LHC. Gökhan Ünel - Univ. CaIifornia at Irvine. 04 Nisan 2010

Transkript

1 LHC Gökhan Ünel - Univ. CaIifornia at Irvine 04 Nisan

2 LHC makinası Large Hadron Collider 2 Lake of Geneva CMS LHC tünelinde daha önce LEP e + e - çarpıştırıcısı vardı. LHC de proton ve ağır iyon çarpışmaları olacak: pp s = TeV L initial < few x LHCb cm -2 s -1 (2009 dan sonra) s = 14 TeV L design = cm -2 s -1 ALICE Heavy ions (2012/3 dan sonra) ATLAS (e.g. Pb-Pb at ~ 1150 TeV) Airport Large Hadron Collider (LHC) çevre uzunluğu 27 km olan halka tipi bir çarpıştırıcıdır. Genevre yakınlarında yerin 7 yaklaşık 100m altında bir tünelde barınır.

3 Hedef : Lumi=10 34 Demet-demet etkileşmeleri proton / bohça Lumi / bohça = > 2808 bohça gereklidir bohçalar arası 7.5 m 7 TeV, 0.5A/demet => 350 MJ/demet 3 3lü mıknatıslarla son focus (triplets) bohça arası=25 ns, bohçaları ayırmak için açılı çarpışma yapılır. (boru içinde p-p aralığı 194mm) etkileşme noktasında demet boyu 16μm, açısı 300 μrad. bu etkileşme noktasına ~24m uzaklıktaki üçlü mıknatıs triplet ile yapılır.

4 LHC hızlandırıcı complex tamamı 4 Linac Booster LHC haklası 8 bölgeye ayrılmıştır PS SPS LHC CERN hızlandırıcı düzeneği > 50 yıldır 9 çalışıyor

5 LHC nin yapısı slide borrowed from Lynn Evans5

6 6 LHC genel bilgiler 4.6 milyar CHF atm boşluk toplam mıknatıs sayısı: süper-iletken dipole mıknatıs aslında bir boru içinde 2 mıknatıs, arası 56mm!!! 11 protonlar saniyede tur atarlar

7 LHC hızlandırıcı zorluk: Dipol Mıknatıslar 7 uzunluğunda 35T ağırlığında Evrendeki en cool halka? 1.9 K (CMBR yaklaşık 2.7 K) LHC mıknatısları yüksek-basınçlı superakışkan helium ile soğutulurlar. Gereken dipol manyetik alan enerjiye ters, yarıçapa düz oranlıdır. p = 7 TeV ve R = 4.3 km ise: B = 8.4 T gereklidir. Akım A ancak süperiletkenlikle sağlanır.

8 süperiletkenler ve soğutma km Nb-Ti superiletken kablo kullanıldı. Nb-Ti 10 K de superiletken olmaya başlar verebileceğimiz max akım bellidir; kabloların kesit alanı bellidir --> istediğimiz ısı bulunur. ker hablo: 36 sarım km sarım her sarım: 6400 tek tel 1.9K e 3 adımda erişilir. 300->80K: T sıvı N ile He soğutulur. 80->4.5K: sıvılaşan He mıknatısların içine yollanır. 4.5->1.9K: son soğutma (supek akışkanlık için) bu soğukluk için yaklaşık 170 kw güç gerekir. Genevre kantonu=120mw her tel: 7μm çap

9 10 Eylül 2008: LHC çalışmasının ilk günü 9 ilk (tek) demetler halka içinde döndüler Tasarımdan gerçekleşmeye kadar görev alan 5 CERN müdürü: Schopper, Rubbia, Llewellyn Smith, Maiani, Aymar (sağdan sola) 14

10 İlk Tur: 10 Eylül sabah 10:30 da ALICE deneyi yakınındaki bir ekranda görülen 2 dairesel iz, DEMET 1 in 1 defa döndüğünü gösterdi 09:30: Çalışmalar başlıyor 10:30: Demet 1 (saat yönü) dönüşü tamamlıyor 15:00: Demet 2 (ters saat yönü) dönüşü tamamlıyor 22:00: Demet 2 yüzlerce defa dönüyor demet enerjisi: 450 GeV, demet yoğunluğu: 2 x 10 9 proton / bohça

