Download - akceleratori

Гимназија „Јован Јовановић Змај“

Нови Сад

Матурски рад из физике

АКЦЕЛЕРАТОРИ И LHC АКЦЕЛЕРАТОР У CERN-У

Професор ментор: Ученик:

Гена Литричин Милица Валент IV-3

Нови Сад, мај 2012. год.

Акцелератори и LHC акцелератор у CERN-у Милица Валент, IV-3

Предговор

Физика, као фундаментална наука, нуди изузетно много инетересантних тема о којима се може писати. Одлучила сам се да пишем рад из овог предмета, јер бих желела да наставим своје даље школовање студирајући физику. Највише су ме привукла истраживања која се врше у CERN-у (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) у области акцелераторске физике. То је област која се константно развија и чија истраживања могу довести до фундаменталних открића која би могла да разјасне многе мистерије данашњице, те сам се првенствено због тога одлучила да као тему за матурски рад узмем баш акцелераторе и њиховог напознатијег представника – LHC акцелератор у CERN-у.

2


С А Д Р Ж А ЈСтрана

1. УВОД......................................................................................................................................4

2. ЕЛЕКТРОСТАТИЧКИ АКЦЕЛЕРАТОРИ.........................................................................5

2.1. Линеарни акцелератор...................................................................................................52.2. Кокрофт–Волтонов акцелератор..................................................................................62.3. Ван де Граф-ов акцелератор.........................................................................................8

3. ЕЛЕКТРОМАГНЕТНИ АКЦЕЛЕРАТОРИ......................................................................11

3.1. Циклотрон.....................................................................................................................113.2. Синхронизовани циклотрони......................................................................................133.3. Бетатрон........................................................................................................................133.4. Синхрофазотрон...........................................................................................................15

4. LHC АКЦЕЛЕРАТОР У CERN-У.....................................................................................16

4.1. Колајдери......................................................................................................................164.2. Шта је LHC?.................................................................................................................164.3. Како LHC ради?...........................................................................................................174.4. LHC експерименти.......................................................................................................18

ЛИТЕРАТУРА.........................................................................................................................22

БИОГРАФИЈА МАТУРАНТА...............................................................................................23

3


1. УВОД

Акцелератори честица спадају у најзначајније и може се рећи најзанимљивије инструменте модерне науке. То су прецизни уређаји огромних размера који, помоћу електричног и магнетног поља, убрзавају и усмеравају наелектрисане честице до великих брзина, некада чак и до брзина које су нешто мање од брзине светлости. Они омогућавају испитивање тајни атомског језгра, структуре честица, сила које све те честице држе на окупу и још много, много тога.

У акцелераторима се најчешће убрзавају хадрони, али постоје и акцелератори који убрзавају и теже јоне као што су угљеникови, кисеоникови, берилијумови, па чак и оловни јони. Хадрони су све честице које реагују јаком нуклеарном силом, а најчешће коришћени хадрони који се убрзавају су протони, неутрони, π мезони (пиони) и К мезони (каони). Од свих њих најлакше се убрзавају протони, и то у сноповима, јер они чине језгро водоника.

Како свако тело које се креће има кинетичку енергију, која је пропорционална квадрату брзине којом се тело креће, закључујемо да, када акцелератор убрзава честицу, он јој заправо повећава енергију, а висока енергија честица је управо оно што је есенцијално за даља истраживања. Суштина експеримената који се одвијају у акцелераторима је да се честице великом брзином сударе са другим честицама или атомским језгрима, који се називају мета и могу се такође убрзавати или бити статични. Приликом тих судара сложене структуре честица се распадају на делове, што омогућава да видимо ,,састав’’ неке сложене честице. Осим тога, од енергије која се ослободи могу настати и неке друге честице које нису улазиле у састав оних првобитних.

Принцип рада првих акцелератора је врло једноставан. Све што је потребно јесте честица коју треба убрзати и разлика потенцијала (нпр. батерија). Када се налазе у електричном пољу, наелектрисане честице кретаће се ка супротном полу наелектрисања и током тог кретања убрзаваће се и повећавати своју енергију. Иако је сам принцип рада акцелератора једноставан, њихова конструкција је врло сложен и скуп процес. Поред тога, њихова употреба и одржавање захтева велика улагања, а за сам рад акцелератора потребна је огромна количина електричне енергије.

Акцелерација наелектрисаних честица конвенционално је подељена у две категорије, тако да једну категорију чини електростатичка акцелерација, а другу електромагнетна акцелерација. Сходно томе и акцелератори се грубо могу поделити на електростатичке и електромагнетне. Такође се могу поделити геометријски, у зависности од тога каква је путања честица, на линеарне и циркуларне. Акцелератори се могу још делити и према врсти честица које убрзавају и сударају, као и према томе да ли се убрзавају само честице прoјектили или се убрзава и мета. У овом раду, биће пре свега речи о првобитној подели на електростатичке и електромагнетне акцелераторе. У првом поглављу које следи биће обрађени електростатички акцелератори, са акцентом на два представника: Кокрофт-Волтонов акцелератор и Ван де Граф-ов акцелератор честица. Друго поглавље бавиће се електромагнетном акцелерацијом односно електромагнетним акцелераторима, њиховим изумитељима и неким од најважнијих представника, док ће у трећем поглављу бити објашњен принцип рада и значај једног од највећих модерних акцелератора на свету LHC акцелератора који се налази у великом истраживачком центру CERN-у.

