Виртуална визита на Церн

Ст. преп. Цеца Цолова Христова,

ПГ по КТС гр. Правец

CERN

„Европейската организация за ядрени изследвания“

(CERN) е най-голямата в света лаборатория по физика на

елементарните частици. Понякога се превежда като

Европейски Център за ядрени изследвания.

Името CERN произлиза от съкращението на френски език

“Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire”

( Европейски съвет за ядрени изследвания).

Церн е основан 1954г. и се намира на територията на 2

държави – Франция и Швейцария и е на 3 км западно от

летището на Женева.

Състав на Церн

CERN има 21 Страни членки: Австрия, Белгия, България, Чешката република,Дания,Финландия,Франция,Германия,Гърция,Унгария,Италия,Холандия, Норвегия, Полша, Португалия,Словакия, Испания, Швеция, Швейцария, Обединеното кралство, Израел.

Кандидати за членство в ЦЕРН: Румъния

Асоцииран член: Сърбия

8 Страни Наблюдатели: Индия, Израел, Япония, Руската федерация, САЩ,Турция, Европейската комисия и ЮНЕСКО

България получи пълноправно членство на 11 юни 1999 г.

CERN е работното място на приблизително 2,600 работници на пълно работно време също и на 8,000 учени и инженери.

1954 – зелените поляни край

Женева

ЦЕРН – в днешно време

Най-големият комплекс от ускорители в света

5

Вход “B” на Церн и кълбото на науката и

иновациите

Мисията на ЦЕРН

Разширяване границите на знанието – Например тайните

на Големия Взрив

Как е изглеждала материята в първите моменти от

съществуването на Вселената?

Развива нови технологии за ускорители и детектори

Информационни технологии

Уеб и ГРИД

Медицина – диагностика и терапия

Подготвя утрешните учените и инженери

Обединява хората от различни страни и култури

Изследване и Откритие

Напредъка Нашето разбиране на Вселената

Какво е маса?

Как е придобита?

Защо някой елементарни частици нямат маса?

От какво е направена 96% от Вселената(невидима материя/енергия)?

Фаворитизация на природата

Защо вече няма анти-материя?

Как изглеждала материята в първият миг от Вселената?

Неизследвани територии съобщение от петото измерение?

Комплексът от ускорители – важни

събития

1957г. – първият ускорител е пуснат в експлоатация 600 MeV

Synchrocyclotron (SC)

Енергиините параметри на SC са предложени от Енрико Ферми Дизайнът на SC е започнат през 1953г. (преди CERN да бъде поставен

до Женева)

Изграждането на SC започва през 1954г.

SC е пуснат в експлоатация 1957г.

Експерименталната програма започва през Април 1958г.

1967 – 1990 – захранва ISOLDE Synchrocyclotron – спрян след 33 години служба през 1990

1959 – Proton Synchrotron (PS) е пуснат в експлоатация

Първият синхротрон на CERN

По това време (1959) това е най-мощния ускорител в света

Изграден е от 277 електромагнита с конвенциално

охлаждане, включващи 100 диполни магнита

Наи-старият, все още действащ ускорител в CERN

Комплексът от ускорители – важни събития

10

Proton Synchrotron (PS)

Между 1970 и 1976 подава снопове от мюон неутрино за

Gargamelle Buble Chamber

Довежда до доказване съществуването на слаби неутрални

токове (weak neutral currents) 1973

Комплексът от ускорители – важни събития

11

1976 – Super Proton Synchrotron (SPS) е пуснат в

експлоатация

1984 – Nobel prize winners

Carlo Rubia & Simon van der Meer

(W & Z bosons)

Комплексът от ускорители – важни събития

12

1989 – Large Electron-Positron (LEP) е пуснат в експлоатация

1985 започват изкопните дейности по тунела

5176 магнита и 128/288 ускоряващи кухини

ALEPH, DELPHI, L3 and OPAL детектори

91 GeV / 1995 - 209 GeV

Комплексът от ускорители – важни събития

13

Low Energy Antiproton Ring (LEAR)

1995 – anti-hydrogen (Walter Oelert)

Съществуването на анти-частици е предположение изказано

от Пол Дирак през 1920

Комплексът от ускорители – важни събития

14

ЦЕРН – Комплекс от ускорители

Geneva Airport LHC accelerator

CERN Main site (CH) SPS accelerator

CERN 2nd site (F)

France

Switzerland

PS accelerator complex

15

▸ Протони ▸ Йони ▸ Неутрони ▸ Антипротони ▸ Неутрина ▸ Електрони

Снопове:

LHC – Голям Адронен Колайдер SPS – Супер Протонен Синхротрон PS – Протонен Синхротрон AD – Антипротонен деселератор CTF3 – Тестов Стенд за Експеримента CLIC CNGS – Неутринен сноп от ЦЕРН за Гран Сасо ISOLDE – Установка за изучаване на Ядрени Изотопи LEIR – Пръстен за Йони с Ниски Енергии LINAC 2 – Линеен Ускорител 2 N-TOF – Неутрона Установка

Ускорители

LINAC 2

16

Детектори във физиката на елементарните частици

П.Яйджиев – ИЯИЯЕ – БАН, Програма Български Учители - ЦЕРН 27.7 – 2.8.2014

17

Програма на LHC

Преминаване на частици през веществото

Детектори: ATLAS и CMS

Елементи на детектора CMS: Трекови детектори, Калориметри

Мюонни детектори

Да се намерят нови частици/ нови симетрии/

нови сили?

