Wprowadzenie do CERN-u 3 wrzesień 2013

Andrzej Skoczeń AGH WFiIS KOiDC, CERN TE-MPE-EP

Przy udziale materiałów przygotowanych przez: Piotr Golonka, CERN EN/ICE-SCD http://cern.ch/Piotr.Golonka/Outreach/

Użytkowanie i kopiowanie dozwolone na warunkach licencji CC-BY (Creative Commons Attribution)

Czym jest CERN? Największe na świecie laboratorium fizyczne

CERN jest międzynarodowym laboratorium, gdzie naukowcy wspólnie poszukują odpowiedzi na fundamentalne pytania dotyczące elementarnych “cegiełek” materii i natury sił jakimi między sobą oddziałują

Dlaczego Wszechświat działa właśnie tak? Z czego jest zbudowany?

Co oznacza skrót „CERN” ?

CERN: European Organization for Nuclear Research – (oryg. fr): “Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire”  Słowo “Nuclear” (nuklearny, jądrowy) – czysto historyczne: – W czasie gdy zakładano CERN, wyzwaniem dla fizyków było zrozumienie wnętrza atomu → jądra atomowego – W niedługim czasie nauka zgłębiła tę tajemnicę i posunęła się dużo głębiej, ku mniejszym składnikom i wyższym koncentracjom energii – Często spotykane:  "Europejskie laboratorium fizyki cząstek elementarnych"  “Europejskie laboratorium fizyki wysokich energii”

Urządzenia CERN-u Aby odpowiadać na takie pytania wysiłek ludzi w CERN-ie zmierza do budowy, utrzymania i operowania unikalnymi urządzeniami badawczymi jakimi są akceleratory cząstek elementarnych: Liniac 2 - 50 MeV. Proton Synchrotron Booster (PSB) - 1.4 GeV, Proton Synchotron (PS) - 25 GeV, Super Proton Synchotron Large Hadron Collider (LHC) – 4 TeV, Antiproton Decelerator (AD), Online Isotope Mass Separator (ISOLDE), CERN Neutrinos to Gran Sasso (CNGS), Compact Linear Collider (CLIC) – testy dla przyszłego projektu ILC, neutron Time-Of-Flight (nTOF).

Urządzenia CERN-u Akceleratory te dostarczaja rozpędzonych czastek do innych urzadzeń zwanych eksperymentami lub „detektorami”: ATLAS (LHC) - A Toroidal Large ApparatuS CMS (LHC) - Compact Muon Solenoid LHCb (LHC) - Large Hadron Collider beauty ALICE (LHC) - A Large Ion Collider Experiment TOTEM (LHC) - TOTal Elastic and diffractive cross-section Measurement LHCf (LHC) - Large Hadron Collider forward MOEDAL (LHC) - MOnopole and Exotics Detector At the LHC COMPASS (SPS) - Common Muon and Proton Apparatus for Structure and Spectroscopy NA61/SHINE (SPS) - SPS Heavy Ion and Neutrino Experiment DIRAC (PS) - Dimeson Relativistic Atom Complex CLOUD (PS) - Cosmics Leaving OUtdoor Droplets ACE, (AD) - Antiproton Cell Experiment AEGIS, (AD) - Antihydrogen Experiment: Gravity, Interferometry, Spectroscopy ALPHA, (AD) – nastęca eksperymentu ATHENA ASACUSA (AD) - Atomic Spectroscopy And Collisions Using Slow Antiprotons ATRAP (AD) - Antihydrogen TRAP CAST (Słońce)- CERN Axion Solar Telescope AMS (International Space Station) - Alpha Magnetic Spectrometer

CNGS

Struktura CERN-u Rada Nadzorcza - CERN council – najwyższa władza Organizacji Każdy kraj członkowski ma dwóch członków Rady: rządowego i naukowego. Przewodnicząca Rady Nadzorczej CERN prof. Agnieszka Zalewska