4


2. ЕЛЕКТРОСТАТИЧКИ АКЦЕЛЕРАТОРИ

Електростатички акцелератори убрзавају честице кроз константну разлику потенцијала, односно напон. Они се у суштини састоје од две проводне површине које се налазе на великој напонској разлици. Ако се честица масе m и наелектрисања q креће брзином V кроз поље разлике потенцијала U, тада ће честица примити кинетичку енергију за коју ће важити једнакост:

Главни задатак ових акцелератора јесте да индукују висок напон, који је директно условљен великом количином енергије која је потребна како би честице досегле велике брзине. У зависности од врсте акцелератора, овај поступак остваривања високе енергије се другачије обавља.

Током историје, први типови ових акцелеретора били су Кокрофт-Волтонов и Ван Де Граф-ов акцелератор и оба ова типа по геометријској подели спадају у линеарне акцелераторе.

2.1. Линеарни акцелератор

Линеарни акцелератор, како му и само име каже, убрзава честице линеарно односно праволинијски, а називају га и линак. Идеју за први тип овог акцелератора дао је 1928. Ралф Видерое. Ови акцелератори заснивају се и на принципу осциловања, што знатно доприноси убрзавању честица.

Начин на који је радио први линеарни акцелератор поприлично је једноставан. Сам акцелератор се састоји од дугачке праволинијске вакуумске цеви, дуж чије осе је постављено више шупљих цилиндричних електрода, једна за другом. Електроде су наизменично везане за полове високофреквентног генератора наизменичног напона, тако да су, на пример, прва, трећа, пета и свака непарна електрода прикачене на негативан пол генератора, а друга, четврта, шеста и свака парна на позитиван пол генератора. Извор јона који је смештен на почетку вакуумске цеви избацује, рецимо, позитивне јоне, које јако електрично поље између извора и прве електроде усмерава да се крећу дуж осе цеви. У електродама нема електричног поља и оне су шупље, па се у њима честице не убрзавају. Убрзавају се у простору између суседних електрода и у сваку наредну улећу већом брзином. То се на тај начин дешава захваљујући фреквенцији генератора која је изабрана тако да се, у тренутку када се честица нађе на средини неке од електрода, свим осталим електродама замени наелектрисање, тако да ће позитивну честицу увек привлачити електрода негативног потенцијала. Како би се овај принцип испоштовао, потребно је да се честица у свакој електроди задржи једнако дуго, што би било немогуће да су све електроде исте дужине, јер је честица пре уласка у сваку следећу бржа. Због тога, свака наредна електрода мора бити дужа од претходне и то тачно онолико колико то захтева промена брзине честице(слика 1.). При изласку из последње електроде честица има високу кинетичку енергију и великом брзином излеће и удара у одговарајућу мету на крају цеви, изазивајући одређене нуклеарне реакције.

Линеарни акцелератори користе се за убрзавање више врста честица међу којима су протони, електрони, лаки позитивни јони итд. Најлакше се убрзавају електрони, јер они постају релативистички већ на малим енергијама и за њихово убрзавање користи се само мало измењен горе наведени метод.

5


Слика 1. Шема линеарног акцелератора

Што је линак дужи, тј. што садржи више електрода, то се честице могу убрзати до већих енергија. Сходно томе, ови акцелератори имају дужине по неколико стотина метара, па и до неколико километара. Највећи линеарни акцелератор протона налази се у лабораторији у Новом Мексику и дуг је 750 m, а протони у њему досежу енергију од око 800 MeV. Генерално највећи линак на свету је дуг 3,2 km и честице у њему остварују енергију од 30 GeV, а налази се на универзитету Стенфорд у Калифорнији. Линеарни акцелератори наишли су на огромну примену у медицини.

2.2. Кокрофт–Волтонов акцелератор

1932. године, британски физичар Џон Даглас Кокрофт и ирски физичар Ернест Волтон, направили су један од првих електростатичких акцелератора честица, како би истраживали својства атомских језгара. Знајући да је за велико убрзање потребан висок напон и да је потребна велика енергија како би наелектрисана честица могла да продре у језгро, дошли су на идеју да протоне, изоловане јонизацијом водоника, помоћу електричног поља високог напона убрзају и у сноповима усмере ка другим хемијским елементима, како би изазвали нуклеарне реакције које би довеле до стварања нових хемијских елемената. Тада су конструисали уређај за убрзавање протона, који је касније по њима назван Кокрофт-Волтонов акцелератор.

У основи овог акцелератора, налази се мултипликатор напона, такође назван по њима - Кокрофт-Волтонов генератор, који служи за напајање акцелератора, тако што генерише висок напон једносмерне струје од ниског напона наизменичне струје. Ово електрично коло састоји се само од извора струје, излаза, уземљења и низа кондензатора и диода међусобно повезаних. Када напон, који се, када је наизменичан представља синусном кривом, има позитивну вредност, струја пуни први кондензатор, а када има негативну вредност, струја пуни други кондензатор, са којим је први повезан преко диоде. Како диоде као полупроводнички елементи имају улогу вентила, струја из првог кондензатора, док је напон позитиван неће пролазити кроз прву диоду. Када напон пређе у негативну вредност, струја из првог кондензатора проћи ће кроз катоду прве диоде и баш као и струја извора, напунити други кондезатор. Сада ће други кондензатор имати дупло већи напон од почетног напона. Прича се даље наставља на исти начин. Трећи кондензатор ће имати напон дупло већи у односу на други и тако даље. Напон на излазу биће једносмеран, јер је на крају диода, а његова вредност биће онолико пута већа колико има диодно капацитивних парова, односно каскада, па се сходно томе овај уређај назива и каскадни генератор (слика 2.).