11 Demetler superiletken Radyo-Frekansı (RF) kovuklar tarafından hızlandırılır 11 proton makinelerinde hızlanma dert olmaz. Sinkrotron ışınımından doğan enerji kaybı ~ 1/m 4 [~ E 4 beam/rm 4 ] LHC at 7 TeV LEP at 100 GeV Synchrotron radiation loss 6.7 kev/turn 3 GeV/turn Peak accelerating voltage 16 MV/beam 3600 MV/beam 12

12 RF yakalanması 12 Eğer frekans ve faz doğru tutulursa, parçacıklar bohça içinde kalmaya devam ederler yoksa dağılırlar.

13 LHC de RF ile protonların yakalanması RF yok, bohçanın bozulması ~ 25*10 tur aldı, yani yaklaşık 25 ms İlk yakalama denemesi, yanlış faz Yakalama, birinci dereceden düzeltilmiş injection fazıyla. Tam yakalama, tam doğru injection fazıyla. 13 Courtesy E. Ciapala her satır 1 LHC turu, zaman yukarı doğru

14 14 25 ns Event rate: N = L x σ (pp) 109 interactions/s Mostly soft (low p T ) events Interesting hard (high-p T ) events are rare

15 Etkileşme noktası 15 Nearly all the parameters are variable (and not independent) Number of par:cles per bunch Ν Number of bunches per beam k b Intensity Rela:vis:c factor (E/m 0 ) γ Energy Normalised emi@ance ε n Beta func:on at the IP β * Crossing angle factor F Full crossing angle θ c Bunch length σ z Transverse beam size at the IP σ * Interaction Region

16 son birkaç ay 16 Tarih Gün Başarılanlar 20 Kasım 1 Her 2 demet de döndü. Demet ölçüm aletlerinin çalış<ğı gösterildi. 23 Kasım 4 İlk çarpışmalar, 450 GeV de. İlk enerji arhrımı (560 GeV e ulaşıldı). 29 Kasım TeV e çıkıldı. 30 Kasım 11 Deneylerin solenoid mıkna<sları açıldı. 4 Aralık 15 LHCb & ALICE dipolleri açık. 5 Aralık 16 LHC korunma sistemi (InjecZon, Beam dump, Collimators) çalışmaya hazır. 6 Aralık 17 KARARLI DEMETLERLE ilk çarpışma, 4 e 4 bohçalar 450 GeVde, 1Hz de çarpışmalar. 8 Aralık 19 Çarpışan demetleri 1.18 TeV e çıkar<lıyor. 11 Aralık 22 KARARLI DEMETLERLE, 4 e 4 bohçalar 450 GeV de > p/ bohça, 10Hz de çarpışma 13 Aralık 24 2 bohça/ demet ile 1.18 TeV e çıkarıldı. Çarpışmalar 90 dakika sürdü. 14 Aralık 25 KARARLI DEMETLERLE, 16 ya 16, 450 GeV, > p/ bohça, 50Hz de çarpışma. 16 Aralık 27 4 e 4 bohçalar 1.18 TeV e çıkarıldı çalışmalarının sonu 22 Şubat 1 LHC yeniden başlıyor. 19 Mart 26 Demet enerjisi 3.5 TeV e çıkarıldı, yeni dünya rekoru. 30 Mart TeV de ilk çarpışmalar (2 ye 2 bohça)!!!!

