Transcript Σωματιδιακή Φυσική και οι επιταχυντές του CERN

Μελλοντικοί Επιταχυντές στο CERN
Έρευνα και
Ανακάλυψη
Τεχνολογία
Συνεργασία
Εκπαίδευση
Καθ. Εμμανουήλ Τσεσμελής (CERN)
Αθήνα - 22 Νοεμβρίου 2010
Μεγάλα και Αναπάντητα Ερωτήματα
Το Σύμπαν
Οι Διαστάσεις του (Μικρό-) κοσμου
Μέθοδοι της Σωματιδιακής Φυσικής
Εισαγωγή - Επιταχυντές
Ιστορικά, η φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων
εξαρτάται από την πρόοδο στο σχεδιασμό των
επιταχυντών για την προώθηση της επιστήμης.
– κύκλοτρο  συγχροκύκλοτρο  σύγχροτρο 
collider (κυκλικός, γραμμικός).
Η πρόοδος στο σχεδιασμό του επιταχυντή και των
επιδόσεων απαιτούν αντίστοιχες επενδύσεις σε
τεχνολογίες αιχμής.
– Μαγνήτες, συστήματα κενού, RF συστήματα, διαγνωστική, ...
Το κόστος & η διάρκεια των έργων του επιταχυντή σήμερα
είναι υψηλά.
– Η διεθνής συνεργασία είναι απολύτος αναγκαία
Colliders – Ενέργεια Συναρτήσει του Χρόνου
pp and e+e- colliders
έχουν τεθεί σε λειτουργία
ταυτόχρονα
Οι Εγκαταστάσεις του CERN
Ο Μεγάλος Αδρονικός Επιταχυντής LHC
7 TeV p + 7 TeV
Φωτεινότητα =
1034 cm-2sec-1
Τα αποτελέσματα του LHC θα
καθορίσουν το μέλλον της
Φυσικής των Στοιχειωδών
Σωματιδίων
Χρειαζόμαστε Μεγάλους Ανιχνευτές
43 μ
7000 T
22 μ
(ίδια
ποσότητα
σιδήρου
με τον
πύργο του
Eiffel)
T. Virdee, ICHEP08
10
10
Το Πείραμα ATLAS
12
Το Σωματίδιο Higgs στο LHC
εκ.
CERN: Επιστημονική Στρατηγική
Πλήρης αξιοποίηση της δυναμικής του προγράμματος φυσικής LHC
– Αξιόπιστη λειτουργία (συμπεριλαμβανομένης της εδραίωσης του LINAC4)
– Εξάλειψη εμποδίων ώστε να μεγιστοποιηθούν τα προνόμια από την
ονομαστική φωτεινότητα (nominal luminosity) τόσο για τη μηχανή όσο και για
τους ανιχνευτές
– Εστιασμένη R&D και prototyping για υψηλή φωτεινότητα (High-Luminosity)
LHC (HL-LHC)
Προετοιμασία για το μακροπρόθεσμο μέλλον (>2015)
– Ενεργειακά όρια
Συνεργασία CLIC/ILC και R&D (για ανιχνευτές και μηχανή)
Γενική R&D για Υψηλής Ενέργειας LHC (HE-LHC; δηλ. μαγνήτες υψηλού πεδίου)
– R&D για μεγάλης ισχύος πηγές πρωτονίων (HP-SPL) π.χ. για φυσική
νετρίνων
Παγκόσμιας κλάσης πρόγραμμα φυσικής με σταθερούς στόχους
(fixed-target)
Η Στρατηγική του LHC
Πλήρης αξιοποίηση της δυναμικής του προγράμματος φυσικής LHC
 Μεγιστοποίηση ολοκληρωμένης φωτεινότητας χρήσιμης για
τη Φυσική
- Λειτουργία του LHC μέχρι περίπου το έτος 2030, στόχος ∫Ldt ≈ 3000 fb-1
- Μεταξύ 2010 και 2020: ~σχεδιασμός φωτεινότητας (~1034/cm2/s)
- Σύνδεση του LINAC4 το 2016
- Εξάλειψη εμποδίων (e.g. SPS)
- Τροποποιήσεις στους ανιχνευτές για βέλτιστη συλλογή δεδομένων
- Υψηλή Φωτεινότητα LHC (HL-LHC) από ~2020 μέχρι ~2030
- Φωτεινότητα περίπου 5x1034/cm2/s, Φωτεινότητα σε διάφορα επίπεδα
- Νέα εσωτερική τριπλέτα (Inner Triplet) γύρω στο έτος 2020/21
- Αναβάθμιση ανιχνευτών περίπου το έτος 2020/21  R&D ΤΩΡΑ
Αναβάθμιση LHC
Nέες μελέτες έχουν ξεκινήσει
Στόχοι
– Μεγιστοποιήση της ωφέλιμης ολοκληρωμένης φωτεινότητας κατά
τη διάρκεια ζωής του LHC
Στόχοι που έχουν τεθεί από τα πειράματα:
3000 fb-1 μέχρι το τέλος της ζωής του LHC
→ 250-300 fb-1 ετησίως κατά τη δεύτερη δεκαετία λειτουργίας του LHC
•
•
•
•
Ελέγχος της συνοχή των αναβαθμίσεων σε σχέση με περιορισμούς
επιδόσεων του επιταχυντή.