6


Слика 2. Општа шема каскадног генератора

Кокрофт-Волтонова машина односно акцелератор састоји се дакле од овог мултипликатора напона који омогућава да честице остваре велике брзине и који је разделником напона прикључен на систем акцелераторских фокусирајућих електрода, јонског извора на почетку, мете на крају и акцелераторске цеви. Акцелераторска цев се за време рада уређаја мора налазити у вакууму. Између електрода у цеви се налазе међуелектродни простори. При раду акцелератора ови простори представљају електростатичка сочива, чији се фокуси налазе дуж фокалне осе која се поклапа са осом акцелераторске цеви. Због те своје карактеристике, међуелектродни простори не само да убрзавају честице, већ и фокусирају јонски сноп. Као и код свих осталих акцелератора, извор јона налази се на високом позитивном потенцијалу у односу на мету, која је углавном на нултом потенцијалу, односно потенцијалу земље. Како се у акцелераторској техници за изворе јона користе углавном позитивни јони добијени јонизацијом неког гаса, тај случај је и овде и процес јонизације одвија се у тзв. ,,гасној комори’’ на почетку акцелераторске цеви.

Експеримент који су извели Кокрофт и Волтон састојао се у убрзавању протона овим уређајем под напоном од 700 kV и њиховом усмеравању ка језгру литијума који је био мета. Тада су заправо изазвали први вештачки нуклеарни распад у историји, јер се погођено језгро литијума уз присуство протона, након судара распало на две α-честице, односно два језгра хелијума, које су уочене сцинтилацијом на застору од цинк сулфида (ZnS). Ова реакција десила се по принципу 1

1p + 37Li ― > 2 4He + 2 4He , и овај

експеримент назван је популарно ,,цепање атома’’.

Слика 3. Кокрофт-Волтонов акцелератор

7


За свој рад и експеримент, добили су 1951. године Нобелову награду ,,за пионирски рад на пољу трансмутације атомског језгра путем вештачки убрзаних атомских честица’’. Њихов изум и експеримент представљају експериментални доказ теорије о структури атома коју су раније изнели Радерфорд и други.

Њихов акцелератор се сматра најпростијим типом акцелератора и може се наћи на универзитетима и институтима широм света и најпогоднији је за изградњу, јер га чине стандардни елементи. Такође је погодан и експерименталној примени, јер може да оствари велику струју (до вредности око 12 mA). Ипак, максимална енергија која се може постићи помоћу овог типа акцелератора је 3 MeV и то при специјалним условима. Због тога, Кокрофт-Волтонов акцелератор спада у оне акцелераторе који не убрзавају честице до високих енергија. Изглед овог акцелератора приказан је на слици 3.

2.3. Ван де Граф-ов акцелератор

Када говоримо о електростатичким акцелераторима, пре свега мислимо на Ван де Граф-ов акцелератор, изумљен 1929. године од стране америчког физичара по коме је и назван, Роберта Ван де Графа. Овај акцелератор представља директну илустрацију дефиниције потенцијала проводника, према којој је потенцијал заправо рад који треба извршити да би се јединично наелектрисање пренело са проводника у бесконачност.

На Ван де Граф-овом акцелератору, наелектрисање се помоћу шиљка преноси од извора на покретну изолациону траку. Шиљак преставља нешто налик металној четкици која ,,прска’’ наелектрисање на траку. Места на којима шиљак додирује траку називају се тачке ,,варничења’’ или короне. Покретна изолациона трака, коју можемо звати и појас, обмотана је око два обртна ваљка, једног горе и једног доле, који нису спојени. Доњи ваљак покреће мотор и управо тај доњи ваљак и покреће целу траку. Шиљак, који је повезан на крајњи део генератора напона, који се налази поред траке, преноси позитивне јоне, односно наелектрисање на траку. Како је трака начињена од изолаторског материјала (гума, свила), а доњи ваљак прекривен силиконом, а како је силикон електронегативнији од, на пример гуме, негативно наелектрисање се скупља на доњем обртном ваљку, остављајући траку позитивно наелектрисану. Горњи ваљак је, како не би било преноса наелектрисања у горњем делу траке, направњен од неутралног материјала.

Покретном траком се наелектрисање од шиљка даље транспортује до сабирне електроде која има облик свода и која, одржавајући наелектрисање позитивним, скупља га и одводи, преко отпорника који се назива колектор, до изоловане шупље електроде, такозване акцелераторске цеви. Ако капацитет те електроде обележимо са C, а са q скупљено наелектрисање, њен потенцијал у неком тренутку можемо одредити преко релације између капацитета, наелектрисања и потенцијала:

На овај начин може се постићи изузетно висок потенцијал (7 МV), па самим тим и напон који се користи за убрзавање јона односно наелектрисања. Акцелераторска цев направљена је од више металних прстенова, који се сви налазе на истом потенцијалу, уграђених у саму цев. Убрзавање се заправо одвија у комори у којој је неки стабилан, инертан гас под притиском ( најчешће SF6 ). Притисак под којим је гас у Ван де Граф-овом акцелератору је углавном око 1,52 kPa (15 atm) . Граница до које енергија расте налази се на оном напону, при којем долази до раскидања хемијских веза у гасу. На крају акцелераторске цеви налази се мета која мирује. Мете су атоми, па се због тога

8


Ван де Граф–ов акцелератор зове и ,,разбијач атома’’, јер јони, убрзани у акцелераторској цеви захваљујући високом напону, великом брзином ударарају у статичну мету, која је углавном атом и разбијају његово језгро. Шема је на слици 4.