Dyrektor Generalny – DG prof. Rolf Heuer

CERN: Organizacja międzynarodowa

20 krajów członkowskich

Ponad 11000 fizyków z całego świata

CERN w liczbach: • 11100 fizyków (“użytkowników”)* • 2300 pracowników (staff)* • ~1000 stażystów (fellows, associates)* • Budżet: 1000 MCHF (2013)

Kraje członkowskie: Austria, Belgia, Bułgaria, Czechy, Dania, Finlandia, Francja, Grecja, Hiszpania, Holandia, Niemcy, Norwegia, Polska, Portugalia, Słowacja, Szwecja, Szwajcaria Wielka Brytania, Węgry, Włochy Kandydaci: Rumunia, Serbia, Izrael, Brazylia, Cypr, Rosja,Słowenia,Turcja, Ukraina Obserwatorzy: Indie, Izrael, Japonia, Rosja, USA, Turcja, Ukraina, Komisja Europejska, UNESCO

Struktura CERN-u Physics – PH Information Technology – IT Beams – BE

Technology – TE Engineering – EN General Infrastructure Services –GS

generacja wiązki, przyspieszanie, diagnostyka, sterowanie i optymalizacja pracy całego systemu akcelaratorów Technologie akceleratorowe: magnesy (nadprzewodzace, normalne, szybkie impulsowe …), ochrona i integracja akceleratorów, zasilanie, chłodzenie, systemy próżniowe, …

.

Finance, Procurement and Knowledge Transfer – FP

Human Resources – HR

Moja grupa: Machine Protection and Electrical Integrity group (MPE) - Andrzej Siemko,

Electronics for Protection (EP) – Reiner Denz

Group leader

CERN: 50 lat historii

•Ufundowany w 1954 r przez 12 europejskich krajów •Cel: odbudowa nauk podstawowych w Europie •Zatrzymać “drenaż mózgów” spowodowany II Wojną Światową •Połączyć siły by zbudowac potężniejsze (i droższe) urządzenia badawcze: akceleratory

Historia 1929 – 1934 Ernest Lawrence (University of California, Berkeley) – pierwszy cyklotron 1957 – 1967 - Synchrocyclotron (SC) 600 MeV, pierwszy akcelerator w CERN. Pracował 33 lata. 1959 - Proton Synchrotron (PS) 28GeV 1971 – pierwszy zderzacz hadronów – o obwodzie 1km - ISR Intersecting Storage Rings (ISR), o energieach wiązek 12 to 31 GeV. W ośmiu punktach zbudowano detektory. 1974 – tunel dla SPS – na głębokości 40m, o długości 7 km, ciepłe magnesy 1,3T 1976 – pierwsza wiązka w SPS – dziś 450 GeV 1981 – SPS stał się zderzaczem proton-antyproton 630 GeV 1983 – powstały eksperymenty UA1 i UA2 , które odkryły bozony W± and Z0 pośredniczące w oddziaływaniach słabych. 1985 – 1988 – budowa tunelu LEP-u 1989 – 2000 – era LEP-u: Large Electron-Positron – gdy go zamykano dostarczał wiązki leptonów o energii 209 GeV 1995 – publikacja koncepcji LHC 1997 – projekt deceleratora antyptrotonowego AD 2008 – pierwsze wiązki w LHC

ISR

Detektor R702 – 6m średnicy Eksperiment na ISR w roku 1970

Mapa CERN-u i okolic

Mapa CERN-u i okolic

CERN: Historia odkryć • 1973: Odkrycie prądów nienaładowanych w komorze pęcherzykowej Gargamelle

• 1983: Odkrycie bozonów W (styczeń) i Z (Maj) w eksperymentach UA1 I UA2; potwierdzenie teorii unifikacji oddziaływań elektrosłabych

• 1989: Wyznaczenie ilości typów neutrin przy użyciu akceleratora LEP, masowo produkującego bozony Z