17 30 Mart Demet özellikleri proton /demet 2 bohça /demet 3.5 TeV /demet 100saat /demet 13:06 da ilk 3.5 TeV de çarpışmalar elde edildi. I D =6000A σ x =47μm σ y =67μm σ z =2.1mm L=10 27 /cm 2 /s Daha sonra yapılanlar ışınlık taraması demet sıkıştırması

18 18 Teşekkürler Sorular Yedekler

19 ee mi yoksa pp mi? 19 çok güçlü algıçlar gerekir. Elektronlar (pozitronlar) noktasal parçacıklar olup iç yapıları yoktur. Hızlandırıcının enerjisi, yani 2 defa demet enerjisi tamamen çarpışmaya aktarılır. Ecoll= Eb1+ Eb2= 2Eb İyi: Çarpışma enerjisi hassas olarak belli bir kütle bölgesine ayarlanabilir (Z). hassas ölçüm (LEP) Kötü: Bir enerjiden sonra çok fazla synchrotron ışınımı olduğu için, elektron kullanmak etkin olmuyor Protonlar (antiprotonlar) gluonlar tarafından bir arada tutlan quarklardan (uud) oluşurlar. Demetlerin enerjileri protonun yapıtaşları tarafından taşınır. Çarpışmayı aslında proton değil yapıtaşlarından biri yapar: Ecoll < 2Eb İyi: tek bir demet enerjisiyle farklı süreçlerli ve farklı kütleleri taramak mümkündür. Keşif makinesi (LHC) Kötü: Çarpışmaya aktarılabilen enerji hızlandırıcı enerjisinden azdır ve bütün süreçlerin büyük bir ardalanı olur.

20 LHC Deneyleri 20 İlk çarpışmalar Kasım 2009 da bekleniyor. CMS: general purpose 2900 Physicists 184 Institutions 38 countries 550 MCHF TOTEM ATLAS general purpose 2800 Physicists 169 Institutions 37 countries 550 MCHF ALICE: Heavy Ions 1000 Physicists 105 Institutions 30 countries 150 MCHF LHCb: B-physics, CP-violation 700 Physicists 52 Institutions 15 countries 75 MCHF Plus two much smaller experiments with very forward detectors at Point-1: LHCf Point-5: Totem

21 Tesir kesitleri ve üretim hızları 21 L = cm -2 s -1 ile: (LHC) Inelastic proton-proton reactions: 10 9 / s bb pairs / s tt pairs 8 / s W e ν Z e e 150 / s 15 / s Higgs (150 GeV) 0.2 / s Gluino, Squarks (1 TeV) 0.03 / s LHC bir fabrikadır: top-quarks, b-quarks, W, Z,. Higgs, Zorluk: bütün bu parçacıkları algılamak lazım! 31

22 LHC ve başka projeler 22 tahmin edilen ömür LHC ~20 yıl uçak gemisi ~25yıl Aya yolculuk 100Milyar $ 4 yıl boyunca

23 sayılarla LHC 23 Feature Number Equivalent Circumference ~ 27 km Distance covered by beam in 10 hours Number of times a single proton travels around the ring each second Speed of protons first entering the LHC Speed of protons when they collide ~ 10 billion km m/s m/s a round trip to Neptune % of the speed of light % of the speed of light Collision temperature ~ C over one billion times hotter than the centre of the Sun Operating temperature of the superconducting magnets Amount of helium needed to cool down the facility Number of leak-tight pipe junctions necessary to keep the helium cold Volume of the insulating vacuum around the superconducting magnets Pressure inside the beam vacuum pipe 1,9 K (-271,3 C) ~ 120 t ~ ~ m3 Electrical power consumption ~ 120 MW colder than outer space (which is 2.7 K, or C) the volume of the nave of a cathedral ~ atm one tenth of the pressure at the surface of the moon twice the power generated by the Rolls Royce 900 engine of an Airbus A380 when the plane is at cruising speed

24 sözlük 24 Ingilizce Tarzanca Türkçe bunch paketçik bohça detector dedektör algıç calibration kalibrasyon ayarlama alignment? hizalama background fon ardalan collimator? eşçizgileyici Parçacık Fiziği: Maddenin temel yapıtaşlarını ve bunların etkileşmelerini anlamaya ve deneysel gözlemleri bunlarla açıklayan bilim dalı.

25 ilginç bağlantılar