Слика 4. Шема Ван де Граф-овог акцелератора

Модификација овог акцелератора јесте тандем Ван де Граф-ов акцелератор. Ова врста акцелератора, осим што убрзава позитивне јоне, убрзава и негативне. Он заправо комбинује два Ван де Граф-ова акцелератора. Састоји се од две изоловане цеви које су постављене хоризонтално и које се спајају у средини, преко суда у ком је гас под великим притиском (најчешће је то азот или аргон). На самом почетку прве цеви постављен је генератор високог напона помоћу којег се средишњи део тандема наелектрише. Тада почиње убрзавање негативних јона, који се од извора - генератора, крећу ка средишњем делу акцелератора, који је се налази на високом позитивном потенцијалу (око 7 MV). Када негативни јони стигну у централни део, у интеракцији са гасом, губе електроне и постају позитивни. Овако добијен позитивно наелектрисан сноп јона убрзава се према излазу друге изоловане цеви, где би требало да се судари са статичном атомском метом.

Слика 5. Шема тандем Ван де Граф-овог акцелератора

9


Максимална енергија коју овај тандем акцелератор може да досегне је 25 MeV, што је скоро два пута више него што може класичан Ван де Граф-ов акцелератор. То се објашњава простом једначином:

T = q1U + q2U = (q1 + q2)U

За електрон и птотон је то наелектрисање 1,6 · 10-19 и обележава се са e или са p.Енергија може бити и више од два пута веће у зависности од тога који се јони убрзавају.

Ван де Граф-ов акцелератор има велику примену у истраживањима у области нуклеарне физике, јер може да, уз малу излазну струју оствари високе енергије, што омогућава велику брзину честица и самим тим већу успешност експеримента који се изводи.

10


3. ЕЛЕКТРОМАГНЕТНИ АКЦЕЛЕРАТОРИ

Далеко већу примену у односу на електростатичке имају електромагнетни акцелератори. Они поред електричног поља користе и магнетно, најчешће ради усмеравања честица, али и јер је брзина условљена магнетном индукцијом. И ови акцелератори, као и линеарни, раде углавном на принципу осциловања, јер тада максимална енергија није ограничена сталним волтажним максимумом и лакше се убрзавају честице до већих енергија. Најчешће нису линеарног облика, већ циркуларног, а главни представник ове врсте је циклотрон.

3.1. Циклотрон

Циклични или циркуларни акцелератор, популарније назван циклотрон, изумео је амерички физичар Ернест Лоренс 1929. године на Беркли универзитету у САД-у. Пречник првог циклотрона био је свега око 10 cm, а каснији циклотрони, они који се сада граде, много су већих димензија.

Овај акцелератор се у основи састоји од две шупље електроде које имају облик латиничног слова D и које су постављене једна наспрам друге. Ове елктроде називају се дуанти и прикачене су на генератор високо фреквентног наизменичног напона, па због тога у процепу између њих постоји електрично поље. Унутар дуаната нема електричног поља иако су они повезани за генератор, јер их метални зидови од којих су начињени штите. Они се налазе у магнетном пољу чије су линије нормалне на њихове равне површине. Извор јона смештен је у електрично поље, у средини процепа између два дуанта.

Узмимо за пример да се убрзава сноп позитивно наелектрисаних честица. Када се нађе у електричном пољу он ће добити убрзање и јурнуће према дуанту који је везан за негативни пол генератора. Када доспе у одговарајући дуант прећи ће под дејство магнетног поља и због деловања Лоренцове силе почеће да се креће по кружној путањи. Када заврши један полукруг и крене да излази из првог дуанта, мења се поларитет другог дуанта, те сада он постаје негативан и привлачи позитиван сноп, који је у међудуантном простору поново убрзан. Поступак се понавља. Полупречник путање честица у дуанту линеарно се повећава са повећањем брзине, па сваку полукружну путању у унутрашњости дуанта честице опишу за исто време. Ово се дешава захваљујући константној фреквенцији генератора наизменичног напона, која омогућава период који тачно одговара периоду за који честица опише полукруг у дуанту.

Када се честице у циклотрону убрзају до жељене енергије (која је ограничена димензијама дуаната), искључује се магнетно поље или се укључује спољашња електрода, што условљава избацивање честица са кружне путање и њихово излетање из дуанта. Честице које излете из дуанта гађају одговарајућу статичну мету и остварују жељене нуклеарне реакције. Поступак је приказан на слици 6.

11


Слика 6. Скица рада циклотрона

Све ово важи само за нерелативистичко кретање честица, јер ако би честица достигла релативистичке вредности брзине, период њеног кретања више не би био константан (импулс би зависио од брзине), па не би било синхронизације између напона на дуантима и кретања честица.

Одговарајућа фреквенција наизменичног напона може се израчунати захваљујући чињеници да магнетна сила обезбеђује центрипетално убрзање по кружној путањи. То можемо доказати на следећи начин :

, , ,

или .

Како за кружно кретање важи да је брзина константна, није тешко одредити тренутну угаону брзину, а самим тим и фреквенцију кретања честица :

, ,

.

Ова фреквенција кретања јесте уједно и фреквенција генератора односно електричног поља. Назива се још и резонанта фреквенција циклотрона.

Максимална енергија коју честица има при излетању из дуанта такође се може одредити. Узмимо да је R највећи радијус путање по којој се честица може кретати и уврстимо га у основну једначину кинетичке енергије:

.

У типичном циклотрону, коме полупречник дуаната износи око 30 cm, интензитета вектора магнетне индукције , наизменичног напона од U 200 kV, фреквенција је приближно између 10 и 20 MHz. Код таквог циклотрона максимална енергија коју рецимо један протон може да оствари је око 20 MeV.

Циклотрони су, баш као и линеарни акцелератори наишли на велику примену у

12


медицини, а највише се помоћу њих убијају тумору у људском телу.

