Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

Esitys aiheesta: "Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet"— Esityksen transkriptio:

1 Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet
Kati Lassila-Perini Fysiikan tutkimuslaitos Miksi hiukkasia kiihdytetään? Miten hiukkasia kiihdytetään? Mitä törmäyksessä tapahtuu?  Miten hiukkasia mitataan? Esitys hiukkasfysiikan näkökulmasta, vastaavia laitteita myös ydin- ja materiaalitutkimuksessa lääketieteessä monissa kaupallisissa sovelluksissa

2 Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

3 Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet
Miksi kiihdytetään? Heisenbergin epätarkkuusperiaate: Jos halutaan tutkia pienimpiä aineenosia, liikemäärä on oltava vähintään ∆p > ħ/(2∆x) = eVs/( m) ≈ 1011 eV/c = 100 GeV/c GeV/c? GeV? « luonnolliset » yksiköt (ħ = 1, c = 1) jolloin energia, massa ja liikemäärä: GeV Protonin massa ≈ 1 GeV Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

4 Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet
Mitä kiihdytetään? Kiihdyttimet toimivat sähkö -ja magneettikenttien avulla: kiihdytettävillä hiukkasilla on oltava varaus. Hiukkasia tarvitaan paljon: hiukkasia on oltava « helposti » saatavilla. Hiukkasten kiihdytys ja törmäytys kestää jonkin aikaa: hiukkasten on syytä olla stabiileja eli niiden ei pidä hajota spontaanisti. → Sopivia hiukkasia: Elektronit, protonit (sekä näiden antihiukkaset), stabiilit raskaat ion it Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

5 Mistä hiukkasia saadaan?
Elektronit: metallipinnasta erkanee elektroneita lämmitettäessä. Protonit: ionisoidaan vetyä. Antihiukkaset: korkeaenerginen hiukkassuihku törmäytetään kohtioon, jossa tapahtuvassa reaktiossa syntyy mm. hiukkas-antihiukkaspareja, jotka voidaan erotella toisistaan magneettikentässä Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

6 Miten hiukkasia kiihdytetään?
« Low-tech » esimerkki: Sähkömagneettinen kenttä työntää hiukkasia eteenpäin: Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

7 Hiukkaskiihdyttimen osat
RF-kaviteetit antavat hiukkasille lisää energiaa Magneetit ohjaavat hiukkassuihkua dipolit kääntämiseen kvadrupolit fokusointiin sekstupolit kromaattisten virheiden korjaamiseen oktu-, deka-, ja dodekapolit muiden magneettien aiheuttamien virheiden korjaamiseen törmäyskohdan magneetit Tyhjiöputki Muuta: injektiolinja. hiukkassuihkua puhdistavat kollimaattorit, suihkun katkaisin ja pysäytyslinja, jäähdytysjärjestelmä Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

8 Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

9 Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

10 Miten hiukkasia käännetään?
Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

11 Millainen magneettikenttä?
Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

12 Dipolit ja kvadrupolit
Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

13 Dipolit ja kvadrupolit
Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

14 LHC-kiihdyttimen dipolit
Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

15 Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

16 Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet
Törmäykset Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

17 Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

18 Mitä törmäyksessä tapahtuu?
Elektroni-positroni-törmäys: hiukkaset annihiloituvat ja niiden energia vapautuu uusiin hiukkasiin Protoni-(anti)protoni-törmäys hiukkasten osaset – kvarkit ja gluonit – vuorovaikuttavat. Raskaiden ionien törmäys kvarkki-gluoni-plasma. Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

19 Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet
Törmäykset Kiinteä kohtio Rutherfordin koe Kalibrointi, laitteiden testaus Hiukkasten törmäyttäminen Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

20 Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet
Esimerkiksi Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

21 Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet
Mittaukset Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

22 Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet
Miten dataa tulkitaan? Esimerkki: Törmäyksessä on syntynyt Higgsin hiukkanen, joka hajoaa kahteen fotoniin H0   Hiukkassysteemin massa on invariantti (Higgsin massa mH), jolloin fotonien energiasta ja liikemäärästä voidaan laskea: H   m2H = (E1 + E2)2 – [(px1 + px2)2 + (py1 + py2)2 + (pz1 + pz2)2 ] Ilmaisimen pitää: tunnistaa fotoni mitata sen energia ja liikemäärä kirjoittaa tiedot muistiin. Fyysikon pitää: löytää ne törmäykset, joissa on Higgs vakuuttua ja vakuuttaa, että löydetty signaali on todella Higgsin hiukkanen. Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