• 1995: Stworzenie atomów anty-wodoru w eksperymencie PS210

• 1999: Odkrycie bezpośredniego łamania symetrii CP w eksperymencie NA48

CERN: Laureaci Nagrody Nobla • 1984: Carlo Rubbia i

Simon van der Meer ”za prace które doprowadziły do odkrycia bozonów W i Z”

• 1992: Georges Charpak "za pomysł i opracowanie detektorów cząstek, w szczególności MWPC (wielodrutowej komory proporcjonalnej)”

Konkurenci CERN-u 24 listopad 1959 - PS osiągnął energią 24 GeV. John Adams referując to dokonanie trzyma pusta już butelkę rosyjskiej wódki. Rosyjski Synchrophasotron w Dubnej pracował wtedy z energią 10 GeV i był największy na świecie.

Fermilab – zderzacz pp‾ Tevatron osiągnął energię wiązki 1 Tev. Obwód ringu – 6km z magnesami nadprzewodzącymi o polu 4,2 T. Aż do roku 2009 był to największy zderzacz hadronowy.

Konkurenci CERN-u KEK w Tsukuba i Tokai w Japoni.

KEKB zbudowane z dwóch pierścieni: elektronowy 8.0 GeV i pozytonowy 3.5 GeV

Jak wytworzyć „nowe” cząstki? • Potrzeba dużej koncentracji energii – Przyspiesz “normalne” cząstki, zderz je ze sobą – Ich energia kinetyczna zamieni się w nowe cząstki – Im więcej energii w zderzeniu, tym cięższe (i bardzej egzotyczne) cząstki mogą powstać

System akceleratorów w CERN: System injekcji cząstek:

akcelerator liniowy: PSB PS SPS

0,05 GeV 1,4 GeV 25 GeV 450 GeV

CERN posiada system połączonych ze sobą akceleratorów. Mogą one być używane (w tym samym czasie) przez wiele doświadczeń i instalacji

CERN: podziemny świat nauki Największy z akceleratorów zainstalowany jest w 27-km tunelu, 100 metrów pod ziemią... Alpy

Genewa

SPS

LHC (wcześniej LEP)

CERN

LHC: Wielki Zderzacz Hadronów • Najpotężniejszy z akceleratorów:

Large Hadron Collider

•Projektowany i budowany ponad 20 lat •27-km pierścień nadprzewodzących magnesów, schłodzonych do -271°C. •70-razy więcej energii niż poprzedni wielki akcelerator w CERN (LEP) •Przyspiesza wiązki protonów do 4 TeV (docelowo 7 TeV)

Położenie akceleratorów i detektorów

ALICE LHC

ATLAS SPS

CMS

PS LHCb

24

Konstrukcja LHC CMS

Promień okręgu: 2748m

8 sektorów

Przyspieszanie

Gaszenie

154 nadprzewodzące magnesy na sektor 13kA – prąd elektryczny w magnesach

Alice

LHCb

ATLAS

Przypomnienie: Cząstka w polu magnetycznym: siła lorentza Pole Siła

Prąd

mv x r= qB

Pole magnetyczne: skąd? Magnesy stałe?

Elektromagnesy: solenoid (cewka z prądem)

LHC: ile to energii? • 7 TeV: energia lecącego komara – Komar waży ~ 1 miligram (1/mln kg)

LHC – Protony są dużo mniejsze!  Ważą 100 000 000 000 000 000 000 razy mniej (1.6*10-27 kg), Rozmiar: 0.000 000 000 001 mm (10-15 m)

– ...ale przyspieszamy wiele naraz!  2808 “paczek”, 1011 protonów każda  Całkowita E protonów w 2 wiązkach: 400-t pociąg TGV 150 km/h !