3.2. Синхронизовани циклотрони

Већ је речено да се циклотрони могу користити како би се постигле искључиво нерелативистичке брзине. За релативистичке брзине се користи синхронизовани циклотрони. Поред проблема немогућности рада у релативистичкој физици, код класичних циклотрона јављао се и проблем несталности путање односно орбите.

Идеја да се циклотрони користе за добијање релативистичких честица потиче од совјетског физичара Владимира Векслера, а на сличну идеју је нешто касније дошао и амерички физичар МекМилан. Према овој идеји, стабилна орбита у циклотрону је могућа када су услови за синхронизацију задовољени, односно када је:

Како би ова релација била тачна за време акцелерације, потребно је да се фреквенција наизменичног напона смањи или да се магнетно поље појача, или чак оба, јер V → c. Акцелератори код којих се промена дешава на фреквенцији, а којима је магнетно поље константно, називају се синхроциклотрони или фазотрони, док се они код којих се мења магнетно поље, независно од тога да ли се мења фреквенција, зову се синхротрони. Синхротрони који убрзавају електроне мењају искључиво само магнетно поље, док им фреквенција остаје иста, а код синхротрона који убрзавају протоне, поред магнетног поља, променљива је и фреквенција.

Појачавањем магнетног поља или благим смањивањем фреквенције генератора, ремети се равнотежа циклотрона, а управо то је потребно за убрзање. За пример ћемо узети синхроциклотрон. Када мало смањимо фреквенцију, горе наведен услов синхронизације ће се пореметити, јер ће тада рецимо енергија честице бити сувише мала за дату вредност магнетног поља. У таквом стању циклотрона дешава се процес промене кружне фреквенције, времена прелета и енергије честице. После неколико циклуса синхронизовани рад циклотрона успоставља се поново, али при другој равнотежној енергији, која је већа од претходне. Ако је потребно да се енергија даље повећава, довољно је само поново нарушити синхронизам.

Може се рећи да је за ову врсту акцелератора карактеристично да убрзавају честице до веома високих коначних енергија, а примењиви су и на тешке једнако као и на лаке наелектрисане честице.

3.3. Бетатрон

Још једна подврста циклотрона јесте бетатрон. Изумео га је 1940. године амерички физичар Доналд Керст, али сама идеја концепта бетатрона датира из тридесетих година и везује се за Ралфа Видероу - а, творца линеарног акцелератора.

Бетатрон је циркуларни индукциони акцелератор електрона. У њему се електрони убрзавају деловањем вртложног електричног поља које настаје електромагнетном индукцијом. Електрони се крећу у вакуумској цеви тороидалног облика која се назива комора бетатрона и која је постављена између полова

13


електромагнета посебног облика. Магнетно поље у овом уређају има двоструку улогу: индукује вртложно поље и обезбеђује кретање електрона стално по истој кружној путањи. Електрони се крећу по тој одређеној кружној путањи вртложног електричног поља, како би их електрична сила у сваком тренутку убрзавала. Да би се индуковало електрично поље, магнетно поље мора бити временски променљиво. Да би се то постигло, кроз електромагнет се пропушта одговарајућа наизменична струја, која, пошто је периодична омогућава рад бетатрона у циклусима. Електромагнети који окружују комору бетатрона имају специјалан облик да би обезбедили одређену нехомогеност магнетног поља, која одређује стабилну путању електрона.

Електрони се убацују у комору и захваљујући електромагнетима направе огроман број обртаја, при чему им се енергија константно повећава и досеже до неколико стотина MeV. Када електрони досегну максималну енергију, укључује се допунско магнетно поље које делује тако да избацује електроне са кружне путање и усмерава их на статичну мету постављену у комори самог бетатрона. На слици 7. приказан је један од првих бетатрона из 1942. Године.

Максимална енергија коју електрони могу имати у бетатрону је ограничена јачином магнетног поља. Те енергије су углавном око 300 MeV. Бетатрон је, као и још неки акцелератори, добио одговарајућу улогу и у медицини.

Слика 7. Изглед једног од првих бетатрона из 1942. године

14


3.4. Синхрофазотрон

Још један у низу цикличних акцелератора је синхрофазотрон. Чини га вакуумска цев тороидалног облика дуж које су постављене електроде, па се честице у њој крећу кружно. Слично као и код линеарног акцелератора, електроде су наизменично повезане са половима високофреквентног генератора наизменичног напона, те се честице уубрзавају у међуелектродним просторима, а не у електродама. Око цеви су постављени електромагнети који својим магнетним пољем одређују кружно кретање честица. За разлику од линеарног, у овом акцелератору честица може да се на истом месту убрза више пута и опише много истих кружних путања, сваки пут се све више убрзавајући. Када досегне жељену енергију, захваљујући укључивању допунског магнетног поља, честица излеће из акцелератора и гађа статичну мету.

Синхрофазотрони могу да убрзавају и релативистичке честице, јер се у њима користе генератори са променљивом фреквенцијом и електромагнети чије се магнетно поље мења на одговарајућ начин.

Торусне цеви ових акцелератора се постављају у подземне тунеле, а дужина тих тунела је и до неколико километара. У најмоћнијим синхрофазотронима убрзавају, електрони се убрзавају до енергија величине неколико десетина GeV, а протони се могу убрзати и до енергија од неколико стотина GeV.