Произход на масата – Higgs бозон;

Суперсиметрични частици – частици на

тъмната материя?

Допълнителни размерности пространство-

време: гравитон?

Изучаване на СР нарушението;

Изучаване на кварк-глюонна плазма;

Неочаквани резултати.

Да се излезе извън SM

Програма на LHC Инструментариум

Ускорители - мощни машини, които

ускоряват частици до екстремно високи

енергии и ги сблъскват с други частици;

Детектори - гигантски инструменти, които

записват информацията от родените в

точката на сблъскване нови частици;

Компютърни системи – да събират,

съхраняват, анализират и разпространяват

огромното количество данни, произведени

от тези детектори;

Научни колективи – учени и инженери,

които да построят, поддържат и използват

тези комплексни машини.

18

LHC – CMS – запис на 1 събитие

CMS има около 100 милиона канала и прави „ цифрови“ снимки 40 милиона пъти в секунда! /цифрова камера ~ 20 милиона пиксела/

1 събитие

С повишаване на светимостта броят на събития по време на един интервал на сблъскване на протоните /25 наносекунди/ расте до 50

П.Яйджиев – ИЯИЯЕ – БАН, Програма Български Учители - ЦЕРН 27.7 – 2.8.2014

19

Технологично предизвикателство 1. ~ 1 милиард протон-протонни взаимодействия за 1 s Пакети, съдържащи 1011 протона, се пресичат 40 милиона пъти в центъра на всеки експеримент 2. Огромни потоци от вторични частици Хиляди частици пресичат детектора всеки 25 ns Голям брой канали ~ 100 милиона Голям брой информация (1 MB / 25 ns = 40 TB за 1 s) 3. Висока радиация от n и γ

LHC

Изисквания към детекторите Многоканален детектор Да покрива целия телесен ъгъл 4π Херметична калориметрична система Да регистрира направлението и идентифицира заряда и масата на всички частици Да измери техния импулс или енергия Мощна вътрешна трекова система Висока разделителна способност на електромагнитния калориметър Много добра мюонна идентификация и измерване на импулса Високо радиационно устойчиви материали

Големият Адронен Колайдер (LHC)

Най-бързата “писта” на планетата

Сноп от протони обикалят в LHC 11 245 пъти/s

16 microns диаметър на сечението на снопа от частици

99.9999991% от скоростта на светлината

600 милиона сблъсъка в секунда

Сноп от частици с най-високи енергийни нива в света – 4

TeV (7TeV)

Висока степен на вакуум (ultra-high vacuum – 10-13 atm)

20

П.Яйджиев – ИЯИЯЕ – БАН, Програма Български Учители - ЦЕРН 27.7 – 2.8.2014

21

Преминаване на частици през вещество Понастоящем за регистрация на частици се използват следните процеси при тяхното взаимодействие с веществото на детектора: 1. Електромагнитно взаимодействие (всички заредени + γ) 2. Силно взаимодействие (адрони, включително и неутралните – n ) 3. Слабо взаимодействие (нейтрино - ν)

Електромагнитна лавина

1. Масата (е) конвертира в енергия (γ) 2. Раждат се е+е- двойки

Χ0 - Радиационна дължина – средната

дължина на проникване във веществото преди да се предизвика ЕМ лавина само от електрони, позитрони и фотони

Чувствителен елемент

Чувствителен елемент

λ - Интеракционна дължина – средната

дължина на проникване във веществото преди да се предизвика адронна лавина

Адронна лавина

Раждат се различни частици -p, n,Π,ν,λ,Κ,Θ

ЕМ каскад Адронен каскад

Основни процеси при

преминаване на ел. Частици

през веществото на

детекторите

П.Яйджиев – ИЯИЯЕ – БАН, Програма Български Учители - ЦЕРН 27.7 – 2.8.2014

22

Елементи на детектор за елементарни частици на Compact Muon Solenoid - CMS LHC

Елементи на детектора CMS : 1.Треков детектор /траектория на заредените частици/ 2.Електромагнитен калориметър /ЕМ компонента на енергията на заредени частици и фотони/ 3. Адронен калориметър /енергия на заредени и неутрални частици/ 4. Мюонен детектор / траектория и време на прелитане на мюони -тригер/.

