Theory Danish (Denmark)

Relaterede dokumenter
Partikelacceleratorer: egenskaber og funktion

Tillæg til partikelfysik (foreløbig)

Vejledende opgaver i kernestofområdet i fysik-a Elektriske og magnetiske felter

Dansk Fysikolympiade 2015 Udtagelsesprøve søndag den 19. april Teoretisk prøve. Prøvetid: 3 timer

Fysik A. Studentereksamen. Torsdag den 27. maj 2010 kl

Danmarks Tekniske Universitet

Teknikken er egentlig meget simpel og ganske godt illustreret på animationen shell 4-5.

Fremtidige acceleratorer

Fysik A. Studentereksamen

Fysik A. Studentereksamen

Myonens Levetid. 6. december 2017

Partiklers energitab i boblekammer. Mads Sørensen, Jacob Svensmark og Rune Boas 27. marts 2006

Partikelacceleratorer Eksperimentalfysikernes Ultimative Sandkasse

Standardmodellen og moderne fysik

Relativitetsteori. Henrik I. Andreasen Foredrag afholdt i matematikklubben Eksponenten Thisted Gymnasium 2015

Til at beregne varmelegemets resistans. Kan ohms lov bruges. Hvor R er modstanden/resistansen, U er spændingsfaldet og I er strømstyrken.

Øvelsesvejledning: δ 15 N og δ 13 C for negle.

På jagt efter Higgs-bosonen

ELLÆRENS KERNE- BEGREBER (DC) Hvad er elektrisk: Ladning Strømstyrke Spændingsforskel Resistans Energi og effekt

Acceleratorer. Motivation for at bygge acceleratorer

Danmarks Tekniske Universitet

24 Jagten på de ekstra dimensioner

Øvelse 2: Myonens levetid

6 Plasmadiagnostik 6.1 Tætheds- og temperaturmålinger ved Thomsonspredning

LHC, Higgs-partiklen og et stort hul i Texas

Danmarks Tekniske Universitet

Undervisningsbeskrivelse

Theory Danish (Denmark) Ikke-lineær dynamik i elektriske kredsløb (10 point)

Rela2vitetsteori (iii)

Stern og Gerlachs Eksperiment

Hvorfor bevæger lyset sig langsommere i fx glas og vand end i det tomme rum?

Acceleratorer og detektorer

Undervisningsbeskrivelse

Røntgenspektrum fra anode

Teoretiske Øvelser Mandag den 28. september 2009

Løsninger til udvalgte opgaver i opgavehæftet

Lorentz kraften og dens betydning

Lagerringen ASTRID. ASTRID som elektronlagerring:

Higgs Hunting. Separation af Simulerede Data i Søgen efter Higgs-bosonen. Førsteårsprojekt i fysik ved Niels Bohr Instituttet i København.

Moderne acceleratorers fysik og anvendelse Q3,

Danmarks Tekniske Universitet

Dynamik. 1. Kræfter i ligevægt. Overvejelser over kræfter i ligevægt er meget vigtige i den moderne fysik.

Kernefysik og dannelse af grundstoffer. Fysik A - Note. Kerneprocesser. Gunnar Gunnarsson, april 2012 Side 1 af 14

Partikelfysikkens Hvad & Hvorfor

Velkommen til CERN. Enten p-p, p-pb eller Pb-Pb collisioner. LHC ring: 27 km omkreds. LHCb CMS ATLAS ALICE. Jørn Dines Hansen 1

Moderne Fysik 3 Side 1 af 7 Kvantemekanikken

Om stof, atomer og partikler. Hans Buhl Steno Museet Aarhus Universitet

Undervisningsbeskrivelse

Når enderne af en kobbertråd forbindes til en strømforsyning, bevæger elektronerne i kobbertråden sig (fortrinsvis) i samme retning.

Fysik A. Studentereksamen

Partiklers energitab ved passage gennem stof

ACCELERATORFYSIK. Bestem e/m og lær om Europas nye neutron- og røntgenkilde, ESS og MAX IV

Longitudinal dynamik: Indledning. Vi betragter her synkrotroner En synkrotron vil have en (el. flere) RF-kaviteter til acceleration

Marie og Pierre Curie

Moderne Fysik 8 Side 1 af 9 Partikelfysik og kosmologi

Kapitel 6. CERN og partikelfysikken. Af Peter Hansen. CERNs fødsel

Test af en simpel kvarkmodel for hadronmasser

Tillæg til partikelfysik

Theory Danish (Denmark)

Danmarks Tekniske Universitet

Dansk Fysikolympiade 2009 Landsfinale fredag den 21. november Teoretisk prøve. Prøvetid: 3 timer

Jesper, Emil, Mikkel, Michael 0 Elektroner i Boblekammer. 1 Forord 2. 2 Boblekammer 3

Protoner med magnetfelter i alle mulige retninger.