15


4. LHC АКЦЕЛЕРАТОР У CERN-У

4.1. Колајдери

Колајдери су врста акцелератора која је, иако спада у електромагнетне акцелераторе, нешто сасвим другачије. То су акцелератори који не убрзавају само честице пројектиле, већ истовремено убрзавају и мету, која је у осталим акцелераторима статична. Убрзавање мета омогућава да се догоде нуклеарне реакције које захтевају изузетно велике енергије, а које су од изузетног значаја за истраживања у области физике елементарних честица. Колајдери могу бити и циркуларни и линеарни.

Познато је да елементарне честице настају сударима других честица, и да што су судари интензивнији, то су њихови резултати разноврснији. Нове честице експериментално се откривају или доказују процесима судара. Ове сударе омогућавају управо колајдери. Изучавањем старих и новооткривених елементарних честица, научници добијају информације о структури микросвета и законима који у њему владају. Проучавањем ових честица може се бавити само у току судара, јер оне настају само при високим енергијама и постоје изузетно кратко, па су судари заправо једини начин да се открије шта све ове честице скривају.

У колајдерима се честице уводе у различите канале за убрзавање који се налазе на истом електричном и магнетном пољу. Пошто су наелектрисања пројектила и мете супротних знакова, кретаће се супротним смеровима. Када досегну довољну енергију, захваљујући магнетном пољу, снопови честица ће се укрстити и међусобно сударити, ,,рађајући’’ при том неке сасвим нове честице.

Први ,,успешан’’ колајдер направила је једна од америчких истраживачких организација, под именом MURA (Midwestern Universities Research Association) 1961. године и максимална енергија коју је могао да оствари износила је око 50 MeV. Први колајдер који је убрзавао истовремено протоне и електроне направљен је у Италији почетком шездесетих година. 1971. године у CERN-у, направљен је први колајдер хадрона, под именом ISR (Intersecting Storage Rings). 1998. године, такође у CERN-у, започета је градња највећег и најзначајнијег светског колајдера хадрона названог LHC (Large Hadron Collider). Градња овог пројекта завршена је 2008. године, а о њему ће више бити речи у даљем тексту.

4.2. Шта је LHC?

Највећи и најзначајнији светски колајдер хадрона икада назван је баш због тога Велики Колајдер Хадрона или краће LHC (Large Hadron Collider) и направљен је у CERN-у, смештеном у Женеви у Швајцарској. LHC никако није први експеримент овог типа направљен и изучаван у CERN-у, али је свакако најзначајнији.

Још 1983. године су научници у CERN-у дошли на идеју да направе огромну акцелераторску цев у којој би убрзавали две супротне честице: електрон и његову античестицу – позитрон. Овај акцелератор назван је LEP (Large Electron–Positron Collider) и почео је са радом шест година касније, 1989. године. Тунел у ком је смештена акцелераторска цев, направљен за овај експеримент у обиму је дуг 27 километара и широк 3,8 метара, а постављен је на дубину од 175 метара испод земље.

16


Простире се испод швајцарско-француске границе, близу Женеве. LEP акцелератором физичари су желели да потврде постојање Z и W бозона, што су и успели крајем 2000. године. Завршивши овај експеримент, уместо LEP-а, у огромни тунел смештен је нови акцелератор, нови пројекат – LHC. Тунел и акцелераторска цев приказани су на слици 8.

Изградња великог хадронског колајдера почела је још 1998. године, али је завршен и први пут покренут тек 2008. године. У осмишљању и грађењу овог пројекта учествовало је преко десет хиљада научника и инжињера из преко 100 земаља и више стотина универзитета и лабораторија широм света.

LHC је протон-протон колајдер, али може да убрзава и снопове тешких једара. Главни задатак оних који су правили овај акцелератор био је да обезбеде јако магнетно поље како би омогућили честицама да остваре нејвећу могућу енергију у прстену (акцелераторској цеви). С друге стране када је реч о електронима, као лакшим честицама, потребно је да сноп буде пажљиво ограничен како би се максимално смањила радијација коју емитује сваки синхронизован акцелератор. Енергија коју би снопови протона требали остварити је 7 TeV, а енергија коју би требала остварити, на пример оловна језгра је 2.76 TeV.

Слика 8. Акцелераторска цев LHC-а у тунелу

4.3. Како LHC ради?

Унутар овог великог акцелератора, два снопа честица путују брзином која је веома близу брзини светлости и при том досежу изузетно високе енергије. Оба снопа честица убрзавају се на исти начин на који честице убрзава синхрофазотрон. Два снопа, један ка другом путују у одвојеним цевима, како би се оба могла убрзати у супротним смеровима истовремено. Обе цеви су у непробојном вакууму. Њихово кружно кретање дуж оса цеви омогућава јако магнетно поље које обезбеђују суперпроводни електромагнети који окружују цеви. Ови електромагнети направљени су од завојница које чине суперпроводни електрични каблови (супер-проводници) који успешно проводе електрицитет без отпора или губитка енергије. Да би радили како треба, потребно је да ови електромагнети буду на температури знатно нижој од температуре тунела (-273°C). Због тога, велики део акцелераторске цеви прикључен је на систем који производи течни хелијум који хлади магнете ових цеви, али и цеви других акцелератора који се налазе у комплексу у ком је и LHC.