LHC

Konstrukcja LHC 7 TeV = 7·1012·1,602·10-19 J = 11,214·10-7 J ≅ 1 μJ Wielka jest natomiast gęstość energii

Pole magnetyczne: jak duże? • Ziemia: – 30-60 mikro-tesla  Detektor ATLAS – Solenoid: 2 Tesla – Toroid (25 m dł, 22m średnicy): 4.1 Tesla  Detektor CMS – Solenoid (13m dł, 6 m średnicy) : 3.8 Tesla  LHC: – Magnesy dipolowe: 8.3 Tesla

LHC

Konstrukcja LHC

Konstrukcja LHC

Dipol LHC

Cewki nadprzewodzące

Magnesy LHC

Opuszczanie 15-metrowego (35 t) magnesu

Magnesy LHC

pod ziemią

Podstawowe parametry Parametr Energia jednego protonu w wiązce Liczba protonów w paczce Liczba paczek w wiązce Energia w wiązce

Maksymalna świetlność (w punktach 1 i 5) Obwód akcelerator Odległość wiązek Liczba głównych dipoli Czas obiegu akcelerator Czas między zderzeniami

Energia początkowa (injection)

Energia końcowa (collision)

Wymiar

0,450

7

TeV

1,15∙10 11 2808 23,3

362

MJ

-

1.0∙1034

cm-2s-2

26658,883

m

194

mm

1232 88,93

µs

25

ns

Kable nadprzewodzące

Kable nadprzewodzące

Kable nadprzewodzące

Wnęka rezonansowa – punkt 4 LHC

Wnęki rezonansowe w punkcie 4 LHC zasilane prądem o częstotliwości radiowej 400 MHz dostarczanym z wielkich klistronów. Jest jedyne miejsce na obwodzie akceleratora gdzie protony są faktycznie przyspieszane !!!

Wnęka przyspieszajaca

42

Zasilanie wnęk rezonansowych

Klistrony zasilające wnęki rezonansowe prądem o częstotliwości radiowej 400 MHz. Podziemna hala w punkcie 4 LHC.

Gaszenie wiązki w punkcie 6 Ściana, na której gasi się wiązkę LHC

Boczny tunel do którego skierowuje się wiązkę przy wyłączaniu LHC

LHC: ile to energii? • 7 TeV: energia lecącego komara – Komar waży ~ 1 miligram (1/mln kg)

LHC – Protony są dużo mniejsze!  Ważą 100 000 000 000 000 000 000 razy mniej (1.6*10-27 kg), Rozmiar: 0.000 000 000 001 mm (10-15 m)

– ...ale przyspieszamy wiele naraz!  2808 “paczek”, 1011 protonów każda  Całkowita E protonów w 2 wiązkach: 400-t pociąg TGV 150 km/h !

LHC

LHC: Ile... • Ile potrzebuje energii – CERN: 1 TWh/rok • • •

Średnio: 1/5 zużycia kantonu Genewa Gdy maszyny pracują: 1/3 zużycia 40-45%: LHC –

• • • • •

12-14% kriogenika, 7-9% chłodzenie, wentylacja

10-12%: eksperymenty na LHC 28-32%: akcelerator SPS 2-3%: pozostałe akceleartory (LINAC, Booster) 5-6%: centrum komputerowe 7-9%: biura, restauracje, itp

LHC: Ile... • LHC: Ile kosztował... – LHC (akcelerator): 4.6 mld CHF – CERN: wkład w detektory: 1.09 mld CHF – LHC injector upgrade: 0.16 mld CHF – Komputery dla LHC (wkład CERN): 0.18 mld CHF – W SUMIE: 6.03 mld CHF

Jak badać egzotyczne cząstki ?

Egzotyczne cząstki żyją krótko i rozpadają się w fajerwerk złożony z setek “zwykłych” wtórnych cząstek Fizycy używają detektorów cząstek by obserwować i rejestrować wynik zderzenia, a następnie rozwiązać układankę złożoną z setek śladów “sfotografowanych” cząstek

Detektory cząstek

Detektory (i Szrek) są jak cebula: mają warstwy

Każda z wartsw służy rejestracji specyficznego typu cząstek, lub specyficznych własności

Konstrukcja detektorów Współczesne detektory cząstek elementarnych składają się z wielu elementów, które rejestrują większość produktów zderzenia (oddziaływania).