Ανάγκες από τα πειράματα.
Ανθρώπινο δυναμικό.
Προγραμματισμός τεχνικών διακοπών λειτουργείας,
συμπεριλαμβανομένων και των ανιχνευτών.
Σημερινή και Μέλλοντικοί Πιθανοί Injectors
Proton flux / Beam power
50 MeV
160 MeV
Output energy
1.4 GeV
4 GeV
26 GeV
50 GeV
450 GeV
1 TeV
7 TeV
~ 14 TeV
Linac2
Linac4
PSB
(LP)SPL
PS
PS2
SP
S
SPS+
LHC /
SLHC DLHC
(LP)SPL: (Low Power)
Superconducting Proton
Linac (4-5 GeV)
PS2: High Energy PS
(~ 5 to 50 GeV – 0.3 Hz)
SPS+: Superconducting SPS
(50 to1000 GeV)
SLHC: “Superluminosity” LHC
(up to 1035 cm-2s-1)
DLHC: “Double energy” LHC
(1 to ~14 TeV)
Γιατί Χρειαζόμαστε την Αναβάθμιση των Injectors;
Ανάγκη για αξιοπιστία:
 Οι προ-επιταχυντές (injectors) είναι
πεπαλαιωμένοι [LINAC2 (1978), PSB (1975),
PS (1959), SPS (1976)].
 Λειτουργούν μακριά από τις παραμέτρους του
σχεδιασμού τους και σχεδόν στα όρια του
εξοπλισμού.
 Η υποδομή έχει υποστεί αλλοιώσεις από τη
συγκέντρωση των πόρων για LHC κατά τη
διάρκεια των τελευταίων 10 ετών.
 Ανάγκη για καλύτερα χαρακτηριστικά της δέσμης.
Διάταξη των Πιθανών Νέων Injectors
SPS
PS2
ISOLDE
PS
SPL
Linac4
Linac4 Πολιτική Μηχανική
Equipment
building
ground level
Linac4
tunnel
Access
building
Low-energy
injector
Linac4-Linac2
transfer line
Η Περιοχή Αλληλεπίδρασης στο ATLAS
Αρχικά Σχέδια Γραμμικού Επιταχυντή
O επόμενος επιταχυντής ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων – π.χ.
Συμπαγής Γραμμικός Επιταχυντής (CLIC):
• Ενέργεια στο κέντρο μάζας: 0.5 - 3 TeV
• Φωτεινότητα: > 1034 cm-2s-1
Kυκλικός επιταχυντής χάνει πολύ ενέργεια, DE ~ E4
 δύο γραμμικοί επιταχυντές με το πείραμα στο κέντρο
• Συνολικό κέρδος ενέργειας σε ένα πέρασμα: υψηλή βαθμίδα
επιτάχυνση.
• Η δέσμη μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο μια φορά: μικρών
διαστάσεων διασταύρωση στο σημείο των πειραμάτων.
22
Ο Γραμμικός Επιταχυντής
30-40 km
International Linear Collider Αρχική Σχεδίαση
250
250 Gev
250 Gev
e+ e- ILC Linear Collider
Energy
250 Gev x 250 GeV
Peak luminosity
2 1034
Total power
~230 MW
Accelerating Gradient
31.5 MeV/m
Το Σχέδιο CLIC
Η επιλογή της τοποθεσίας του CLIC είναι
ανεξάρτητη από την ανάπτυξη των τεχνολογιών
που απαιτούνται για του
e+ / e- γραμμικού collider σε πολυ-TeV ενέργεια.
– Ecm είναι συμπληρωματική εκείνης του LHC &
ILC
Ecm = 0.5 – 3 TeV
– L > 1034 cm-2 s-1
– Ελαχιστοποίηση της κατανάλωσης ενέργειας
και κόστους.
CLIC Παράμετροι
CLIC Γενική Διάταξη
CLIC Βασικά Χαρακτηριστικά
CLIC Διατομή Σήραγγας
• Yψηλή βαθμίδα
επιτάχυνσης: > 100 MV/μ
– “Συμπαγής” collider –
συνολικό μήκος < 50 χμ.
στα 3 TeV
– Normal conducting
σύστημα επιτάχυνσης σε
υψηλή συχνότητα.