Хиљаде магнета различитих особина и величина се користе како би усмеравали сноп унутар цеви. Највећи од њих су 1232 диполна магнета, дуга 15 m који се користе како би савили сноп честица, као и 392 квадруполна магнета дужине 5 - 7 m који се користе како би одржавали сноп честица на фокусираној путањи. Присутна је и врста магнета који имају улогу да ,,прибију’’ честице у снопу како би повећали шансе да се судар деси. Како су честице изузетно мале, а да би дошло до судара неопходна је

17


перфектна прецизност, задатак који ови магнети обављају није нимало лак.Циљ је, како је већ речено да се честице – протони убрзају до енергије од 7 TeV

по снопу и при тој енергији сударе. Током убрзавања енергија протона расте са почетне од 450 GeV, а магнетно поље које производе суперпроводљиви магнети расте од 0,54 Т до чак 8,3 Т. Како би сваки сноп протона имао енергију од по 7 TeV, енергија судара била би чак 14 TeV. На тој енергији честице би се кретале брзином која је за 3 m/s спорија од брзине светлости. Једном протону би било потребно 90 μs да пропутује целу цев, што значи да за секунду опише око 11 000 кругова. Интеракције између два снопа требале би се дешавати на сваких 25 ns.

Ипак, да би честице улетеле у акцелераторску цев LHC-а потребно их је пре тога убрзати у другим системима да би досегли почетну енергију (450 GeV). LHC заједно са овим акцелераторима чини велики акцелераторски систем. Пре свега честице се убацују у линеарни акцелератор који се зове LINAC 2 и који протоне убрза до енергије од 50 МeV. Уместо да ударе у мету на крају линеарне акцелераторске цеви, честице улећу у следећи акцелератор – синхротрон: PSB (Proton Synchrotron Booster). Он убрзава протоне до енергије од 1,4 GeV и даље их прослеђује у наредни акцелератор – PS (Proton Synchrotron) који их убрзава до 26 GeV. Пре самог уласка у цев LHC-а, протони пролазе кроз још један синхротрон SPS (Super Proton Synchrotron ) који их коначно убрза до 450 GeV. Убрзавање у овим акцелераторима пре убацивања у LHC је предвиђено да траје око 20 минута. У самом LHC-у честице се крећу од 10 до 24 сата, како би се повећале шансе за дешавање жељених реакција.

4.4. LHC експерименти

За велики хадронски колајдер везано је шест важних експеримената који повезују научнике и инжињере са института из целог света и доприносе откривању нечег новог и дубљем изучавању онога већ познатог. Два експеримента су велика и то су ATLAS и CMS, два средње величине: ALICE и LHCb, а два веома малих димензија названа TOTEM и LHCf. Комплекс свих акцелератора у CERN-у приказан је на слици 9.

ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus) је поред CMS-а (Compact Muon Solenoid) један од два најзначајнија детектора у LHC-у. Помоћу њега се истражују границе честичне физике, укључујући и потрагу за ,,божјом честицом’’ – Хигсовим бозоном, четвртом просторном димензијом и честицама које чине тамну материју свемира. У ATLAS-у се обављају бројна мерења честица креираних у LHC судару и утврђује се идентитет тих честица. Све ово могуће је захваљујући системима унутар самог ATLAS система који идентификују честице и мере им импулс и енергију. Да би добро функционисао, ATLAS је обезбеђен са врхунским компјутерским системом који за невероватно кратко време обрађује све податке који се добију у овом систему. Више од 2 900 научника из 172 института у 37 земаља раде на великом LHC експерименту – ATLAS-у.

CMS (Compact Muon Solenoid), баш као и ATLAS, има улогу великог детектора и исте циљеве као и он. Ипак, ATLAS и CMS не функционишу на исти начин. ЦМС детектор је саграђен око великог магнета који има облик соленоида. Магнет има облик цилиндричне завојнице направљене од суперпроводљивог кабла која генерише магнетно поље од 4 Т. Магнетно поље је ограничено челичним ,,јармом’’ који чини највећи део запремине детектора. Сам детектор тежи 12 500 тона. Оно што је карактеристично за CMS, а атипично за све остале експерименте, па и за сам LHC, јесте

18

http://en.wikipedia.org/wiki/Super_Proton_Synchrotron

http://en.wikipedia.org/wiki/Electron_volt




то да је направљен изнад земље. Ипак, касније су га спустили ниже, па се сада и он налази под земљом. На овом пројекту ради више од 2 000 научника из 155 института из 37 земаља.

ALICE (A Large Ion Collider Experiment) експеримент се бави сударањем оловних јона у нади да се у лабораторији створе исти услови какви су били одмах после Великог праска. Подаци прикупљени овим експериментом омогућавају физичарима да пручавају материју у форми кварк-глуонске плазме, за коју научници верују да је управо стање у ком се материја налазила после Великог праска. Како у сваком атомском језгру протоне и неутроне чине кваркови (елементарне честице од којих су изграђни хадрони) чврсто спојени честицом која их ,,лепи’’ и сходно томе носи име глуон, немогуће је изоловати сам кварк, а то је једна од ствари које научници желе да постигну ALICE експериментом. Судари иницирани у LHC-у досећи ће температуру која је више од 100 000 пута топлија од температуре средишта Сунца. Оно чему се физичари у CERN-у надају јесте да ће се под тим екстремним условима протони и неутрони ,,растопити’’, ослобађајући кваркове глуонских веза. То би требало да створи горе поменуто стање материје – кварк-глуонску плазму. Преко ALICE-а би се требало пратити ширење и хлађење ове плазме и стварање честица које данас чине материју Универзума. На овом експерименту ради преко 1 000 научника са 105 института из 30 земаља.

LHCb (Large Hadron Collider beauty) експериментом научници желе да истражују антиматерију, односно разлике између материје и антиматерије. Ова истраживања врше се захваљујући изучавању честице која се зове ,,лепи’’ кварк (beauty quark) или краће: b кварк. LHCb чини низ малих детектора постављених дуж путања честица. Први детектор постављен је веома близу места где би се судар честица требао десити, а сви остали су за по 20 метара међусобно удаљени. У току судара требало би да се добије огроман број различитих типова кваркова, који се одмах претварају у друге облике. Због тога је изузетно тешко ,,ухватити’’ b кварк, а управо се тиме баве научници LHCb детекторима. На овом пројекту ради 650 научника из 48 института из 13 земаља.

TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement) експеримент не бави се фундаменталним открићима као остали експерименти у оквиру LHC-а. Бави се пре свега мерењем величине протона и прецизним мотрењем на зрачење LHC-a. Да би то било успешно, потребно је да ТОТЕМ-ови детектори буду постављени веома близу сноповима које се убрзавају у LHC-у. Због тога су детектори смештени у посебне вакуумске цеви које се зову Романове цеви и које су повезане са главним акцелераторским цевима LHC-а. На овом експерименту ради 50 научника са 10 института из 8 земаља.

LHCf (Large Hadron Collider forward ) експеримент користи један део честица убрзаних LHC-ом као извор за симулацију космичког зрачења у лабораторијским условима. На овом експерименту ради 22 научника са 10 института из 4 земље.

10. септембра 2008. први пут је успешно покренут велики LHC. Нажалост, после девет дана његов рад је прекинут, због квара који је избио на једном од магнета проузроковавши експлозију хелијума која је оштетила 50 суперпроводљивих електромагнета и загадила вакуумску цев. Експеримент је поновљен 20. новембра 2009. године и протони су поново успешно убрзани. После три дана десио се и први прави судар два снопа протона икада. 20. марта 2010. постигнут је судар два снопа протона сваког енергије од 3,5 ТеV и тиме је постављен рекорд вештачки произведеног честичног судара највише енергије. Овим су научници који раде на LHC-у могли коначно започети истраживања, надајући се фундаменталним открићима помоћу LHC експеримената као плодовима свог рада. Велики сударач хадрона ће до краја 2012.

19


године убрзавати и сударати снопове протона енергија од по 3,5 TeV сваки, а потом ће га угасити на годину дана, како би га унапредили. Поновно кретање рада овог великог, ако не и највећег експеримента данашњице планирано је за 2014. годину.

Слика 9. Комплекс свих акцелератора у CERN-у

20


5. ЗАКЉУЧАК

Као што је већ речено на почетку овог рада, акцелератори спадају у најзначајније и најмонументалније инструменте модерне науке. Наишли су на велику примену у истраживачким радовима како у областима физике(нуклеарна физика, физика елементарних честица, производња изотопа и др.), тако и у другим научним дисциплинама попут медицине, где највећу примену имају у радиотерапији.

Електростатички акцелератори пронашли су своју примену првенствено у нуклеарним истраживањима (Ван де Граф-ов) и медицини (линеарни акцелератор). Поред тога, Кокрофт-Волтонов акцелератор се, као најпростији тип, користи на универзитетима широм света.

Далеко већу примену у односу на електростатичке имају електромагнетни акцелератори. Циклотрони су, на пример, баш као и линеарни акцелератори наишли на велику примену у медицини, а највише се помоћу њих убијају тумори у људском телу.

Најпопуларнији акцелератор – LHC, највећу примену остварује у оквиру истраживачких радова који се врше у CERN-у. Оно што научници који раде на експериментима везаним за њега покушавају да открију спада у нешто далеко озбиљније и занимљивије од свега што други акцелератори раде. Хигсов бозон, четврта просторна димензија, честице које чине тамну материју, стварање услова какви су били на Земљи непосредно након Великог праска, само су нека од открића која чекају да буду отркивена захваљујући LHC-у. Ни сами научници заправо још увек нису сигурни шта ће све открити ако експерименти на којима раде буду успешни. То ће бити фундаментална открића, открића која ће вероватно донети огромне промене свим пољима науке, као и генералном људском поимању света од кога смо настали и у коме живимо.

21


ЛИТЕРАТУРА

1. Maринков, Лазар. Основи нуклеарне физике, Универзитет у Новом Саду, департман за физику, Нови Сад, 2010.

2. Чалуковић, Наташа. Физика за четврти разред гимназије, Круг, Београд 2008.3. Humphries, Stanley, Jr. Principles of Charдed Particle Acceleration, John Wiley and

Sons, Њу Мексико, САД, 1999.4. Rigden, John S. Buildinд Blocks of Matter: A Supplement to the Macmillan

Encyclopedia of Physics, Macmillan Reference, Њујорк, САД, 2003.5. Das, A, Ferbel, T. Introduction to Nuclear and Particle Physics, World Scientific,

Сингапур, 2003.6. Hinterberger, F. Electrostatic accelerators, University of Bonn, Бон, Немачка, 2005.7. http://public.web.cern.ch (http://public.web.cern.ch/public/en/lhc/LHC-en.html),

10. 01. 2012.

22


БИОГРАФИЈА МАТУРАНТА

Валент Милица је рођена 22. априла 1993. године у Новом Саду. ОШ ,,Душан Радовић’’ у Новом Саду, завршила је 2008. године као носилац дипломе ,,Вук Стефановић Караџић’’. Исте године уписала је Гимназију ,,Јован Јовановић Змај’’ у Новом Саду, природно-математички смер, чији је тренутно матурант. Током школовања бавила се и ваннаставним активностима као што су учење страних језика и свирања у оркестру у оквиру КУД-а ,,Железничар’’. Жеља јој је да после гимназије упише физику на Природно – математичком факултету у Новом Саду.

23


Датум предаје матурског рада: ______________

Комисија:

Председник _______________

Испитивач _______________

Члан _______________

Коментар:

Датум одбране: _____________ Оцена__________ (___)

24

Download - akceleratori

Top Related