Danmarks Tekniske Universitet

Nr Isotoper fortæller om fortidens kost Fag: Fysik A/B, Biologi A/B Udarbejdet af: Ole Ahlgren, Rønde Gymnasium, april 2009

Moderne Fysik 1 Side 1 af 7 Speciel Relativitetsteori

Skriftlig Eksamen i Moderne Fysik

KØBENHAVNS UNIVERSITET NATURVIDENSKABELIG BACHELORUDDANNELSE

Atomer, molekyler og tilstande 1 Side 1 af 7 Naturens byggesten

5 Plasmaopvarmning. Figur 5.1. De tre mest anvendte metoder til opvarmning af fusionsplasmaer.

CERN og partikelfysikken Af Peter Hansen

Stoffers opbygning og egenskaber 2 Side 1 af 16 Elementarpartikler og partikel-bølge-dualiteten

Bevægelse i (lineære) magnetfelter

Strålings vekselvirkning med stof

ELEKTROMAGNETISME. "Quasistatiske elektriske og magnetiske felter", side Notem kaldes herefter QEMF.

Partikelbevægelser i magnetfelter

Appendiks 1. I=1/2 kerner. -1/2 (højere energi) E = h ν = k B. 1/2 (lav energi)

Lineær beamoptik 1. Vi starter med en meget kort repetition fra sidste gang. Derefter: Wille kapitel 3.1 til og med 3.6 (undtagen 3.

Mekanik Legestue I - Gaussriffel og bil på trillebane

OM ANTISTOF: HVORFOR ER HALVDELEN AF UNIVERSET FORSVUNDET?

DETTE OPGAVESÆT INDEHOLDER 5 OPGAVER MED IALT 11 SPØRGSMÅL. VED BEDØMMELSEN VÆGTES DE ENKELTE

Faldmaskine. , får vi da sammenhængen mellem registreringen af hullerne : t = 2 r 6 v

MODUL 5 ELLÆRE: INTRONOTE. 1 Basisbegreber

Naturkræfter Man skelner traditionelt set mellem fire forskellige naturkræfter: 1) Tyngdekraften Den svageste af de fire naturkræfter.

Absorption af Gammastråler i Vand og α strålers flyve længde i tågekamre

Heisenbergs Usikkerhedsrelationer Jacob Nielsen 1

Lys fra silicium-nanopartikler. Fysiklærerdag 22. januar 2010 Brian Julsgaard

KONDENSATORER (DC) Princip og kapacitans Serie og parallel kobling Op- og afladning

Mads Toudal Frandsen. origins.net. Mørkt Stof 4% Dark. Dark 23% 73% energy. ma)er

Vejledning til Betastrålers afbøjning

Bottomonium (Υ) Partikelresonanser i myonparproduktion

Undervisningsbeskrivelse

Undervisningsbeskrivelse for: gsfya403 S13/14 Fysik B->A, STX

Den specielle rela2vitetsteori

Mælkevejens rotation

KØBENHAVNS UNIVERSITET NATURVIDENSKABELIG BACHELORUDDANNELSE Skriftlig prøve i Fysik 4 (Elektromagnetisme) 27. juni 2008

Moderne acceleratorers fysik og anvendelse Forelæsning 8a Linac s. Tak til Lars Præstegaard, som jeg har stjålet en del slides fra

Strålingsbeskyttelse ved accelerationsanlæg

Undervisningsbeskrivelse

Transkript:

Q3-1 Large Hadron Collider (10 point) Læs venligst de generelle instruktioner fra den separate konvolut, før du starter på denne opgave. Denne opgave handler om fysikken bag partikelacceleratorer LHC (Large Hadron Collider) ved CERN. CERN er er det største partikelfysiklaboratorium i verden. Hovedformålet med CERN er at få indsigt i de grundlæggende naturlove. To stråler af partikler accelereres til høje energier og ledes rundt i en acceleratorring ved hjælp af kraftige magnetfelter, hvorefter de bringes til at kollidere med hinanden. Protonerne er ikke jævnt fordelt rundt i acceleratoren, men er samlet i bundter. De partikler, der dannes ved kollisionerne studeres ved hjælp af detektorer. Nogle værdier for LHC kan ses i tabel 1. LHC ring Omkreds af ringen 26659 m Antal protonbundter i hver stråle i ringen 2808 Antal protoner i hvert bundt 1, 15 10 11 Protonstrålerne Energi af protoner 7, 00 TeV Center-of-mass energi 14, 0 TeV Tabel 1: Typiske numeriske værdier for relevante LHC parametre. Partikelfysikere benytter nogle praktiske enheder for energi, impuls og masse: Energien måles i elektronvolt [ev]. Pr. definition er 1 ev den energi som en partikel med elementarladningen e får ved at gennemløbe et spændingsfald på 1 V (1 ev = 1, 602 10 19 kg m 2 /s 2 ). Impulsen (bevægelsesmængden) måles i enheden ev/c og massen måles enheden ev/c 2, hvor c er lysets fart i vakuum. Da 1 ev er en meget lille energimængde, benytter partikelfysikere ofte MeV (1 MeV = 10 6 ev), GeV (1 GeV = 10 9 ev) eller TeV (1 TeV = 10 12 ev). Del A omhandler acceleration af protoner eller elektroner. Del B omhandler identifikation af partikler dannet ved kollisioner i CERN. Del A. LHC acceleratoren (6 point) Acceleration: Antag, at protonerne er blevet accelereret af et spændingsfald V, så deres fart er meget tæt på lysets fart, og at man kan se bort fra energitab i form af elektromagnetisk stråling og kollisioner med andre partikler. A.1 Udled et eksakt udtryk for slutfarten v af protonerne som funktion af accelerationsspændingen V og fysiske konstanter. 0.7pt I et fremtidigt eksperiment ved CERN planlægger man at benytte protoner fra LHC til kollisioner med elektroner som har en energi på 60, 0 GeV.

Q3-2 A.2 For partikler med med store energier og små masser vil den relative afvigelse Δ = (c v)/c af slutfarten v fra lysets fart være meget lille. Udled en førsteordens tilnærmelse til Δ og beregn størrelsen af Δ for elektroner med en energi på 60, 0 GeV. 0.8pt Vi vender nu tilbage til at betragte protonerne i LHC. Antag, at strålen af protoner har et cirkulært tværsnit. A.3 Udled et udtryk for størrelsen af det homogene magnetfelt, B, som er nødvendigt for at holde protonerne på plads i deres cirkelbane. Svaret skal kun indeholde energien E af protonen, omkredsen af banen L, grundlæggende konstanter og rene talværdier. Du kan benytte passende tilnærmelser, hvis det ikke har indflydelse på det sidste betydende ciffer i svaret. Beregn størrelsen af B for en proton med energien E = 7, 00 TeV. Du kan se bort fra vekselvirkning mellem protonerne. 1.0pt Udstrålet effekt: En accelereret, ladet partikel udstråler energi i form af elektromagnetisk stråling. Den udstrålede effekt P rad for en ladet partikel der bevæger sig i en cirkel med konstant vinkelhastighed afhænger kun af størrelsen af partiklens acceleration a, ladningen q, lysets fart c og vakuumpermittiviteten ε 0. A.4 Benyt dimensionsanalyse til at finde et udtryk for den udstrålede effekt P rad. 1.0pt Den korrekte formel for den udstrålede effekt indeholder talfaktoren 1/(6π); Desuden giver en relativistisk udledning yderligere en faktor γ 4 på ovenstående resultat, hvor γ = (1 v 2 /c 2 ) 1 2. A.5 Beregn den samlede udstrålede effekt P tot fra LHC når den kører med protonenergien E = 7, 00 TeV (Bemærk tabel 1). Du kan benytte passende tilnærmelser. 1.0pt Lineær acceleration Ved CERN accelereres protonerne fra hvile i en lineær accelerator med længden d = 30, 0 m af en spændingsfald på V = 500 MV. Antag, at det elektriske felt er homogent. En lineær accelerator kan antages at bestå af to opladede metalplader, som vist på Fig. 1. A.6 Beregn den tid T det tager for protonerne at passere igennem det elektriske felt. 1.5pt

Q3-3 d + - V Figur 1: Skitse af den lineære accelerator.