23 Miten hiukkaselle käy aineessa (= hiukkasilmaisimessa)?
Kaikki varatut hiukkaset: sähkömagneettinen vuorovaikutus aineen atomien kanssa: energiaa kuluu atomien ionisaatioon. Elektronit ja positronit: jarrutussäteily e± + N → e± + N + ɣ Fotonit: parinmuodostus ɣ + N → e+ + e- + N Hadronit (protonit, neutronit, pionit, kaonit jne.) vahva vuorovaikutus aineen atomien ydinten kanssa. Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

24 Hiukkasten vuorovaikutus aineessa
Fotonit Elektronit ja positronit Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

25 Miten hiukkasia mitataan?
Jälkikammio – mittaa varatun hiukkasen radan hajotttamatta sitä Kalorimetrit – hajottaa hiukkasen ja mittaa menetetyn energia Muonikammiot – mitta muiden osien läpi kulkevat muonit. Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

26 Hiukkasilmaisimen osat
Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

27 Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet
Jälkikammio Aktiiviset osat keräävät varauksen, joka vapautuu ohikulkevan hiukkasen ionisoidessa aineen atomeja. Osumista voidaan rekonstruoida hiukkasen rata. Sijoitetaan voimakkaaseen magneettikenttään, jolloin hiukkasen rata kaartuu. Tyypillisiä tekniikoita: pii-ilmaisimet lankakammiot (aktiivisena aineena kaasu, esim. Ar, CH) Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

28 Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

29 Varatun hiukkasen rata magneettikentässä
Voima, joka pitää massan kaarevalla radalla: F= mv2/r Magneettikentän varatulle hiukkaselle aiheuttama voima: F = qvB  qvB = mv2/r mv = p = qBr Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

30 Miksi pitää mitata niin tarkkaan?
18 päällekkäista p-p-törmäystä, mukana neljä muonia Higgsin hajontatuotteina (simuloitua dataa) Poistettu kaikki jäljet, joiden pt < 2 GeV/c Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

31 Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet
Kalorimetri Sähkömagneettinen kalorimetri pysäyttää ja mittaa elektronit, positronit, fotonit Hadronikalorimetri pysäyttää ja mittaa hadronit. Ensimmäisessä vuorovaikutuksessa syntyneet hiukkaset vuorovaikuttavat edelleen ja syntyy ketjureaktio, joka loppuu kun kaikki energia on kulunut. Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

32 Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet
Kalorimetri Koostuvat joko kokonaan aktiivisesta aineesta esim. kristallit CMS-kokeessa tai levyrakenteessa jossa aktiiviset ja passiiviset osat vuorottelevat esim. aktiivinen neste Ar, tuikemuovi – passiivinen lyijy. messinki Aktiivinen osa mittaa varausta tai valoa varaus: ionisaatio valo: hiukkasten menettämä energia kohottaa aktiivisen aineen elektronit korkeammalle energiatasolle, josta palautuminen aiheuttaa valokvantin Passiivinen osa pysäyttää hiukkassuihkun Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

33 Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

34 Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

35 Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet
Myonikammio Myonikammiot ovat jälkikammioita, jotka ovat koeasemassa uloimpana. Kaikki muut hiukkaset pysähtyvät aiemmin. Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

36 Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet
Resoluutio Resoluutio = mittaustarkkuus, esim. energian mittaus Jakauman keskiosaan sovitetaan normaalijakauman tiheysfunktio, josta saadaan  (keskihajonta) Hyvä resoluutio Huonompi resoluutio Huonoin resoluutio /E Emitattu/Eoikea = 1 Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

37 Kalorimetrin resoluutio
/E =√ [(a/√E)2 + (b/E)2 + c2] Kalorimetrit: Mitä suurempi energia, sitä tarkempi mittaus. Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

38 Jälkiresoluutio Jälkikammio: Mitä suurempi energia,
sitä epätarkempi mittaus. Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

39 Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet
Mikä hajonta? Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

40 Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

41 Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

42 Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

43 Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

44 Kiinnostavien törmäysten valinta
Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

45 Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

46 Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

47 Tulevaisuuden näkymiä
Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

48 Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet
Avoimia kysymyksiä Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet