů rozpadu těchto jader vznikly stabilní prvky, které běžně pozorujeme v přírodě, jako například olovoOlovo – Plumbum, těžký toxický kov, který je znám lidstvu již od starověku. Má velmi nízký bod tání a je dobře kujný a odolný vůči korozi. Je součástí barviva – olovnaté běloby, žlutý chroman olovnatý je známý jako chromová žluť. Zvyšuje oktanové číslo paliva. Velmi čistý PbS je citlivým detektorem infračerveného záření a využívá se při výrobě fotografických expozimetrů a fotočlánků., zlatoZlato – aurum, chemicky odolný, velmi dobře tepelně i elektricky vodivý, ale poměrně měkký drahý kov žluté barvy. Již od dávnověku byl používán pro výrobu dekorativních předmětů, šperků a jako měnová záruka při emisích bankovek. V současné době je navíc důležitým materiálem v elektronice, kde je ceněna jeho vynikající elektrická vodivost a odolnost proti korozi. V přírodě se vyskytuje zejména ryzí., uranUran (prvek) – radioaktivní chemický prvek, kov, patří mezi aktinoidy. Prvek objevil v roce 1789 Martin Heinrich Klaproth, v čisté formě byl uran izolován roku 1841 Eugene-Melchior Peligotem. Izotop 235 se využívá jako palivo v jaderných elektrárnách. Je pojmenován po planetě Uran., atd. Právě tyto vysokoenergetické procesy bude zkoumat experimentální zařízení FAIR v Německu.

Graf na obrázku znázorňuje vývoj jednotlivých prvků v raných fázích
vesmíru v závislosti na teplotě a čase. Zdroj: UCLA.

Nově budovaný urychlovačový komplex poskytne 100 až 1 000krát vyšší intenzitu částic v primárních iontových svazcích a až 10 000krát vyšší intenzitu v sekundárních svazcích než stávající zařízení v GSIGSI – Gesellschaft für SchwerIonenforschung (Sdružení pro výzkum iontů). Německá laboratoř v blízkosti Darmstadtu, která byla založena v roce 1969. Laboratoř má 1050 zaměstnanců. Ve vybavení je lineární urychlovač UNILAC, iontový synchrotron SIS, experimentální prstenec ESR. V současnosti se buduje výkonný laser PHELIX a urychlovač FAIR.. Rovněž vzroste také energie částic na zhruba třicetinásobek oproti stávajícímu zařízení. Srdcem experimentální laboratoře je dvojitý synchrotronSynchrotron – cyklický urychlovač, který k zakřivování dráhy částic používá proměnné magnetické pole vhodně synchronizované s urychlujícím elektrickým polem. Je dalším vývojovým stupněm cyklotronu, jenž pracuje jen s konstantním magnetickým polem. SIS 100/300, na kterém mohou probíhat až čtyři nezávislé experimenty současně. Injektorem pro SIS 100/300 je urychlovač SIS18 ze stávající laboratoře GSI.

Schéma urychlovačové laboratoře. V levé části je již existující laboratoř GSIGSI – Gesellschaft für SchwerIonenforschung (Sdružení pro výzkum iontů). Německá laboratoř v blízkosti Darmstadtu, která byla založena v roce 1969. Laboratoř má 1050 zaměstnanců. Ve vybavení je lineární urychlovač UNILAC, iontový synchrotron SIS, experimentální prstenec ESR. V současnosti se buduje výkonný laser PHELIX a urychlovač FAIR.
a v pravé části je nově budované zařízení FAIR. Zdroj: GSI.

Supravodivé magnety a rezonanční urychlovací dutiny s nastavitelnou frekvencí umožňují ohromnou variabilitu částicového svazku. Jelikož urychlovanými částicemi jsou ionty, maximální dosažitelná energie na jedno jádro závisí na protonovém Protonové číslo Z – udává počet protonů v atomovém jádře prvku. a nukleonovémNukleonové číslo A – udává počet nukleonů (neutronů a protonů) v atomovém jádře prvku. čísle prvku. Pro ilustraci: SIS100 dokáže připravit svazek jader U 238 o energii 1 GeV/nukleon a luminozitěLuminozita – integrální tok částic průřezem urychlovače. 10¹². Naproti tomu SIS300 může urychlit stejná jádra na energii 34 GeV/nukleon, avšak při nižší luminozitě svazku 2×10⁹. Urychlovač je schopen urychlovat jádra od vodíku až po uran a také produkovat vzácná nestabilní jádra v sekundárních svazcích. Sekundární svazky se „vyrábějí“ pomocí interakce urychlených iontů s pevným terčíkem (vyznačeno na obrázku výše). Svazek částic může být buď téměř spojitý, nebo složený z velmi krátkých pulzů (tzv. bunchů), což je výhodné zejména pro studium velmi žhavé hmoty. Pulzní výkon získaný interakcí jednoho krátkého pulzu iontů může dosáhnout až několika terawattů.