Cząstki oddziałują w różny sposób z poszczególnymi częściami detektorów.

Detektory cząstek ... i magnesy

Detektory posiadają silne magnesy, by zakrzywiać tory (naładowanych elektrycznie ) cząstek które rejestrują. Dzięki temu można te cząstki zidentyfikować.

Magnesy...

W polu magnetycznym cząstki naładowane elektrycznie poruszają się po zakrzywionych torach!

4 wielkie detektory na LHC ALICE

ATLAS

CMS

LHCb

ATLAS: A Toroidal Large ApparatuS

- 22 metry wysokości - 44 metry długości - waga: 7,000 ton - 34 kraje - 150 instytutów - 1800 naukowców

ATLAS Detektory mionowe

Kalorymetr elektromagnetyczny

Kalorymetr przedni Wieczka toroidu

Nadprzewodzący Detektory wewnętrzny magnes toroidalny

Kalorymetr hadronowy

Osłony

Kalorymetria Jest bezwzględną metodą pomiaru całkowitej energii pochłoniętej:  Kalorymetria hadronowa,  Kalorymetria elektromagnetyczna

Kaskada elektromagnetyczna

Kalorymetria

Kaskada hadronowa •Kaskada hadronowa rozwija się w wyniku oddziaływań neutralnych i

naładowanych hadronów w materiale •„krok” kaskady hadronowej: zderzenie hadron jądro, produkcja wielu cząstek

•Każda z wyprodukowanych cząstek oddziaływuje z następnymi jądrami •Kaskada wygasa gdy średnia energia produkowanych cząstek spada poniżej progu na oddziaływanie nieelastyczne •Cząstki elektromagnetyczne produkowane w kaskadzie hadronowej rozwijają niezależną kaskadę elektromagnetyczną

Typy kalorymetrów •Kalorymetry jednorodne: detektor = absorber  Szkło ołowiowe, kryształy np.. Kwarc, BGO,…  Dobra zdolność rozdzielcza (energetyczna)  Ograniczona zdolność obserwacji podłużnego rozwoju kaskady (identyfikacja kaskad)  Tylko kalorymetria elektromagnetyczna •Kalorymetry próbkujące  Detektor przekładany absorberem →tylko część energii rejestrowana → ograniczona zdolność rozdzielcza  W zamian : możliwość rejestracji rozwoju kaskady w trzech wymiarach (trówymiarowa zdolność rozdzielcza (cele kalorymetru)  Kalorymetria elektromagnetyczna i hadronowa

ATLAS Kalorymetr Elektromagnetyczny Ołowiane i stalowe elektrody o strukturze “akordeonu” zanurzone są w ciekłym argonie

Część centralna: 32 moduły “korki”: po 8 modułów

ATLAS ECAL: wyzwanie dla inżynierów

Niesamowity Rok 2012

Jak odkryć nową cząstkę Cząstki Higgsa (?) o masie ~125 GeV

Tło od innych rozpadów dających 4 miony

Masa inwariantna 4 leptonów [GeV] m2=E2-p2 (w jednostkach gdzie c=1)

LHC i detektory w akcji:

Technical Stop

Prace konsolidacyjne konieczne by LHC pracował przy energii 14 TeV

Innowacje technologiczne i zastosowania

Budując akceleratory przy użyciu najnowszych technologii, (i tworząc nowe) CERN wnosi wkład w rozwój różnorodnych dziedzin takich jak informatyka czy ... medycyna. Dbamy o to by te nowe technologie mogły znależć zastosowanie w dziedzinach związanych z życiem codziennym każdego z nas...

Zastosowania: MWPC

Pomysł Wielodrutowej Komory Proporcjonalnej (detektora MWPC) zaproponowana przez G. Charpaka, i nagrodzony Nagrodą Nobla, znalazł zastosowanie przy nieinwazyjnych kontrolach towarów na granicach

Zastosowania • Medycyna korzysta z wielu CERNowskich

technologii: w diagnostyce i w terapii...

Acceleratory używane do radioterapii i produkcji leczniczych radioizotopów

Od blisko 40 lat naukowcy z CERN wnoszą wkład w rozwój nauk związanych z medycyną

Kryształy używane w urządzeniach diagnostycznych (skanery PET)

CERN: tu stworzono WWW...

World Wide Web ma swoje źródła w projekcie CERN o kryptonimie ENQUIRE, zapoczątkowanym w 1989 roku przez Tim'a Berners-Lee i Roberta Cailliau Pierwszy portal WWW postał w 1991 roku. 30 kwietnia 1993, CERN zadeklarował iż World Wide Web będzie otwartą, ogólnodostępną technologią.

CERN: Internetowe skrzyżowanie Europy • Pionierskie zastosowania

technologii internetowych w Europie – Początki w latach 1980-tych – Pierwsza europejska sieć szkieletowa i pierwsze połączenie T1 z siecią NSF w 1989/1990 – CERN Internet Exchange Point

Router Cisco Systems w CERN: jeden z pierwszych routerów IP uruchomionych w Europie

Od WWW do GRIDu World Wide Web wynaleziono by ułatwić fizykom komunikowanie się. Obecne CERN pracuje nad stworzeniem największego na świecie projektu Sieci Obliczeniowej GRID, mogącej dostarczyć potężnej mocy obliczeniowej potrzebnej fizykom do analizy danych z LHC. GRID zapewni swym użytkownikom łatwy dostęp do połączonej mocy obliczeniowej tysięcy komputerów na całym świecie.

GRID Setki tysięcy komputerów udostępnionych przez ośrodki komputerowe tworzące WLCG (Worldwide LHC Computing Grid) umożliwi przetwarzanie (i zapis!) 14 PB (petabajtów) danych rocznie, produkowanych przez eksperymenty na LHC. By zapisać te dane na płytach CD potrzebowalibyśmy ich stosu o wysokości 20-km!

Grid w poszukiwaniu nowych leków Kwiecień 2006: poszukiwania możliwych komponentów leku na ptasią grypę, przy użyciu EGEE Grid: 2000 komputerów w Europie I Azji 4 tygodnie 300,000 sprawdzonych komponentów Użyta moc przetwarzania odpowiada 100 latom dla pojedynczego komputera! •

• • • •

Październik 2006-Styczeń 2007: poszukiwania składników leku na malarię przy użyciu EGEE Grid (projekt WISDOM): - 80 000 składników/h 140 mln w sumie - 5000 komputerów - 420 lat dla pojedynczego komputera

Grid: planowanie operacji chirurgicznych

Grid i klimatologia Komputerowa symulacja temperatury na Ziemi na następne 100 lat...

Parallel climate model

Komputerowy model temperatury powierzchni oceanu: badania cyklu wodnego w zachodniej Afryce (afrykański monsun)

Edukacja

Podsumowanie CERN: międzynarodowe laboratorium fizyczne: - Fizycy z całego świata wspólnie poszukują odpowiedzi

na fundamentalne pytania dotyczące Wszechświata

- Używając akceleratorów przyspieszają i zderzają ze

sobą cząstki takie jak protony i elektrony; w tych zderzeniach powstają nowe, egzotyczne cząstki (E=mc2)

- Największy akcelerator, LHC, pracuje w 27-km tunelu, 100 metrów pod ziemią; magnesy

- Używają olbrzymich detektorów cząstek by

“obserwować” nowe cząstki; potrzebują bardzo wiele mocy obliczeniowej (komputerów) by zapisywać i przetwarzać dane produkowane w detektorach

- Różnorakie zastosowania wypracowanych technologii zmieniają naszą codzienność WWW, Grid, skanery medyczne

- Zadaniem CERNu jest też edukacja

Dziękuję za uwagę