Q3-4 Del B. Partikelidentifikation (4 point) Flyvetid: Det er vigtigt at kunne identificere de energirige partikler, der dannes ved kollisionerne, for at kunne forstå de grundlæggende vekselvirkninger. En simpel metode er at måle den tiden t som en partikel med kendt impuls er om at gennemløbe stræningen l i en såkaldt flyvetids- detektor. Nogle typiske partikler, som kan identificeres med denne type detektor og deres masser er angivet i tabel 2. Partikel Masse [MeV/c 2 ] Deuteron 1876 Proton 938 Ladet kaon 494 Ladet pion 140 Elektron 0, 511 Tabel 2: Partikler og deres masser. y masse m impuls p x tid t 1 længde l tid t 2 Figur 2: Skitse af en flyvetids-detektor B.1 Udled en formel for partiklens hvilemasse m udtrykt ved lysets fart, impulsen (bevægelsesmængden) p, flyvelængden l og flyvetiden t. Antag, at partiklen har ladningen e og bevæger sig med fart tæt på lysets i en ret linje igennem flyvetids-detektoren. Antag også, at den bevæger sig vinkelret på de to detektorplaner (se figur 2). 0.8pt

Q3-5 B.2 Beregn den mindste længde l af en flyvetids-detektor, hvor man med sikkerhed kan skelne mellem en ladet kaon og en ladet pion, givet at begge partiklers impuls (bevægelsesmængde) er målt til 1, 00 GeV/c. Kravet til sikkert at kunne skelne er, at forskellen i flyvetid er større end tre gange tidsopløsningen af detektoren. Den typiske tidsopløsning i en flyvetids-detektor er 150 ps (1 ps = 10 12 s). 0.7pt I det følgende ser vi på detektionen af partikler i en typisk LHC- detektor. Detektionen foregår i to trin (en spor-detektor og en flyvetids-detektor). Fig. 3 viser forsøgsopstillingen dels set som et tværsnit af partikelstrålen, dels set fra siden, parallelt med partikelstrålen. Begge de nævnte detektorer er cylinderformede og omgiver det område hvor partikelreaktionerne finder sted. Partikelstrålen er i midteraksen. Spor-detektoren måler banen af den ladede partikel, som bevæger sig i et magnetfelt, der er parallelt med protonstrålen. Kendskab til radius r af partiklens bane gør det muligt at bestemme impulsen vinkelret på protonstrålen, p T. Da tidspunktet for kollisionen er kendt, behøver flyvetids-detektoren kun én tidsmåling for at bestemme flyvetiden fra kollisionspunktet ved midteraksen til flyvetids-detektoren. Flyvetids-detektoren er placeret umiddelbart udenfor spor-detektoren. I denne delopgave kan du antage, at alle partikler dannet i kollisionen bevæger sig vinkelret på protonstrålen. Dette betyder, at ingen af de dannede partikler har impuls (bevægelsesmængde) langs med protonsstrålen.

Q3-6 y x (2) y z (2) (1) (4) (4) (3) R (1) (5) (3) (5) (4) tværsnitsbillede tværsnit af billede set fra siden langs med strålen (1) (1) - Flyvetids-detektor cylinder (2) - partikelspor (3) - det punkt hvor kollisionen finder sted (4) - spor-detektor (5) - proton-stråler - magnetfelt Figur 3 : Eksperimentel opstilling til identifikation af partikler med en spor-detektor og en flyvetids-detektor. Begge detektorer er cylinderformede og omgiver kollisionsområdet i midten. Venstre: Tværsnit vinkelret på partikelstrålen. Højre : set fra siden parallelt med protonstrålen. Den dannede partikel bevæger sig vinkelret på protonstrålens retning. B.3 Udtryk den dannede partikels masse ved størrelserne magnetfeltet B, radius R af flyvetids-detektorcylinderen, grundlæggende konstanter og de målte størrelser: baneradius r af partikelsporet og flyvetiden t af den dannede partikel. 1.7pt Der er detekteret følgende fire partikler, og vi ønsker at identificere dem. Størrelsen af magnetfeltet i spor-detektoren var B = 0, 500 T. Radius R af flyvetids-detektorrøret var 3, 70 m. Herunder er måleresultaterne (1 ns = 10 9 s): Partikel Baneradius r [m] Flyvetid t [ns] A 5, 10 20 B 2, 94 14 C 6, 06 18 D 2, 31 25

Q3-7 B.4 Identificér de fire partikler ved at bestemme deres masser. 0.8pt