Acceleratorer og detektorer

Transkript

1 Børge Svane Nielsen, Niels Bohr Institutet Acceleratorer og detektorer CERN, 16. marts 2016 Børge Svane Nielsen, Niels Bohr Institutet, København

2 Naturens byggestene Børge Svane Nielsen, Niels Bohr Institutet 50 μm m 5 nm m 0.1 nm m x x 50 CELLER Tyve per mm DNA To hundrede tusinde per mm ATOMER Ti millioner per mm Optisk mikroskop Elektronmikroskop AFM mikroskop 5 fm m < 1 am m x x ATOMKERNER To hundrede milliarder per mm Kvarker Mere end en million milliarder per mm Partikelacceleratorer

3 Standardmodellen Børge Svane Nielsen, Niels Bohr Institutet Stofpartikler Kraftpartikler 125 +antipartikler

4 Forklarer Standardmodellen alting? Eksempler på, hvad vi ikke kan forklare: Hvad er 95% of Universet lavet af? (mørkt stof og mørk energi) Hvorfor vejer partikler så forskelligt? Hvorfor er der mere stof end antistof? Hvordan kan vi forstå gravitation? Hvad er naturen af ursuppen? Kvark-gluon plasma Supersymmetri Små sorte huller Ekstra dimensioner Ekstra universer..

5 Børge Svane Nielsen, Niels Bohr Institutet LHC acceleratoren ved CERN

6 E = m c 2 eller E kt Kollisioner af protoner eller tunge atomkerner 1. Omdanner kinetisk energi til stof (masse) 2. Skaber høje stoftætheder ( Mini-Big Bang ) Creation of Matter E=14 TeV m= m p T 1, K

7 Acceleratorer og kollisions-eksperimenter p p p 14 TeV p ca. 40 sammenstød per bundt 25 nsek mellem bundter Pb 1150 TeV Pb ca udsendte partikler per sammenstød

8 Large Hadron Collider Partikerne bevæger sig med % af lysets hastighed. Proton-proton kollisioner med svimlende energi: ev Svarende til energien af en myg i bevægelse! Franske alper Genève søen (Lac Léman) Genève CERN LHCb ATLAS Pakker med 100 milliarder partikler kollisioner i sekundet! Energien i alle partikler tilsammen er som et eksprestog i fart! CMS ALICE 100m 8

9 Børge Svane Nielsen, Niels Bohr Institutet CMS Eksperimenterne LHCb ALICE ATLAS 9

10 CERNs accelerator kompleks 10

11 Eksperimenterne/detektorerne Til verdens største mikroskop LHC behøves verdens største superkameraer 3-d Ultra-præcise: Bedre end tykkelsen af et hår Ekstremt hurtige: 40 millioner billeder per sekund Kæmpestore: Skal kunne analysere partikler med høj energi Eksperimenterne: ATLAS, ALICE, CMS og LHCb 11

12 ATLAS eksperimentet ATLAS eksperimentet ved LHC 12

13 En Higgs boson fanget i ATLAS p p H + jet +... Z + Z µ + µ - e + e - Mere besværlig: H W + + W - µ + ν e - ν

14 Find Holger/Higgsen i høstakken Det ser jo nemt ud... ikke? sammenstød per sekund (1,5 x ) sammenstød per år Alle analyseres på computer. Teorien siger: 150 rigtige Higgser produceret + tusindvis af falske, der ligner

15 En Higgs i en høstak...? Børge Svane Nielsen, Niels Bohr Institutet

16 Hvordan laver man Universets urstof? Stof findes i flere faser e-plasma neutron stars quark-gluon plasma Er det muligt at smelte atomkerner? Hvis vi kan gøre det, kan vi forstå det meget tidlige Univers Varme + tryk: Blykerner i en accelerator!

17 Tunge ioner i LHC 1150 TeV 208 Pb 208 Pb kollision? superkerne med høj energi smelter kernepartiklerne sammen til et kvark-gluon plasma (QGP)? mini Big Bang

18

19 Et af de første Pb-Pb sammenstød set i ALICE Et af de første Pb-Pb sammenstød ved 1 PeV set i ALICE

20 ALICE Detector: Size: 16 x 26 meters Weight: 10,000 tons Collaboration: > 1000 Members > 100 Institutes 20 > 30 countries

21

22

23

24 ATLAS udsnit LHC detektorerne: ATLAS og CMS Udnytter flere af partiklernes vekselvirkninger med stof efter hinanden for at identificere hver af partiklerne: Startpunkt + multiplicitet + sporing + identifikation + stopning +...

25 Pb-Pb sammenstød, 574 TeV, set i ALICE Børge Svane Nielsen, Niels Bohr Institutet

26 ALICE Time Projection Chamber Active volume 88 m 3 Gas Ne/CO 2 /N 2 90/10/5 Drift field 400V/cm Gas gain >10 4 Position resolution σ= 0.25mm Diffusion: σ t = 250µm cm Pads inside: 4x7.5mm Pads outside: 6x15mm B-field: 0.5T 26

27 ALICE de/dx identifikation i TPC Børge Svane Nielsen, Niels Bohr Institutet

28 ALICE Time Projection Chamber

29 TPC laser kalibration Børge Svane Nielsen, Niels Bohr Institutet

30 TPC laser kalibration 336 laserstråler in TPC μj/pulse, 1 mm 266 nm, 100 mj/pulse, 5 ns pulse, 25 mm 1.5 mm 25 mm

31 Optiske komponenter indeni TPC volumenet Børge Svane Nielsen, Niels Bohr Institutet

32 FMD: Silicium strip detektor FMD1 FMD2 FMD3 3 indre ringe: 20 φ sektorer, 512 strips 2 ydre ringe: 40 φ sektorer, 256 strips Total 51,200 strips

33

34

35 Godt vi har computere i venstre del er en masse uinteressante partikelspor fjernet for at øjet kan se, hvad computeren har fundet: Ξ Λπ

36 op til partikler produceres i hver kollision i ALICE kollisioner per sekund sekunder hvert år => Millioner af Gigabytes = PETABYTES at lagre og analysere Børge Svane Nielsen, Niels Bohr Institutet Privat globalt netværk: GRID 4 eksperimenter tilsammen: omkring 700 MB/sek = 1 CD per sekund omkring 15 PB/år = 20 km høj stak af CD er per år

37 Højteknologisk spin-off Stråleterapi med acceleratorer: elektroner røntgen protoner kulstof-ioner anti-protoner?? Acceleratorens teknik Vakuumteknik Superledende magnetteknik Højfrekvent højspænding Kontrolsystemer 37

38 Højteknologisk spin-off (2) Detektorernes teknik Røntgenkameraer Partikeldetektorer Hurtig elektronik Databehandling MRI PET CAT...