Na obrázku vlevo je fotografie dipólového supravodivého magnetu urychlovače SIS300.
Na pravém obrázku je jedna z urychlovacích kavit s proměnnou frekvencí. Zdroj: GSI.

Součástí laboratoře FAIR bude komplex čtyř akumulačních prstencůAkumulační prstenec – pomocný cyklický urychlovač, sloužící k modifikaci urychovaných částic, například změně energetického spektra, proudové hustoty, apod. (CR, RESR, NESR, HESR). Prstenec CR slouží ke stochastickému ochlazování svazku antiprotonů a izotopů ze sekundárních svazků. V prstenci CR je možné měnit strukturu shluků urychlovaných částic – tzv. rebunching. Dalším z akumulačních prstenců je RESR, jehož hlavním úkolem je akumulace až 10¹¹ antiprotonů a jejich případné přesměrování do urychlovače SIS100, kde se mohou dále urychlit, nebo do prstence NESR pro experiment s nízkoenergetickými antiprotony FLAIR. Prstenec RESR také umožňuje zpomalování izotopů. Poslední ze čtveřice podružných prstenců je HESR. Jeho úkolem je opět akumulace a ochlazování antiprotonového svazku, který je injektován z prstence RESR nebo vysokoenergetického antiprotonového svazku z urychlovače SIS100.

URYCHLOVAČ	OBVOD [m]
SIS100	1083
SIS300	1083
CR	206
RESR	246
NESR	222
HESR	520

Rozměry urychlovačů.

Projekt FAIR není vázaný pouze na základní výzkum. Získané poznatky naleznou uplatnění zcela jistě v medicíně při léčbě nejrůznějších nádorových onemocnění. Další možnou aplikací je studium radiační odolnosti materiálů (včetně elektronických součástek). Těžší jádra způsobují daleko větší radiační poškození než například 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. nebo samotné 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.. Výzkum radiační odolnosti materiálů je velmi aktuální zejména v aplikacích určených pro kosmický výzkum nebo pro budoucí fúzní reaktory.

Klip týdne: GSI

GSI. GSI je zkratka z německého Gesellschaft für SchwerIonenforschung (Sdružení pro výzkum iontů). Jde o německou laboratoř v blízkosti Darmstadtu, která byla založena v roce 1969. Laboratoř má 1050 zaměstnanců. Ve vybavení je lineární urychlovač UNILAC, iontový synchrotron SIS a experimentální prstenec ESR. V současnosti se buduje výkonný laser PHELIX a urychlovač FAIR. Na prvním klipu vidíte lineární částicový urychlovač UNILAC. Působí jako první urychlovací stupeň pro synchrotron SIS18 resp. SIS100/300. Ionty se generují silnoproudým výbojem v plynu a dále jsou separovány elektrickým polem a injektovány do urychlovače UNILAC. V první části UNILACu se ionty urychlí na 5 % rychlosti světla a poté projdou skrze nadzvukový proud plynu, kde jsou vícenásobně ionizovány (například jádru uranu po tomto procesu chybí 28 elektronů). V tomto místě se vyberou pouze atomy v určitém stavu pro urychlení v dalších stupních UNILACu. Výslednou energii iontů je možné nastavit v rozmezí od 2 do 18 MeV na nukleon. Video ukazuje iontové zdroje a první část UNILACu. Na druhém klipu je zachycena interakce svazku 2×10⁹ uranových jader o energii 350 MeV/nukleon s olověnou fólií. V důsledku enormních ionizačních ztrát uranových jader se olověná fólie velmi rychle zahřeje a následně exploduje. (mpeg, 1 MB) (gif, 1 MB)

Odkazy