4.5 m diameter
Καινοτόμο σύστημα
επιτάχυνσης
– Οικονομικά αποδοτική,
αποτελεσματική.
– Μία σήραγγα.
– Modular, εύκολη
αναβάθμιση της ενέργειας
σε στάδια.
QUAD
QUAD
POWER EXTRACTION
STRUCTURE
ACCELERATING
STRUCTURES
Main beam – 1 A, 156 ns
from 9 GeV to 1.5 TeV
100 MV/m
BPM
Drive beam - 95 A, 240 ns
from 2.4 GeV to 240 MeV
12 GHz – 64 MW
Σήραγγα CLIC
DB turn-around
DB dump
UTRA
cavern
Standard tunnel
with modules
29
Γενικός Σχεδιασμός Ανιχνευτή
Πολλές μελέτες R&D για ανιχνευτές είναι σε εξέλιξη
Παγκόσμια CLIC Συνεργασία
32 ινστιτούτα με19 φορείς χρηματοδότησης από 17 χώρες
Ankara University (Turkey)
Argonne National Laboratoory, (USA)
Athens Tech. University (Greece)
Berlin Tech. Univ. (Germany)
BINP (Russia)
CERN
CIEMAT (Spain)
Ιουνίου
2009
Finnish29
Industry
(Finland)
Gazi Universities (Turkey)
JINR (Russia)
JLAB (USA)
KEK (Japan)
Karlsruhe Univ. (Germany)
LAL/Orsay (France)
LAPP/ESIA (France)
LLBL/LBL (USA)
ΓαζήςNCP
/ ΕΜΠ
(Pakistan)
North-West. Univ. Illinois (USA)
IRFU/Saclay (France)
Helsinki Institute of Physics (Finland)
IAP (Russia)
IAP NASU (Ukraine)
Instituto de Fisica Corpuscular
(Spain)
INFN / LNF (Italy)
J.Adams Institute, (UK)
Ε.Ν.
Oslo University (Norway)
Patras University (Greece)
PSI (Switzerland),
Polytech. University of Catalonia (Spain)
RAL (England)
RRCAT-Indore (India)
Royal Holloway, Univ. London, (UK)
SLAC (USA)
Svedberg Laboratory (Sweden)
Thrace University (Greece)
Uppsala University (Sweden)
31 31
Η Σημερινή Ελληνική Συμμετοχή στο CLIC
Ελληνικά Πανεπιστήμια:
Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο (ΕΜΠ)
Πανεπιστήμιο Πατρών
Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Θράκης
Η επιστημονική κοινότητα συνεχίζει να οικοδομεί νέα τεχνολογικά μέσα
μοναδικές επιταχυντές δεσμών με σκοπό την προώθηση της τεχνολογίας
και την ανακάλυψη νέων φαινομένων πέραν της λειτουργίας του Μεγάλου
Αδρονικού Επιταχυντή LHC.
Καλούνται όλα τα ΑΕΙ της χώρας να συμμετάσχουν με,
ΝΕΑΡΟΥΣ ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΕΣ & ΕΡΕΥΝΗΤΕΣ !!!
(Φυσικοί ΚΑΙ Μηχανικοί)
32
Περίληψη και Συμπεράσματα
•
•
•
Ύψιστη προτεραιότητα της κοινότητας φυσικής των στοιχειωδών
σωματιδίων είναι να αξιοποιηθεί πλήρως το δυναμικό της φυσικής του LHC.
Η Ευρωπαϊκή Στρατηγική για την Φυσική των Στοιχειωδών Σωματιδίων
ενσωματώνει μια σειρά νέων έργων επιταχυντών για το μέλλον.
• Η ανάγκη να ανανεωθεί το LHC είναι αναγνωρισμένη και σχετικά έργα /
μελέτες έχουν αρχίσει.
• Το κύριο κίνητρο για την αναβάθμιση της φωτεινότητας του LHC είναι να
διερευνήσει περαιτέρω την φυσική πέρα από το Καθιερωμένο Μοντέλο,
ενώ την ίδια στιγμή που συμπληρώνει το Καθιερωμένο Μοντέλο της
φυσικής που ξεκίνησε στο LHC.
• Πολλά από τα ανοικτά ζητήματα από το LHC θα μπορούσαν να
αντιμετωπιστεί καλύτερα από γραμμικούς επιταχυντές.
• Ένας επιταχυντής ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων (ILC ή CLIC), στο
οποίο όλοι-το κέντρο της μάζας-ενέργειας που διατίθενται για τις
συγκρούσεις μεταξύ των συγκρουόμενων στοιχειώδη σωματίδια.
Αυτές οι νέες πρωτοβουλίες θα οδηγήσουν τη σωματιδιακή φυσική στις
επόμενες δεκαετίες.