П.Яйджиев – ИЯИЯЕ – БАН, Програма Български Учители - ЦЕРН 27.7 – 2.8.2014

23

CMS

П.Яйджиев – ИЯИЯЕ – БАН, Програма Български Учители - ЦЕРН 27.7 – 2.8.2014

24

ATLAS

38 страни, 177 Института, 2800 учени и инженери, 1000 студенти

Основни съставни части на ускорител (LHC)

Приблизително 10 000 магнита

1232 dipoles, 15м дължина, 8.4 Tesla , 11 700 A

392 quadrupoles, 5-7м дължина

Енергия в магнитите : 10 GJ или 2.5 тона TNT

Работещ при температура малко над абсолютната нула (1.9 K)

26

Основни съставни части на ускорител

Високо честотни камери

(RF cavities)

/ 400MHz, 4.5K /

Вакуумни системи

/10-13 atm/

Основни съставни части на ускорител

Kриогенни инсталации

-193.2°C (80 K)

-271.3°C (1.9 K)

Електро трансформатори и

захранващи устройства

28

World Wide Web (WWW)

Тим Бърнърс-Лий, британски учен от CERN, изобрети World Wide Web (WWW) през 1989 г. Мрежата се заражда и развива, за да отговори на търсенето на автоматичен обмен на информация между учени в университети и институти от цял свят.

ВИДОВЕ ЧАСТИЦИ

Всички частици може да се разделят на две големи групи:

частици на материята – кварки и лептони;

частици на взаимодействията – бозони.

СТАНДАРТЕН МОДЕЛ

Веществото се

състои от 12

фундаментални

частици - фермиони

6 лептона ;

електрон, мюон, тау –

лептон и 3 вида

неутрино

6 кварки: u, d, s, c, b, t

ВИДОВЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

Четирите фундаментални взаимодействия са:

Гравитационно взаимодействие

Електромагнитно взаимодействие

Силно ядрено взаимодействие

Слабо ядрено взаимодействие

ТЕОРИЯТА НА ПИТЪР ХИГС

През 1964 г. Питър Хигс и негови колеги предлагат

хипотезата, че навсякъде в пространството съществува

едно поле (поле на Хигс) и всички елементарни частици

освен фотоните и глуоните заимодействат с него. В

резултат на това взаимодействие частиците получават

маса. Ако тази хипотеза е вярна, трябва да съществува

иелементарна частица, която да е свързана с това хигсово

поле, но не е самото поле. Тя е частица, която се ражда,

живее известно време и се разпада. С откриването на Хигс

бозона се изяснява, как по принцип частици без маса (с

нулева маса в покой) успяват да създадат маса в

материята.

"Божествената частица"

Грешни схващания, че:

има само един Хигс бозон

че той "дава" на частиците маси и

ще бъде открит около 125GeV от LHC.

Самата частица Хигс не "дава" маса на елементарините частици, тя е

кванта на полето на Хигс, тя е само вълничка, която зависи от времето

и пространството. Това, което дава маса на другите частици на

природата е полето на Хигс. Полето на Хигс има четири степени на

свобода (състояния), три от които взаимодействат с W и Z бозоните и

те придобиват маси. Останалата една степен на свобода е това, което се

представя като 125Gev Хигс бозон, който се търсеше в ЦЕРН е

страничен продукт, това, което е останало след като полето на Хигс си

е свършило работата. Хигс бозонът получава своята маса от механизма

на Хигс точно както W и Z бозоните.

Защо така се търсеше тогава бозона на Хигс? Много просто. Защото

ще е доказателство, че полето на Хигс съществува.

LHC – откриване на Higgs частицата!

37

“Аз видях надалече, защото стоях на раменете на гиганти” – Исак Нютон

ЦЕРН В ПЛАТФОРМАТА SCIENTIX И ПРОЕКТИТЕ НА

EUN - GO LAB И GLOBOL EXCURTION

HIGGS PARTICLE: Something very small that makes all the difference

http://www.vishub.org/excursions/560

Radioactivity Lab

http://www.golabz.eu/lab/radioactivity-lab

Minerva

http://www.golabz.eu/lab/minerva

Black-body Radiation Lab

http://www.golabz.eu/lab/black-body-radiation-lab

LHC Game

http://www.golabz.eu/lab/lhc-game

HY.P.A.T.I.A. - Hybrid Pupils' Analysis Tool for Interactions in ATLAS

http://www.golabz.eu/lab/hypatia-hybrid-pupils-analysis-tool-interactions-atlas

CERNLand

http://www.golabz.eu/lab/cernland

Ползвана литература:

www.cern.ch

Материали от HTS 2010

И

НАЦИОНАЛНА УЧИТЕЛСКА ПРОГРАМА „КВАЛИФИКАЦИЯ”

за учители по физика и астрономия и ст. експерти от РИО по природни науки -

ЦЕРН, Женева, Швейцария

27. 07. до 02. 08. 2014 г.

Благодаря Ви за вниманието!