calatoria unui proton accelerat pana la 99,999991%...
TRANSCRIPT
CALATORIA UNUI PROTON
ACCELERAT PANA LA 99,999991% DIN VITEZA LUMINII
Autor-
prof. Manon
ConstantinescuColegiul
Tehnic
“Lazar Edeleanu” Ploiesti
CERNAcesta
a fost
infiinţat
in anul
1954, sub denumirea
de "Conseil
Europeen
pour la Recherche
Nucleaire" -
CERN, astăzi
denumit
oficial
"Organizaţia
Europeană
pentru
Cercetări
Nucleare", păstrând
însă
acronimul
CERN. A fost
constituită
în
anul
1954 prin
cooperarea
iniţial
a 12 state membre
(RFG, Belgia, Danemarca, Franţa, Grecia, Italia, Norvegia, Olanda, Marea
Britanie, Suedia, Elveţia
şi
Yugoslavia).
Scopul: Organizarea
unui
laboratoreuropean
de cercetare
ştiinţifică
in domeniulfizicii
nucleare, vizand
facilitarea
colaborăriiştiinţifice
intre
ţările
membre, prin
realizareain comun
a unei
infrastructuri
de cercetareimposibil
de realizat
in mod independent de nici
una
din aceste
ţări. Astăzi
numărulde State Membre
CERN a ajuns
la 20. România
este
singura
ţară
din fostul
"lagărsocialist" care nu
este
încă
membră
CERN.
CERNEste
cel
mai
mare laborator
de accelerare
şi
studiere
al particulelor
elementare
din lume, situat
în
suburbia nord-vestică
a Genevei, chiar
pe
graniţa
dintre
Elveţia
şi Franţa. CERN are în
dotare
o reţea
formată
din şase
acceleratoare
de particule
şi
un singur
decelerator de particule. Fiecare
acelerator
din complex accelereazaparticulele
până
la o anumită
energiedupă
care le trimite
următoruluiaccelerator care urmează
săaccelereze
particulele
către
energiimai
mari.
Calatoria
protonului
dureaza
aproape
10 ore pe
o distanta
echivalenta
cu o calatorie
dus-intors
intre
orbita
Pamantului
si
cea
a planetei
Neptun. Se introduc
molecule de hidrogen
intr-o
camera in care este
indepartat
inve-lisul
exterior –electronii-
astfel
incat
raman
numai
protonii,care
au masa
de 1,67262171(29) x Kg si
sarcina
electrica
de 1,60217653(14)x .
Daca
nu
ar
avea
sarcina
electrica, protonii
nu
s-ar
putea
deplasa
in aceastacalatorie, deoarece
sunt
accelerati
cuajutorul
unor
campuri
electrice, pecare neutronii
de exemplu
nu
le “simt”.
2710 −
C1910−
O calatorie
neobisnuita
LINAC 21110Protonii
sunt
trimisi
in pachete
de cate
in primul
accelerator liniar, LINAC 2, care functioneaza
similar unui
tub catodic. Acceleratorul
liniar
este
format din mai
multi electrozi
de forma cilindrica
, montati
pe
axul
unui
tub si
conectati
la un generator de inalta
frecventa. Lungimea
lor
este
astfel
calculata
ca de fiecare
data la trecerea
protonului
prin
intervalul
dintre
doi
electrozi, campul
electric sa
aiba
o astfel
de polaritate, incat
sa
accelereze
particula, conform relatiei:
= eU
La capatul
acestui
accelerator protoniiating
31,2%c si
o energie
de
50 MeV.
.
EC
Proton synchroton
booster (PSB)
2v2v
Protonii
trec
in a doua
etapa
a calatoriei
lor. Deoarece
acceleratorul
liniar
nu
poate
imprima
viteze
relativiste, pentru
ca ar
fi
nevoie
de campuri
electrice
de intensitate
foarte
mare, sau
de tuburi
de lungimi
uriase, trebuie
ca traiectoria
lor
sa
se curbeze.De
aceea
protonii
sunt
supusi
simultan
unor
campuri
electrice
care ii accelereaza
si
unor
campuri
magnetice
care le curbeaza
traiectoria. Se cunoaste
faptul
ca asupra
unei
particule
incarcata
electric aflata
in miscare
in camp magnetic actioneaza
forta
Lorentz, care are rol
de forta
centripeta.
e v B = m / R
R = mv / eB ⇒
Proton synchroton
boosterAvand
in vedere
ca raza
traiectoriei
este
direct proportionala
cu viteza, intervine
o problema, deoarece
aceasta
creste
odata
cu accelerarea
protonilor
. Acest
inconvenient a fost
rezolvat
datorita
faptului
ca raza
traiectoriei
este
invers
proportionala
cu inductia
campului
magnetic, astfel
incat
trebuie
sincronizata
in permanenta
valoarea
inductiei
campului
magnetic cu viteza
protonilor.Deasemenea
protonii
nu
trebuie
sa
se intalneasca
in timpul
calatoriei
lor
cu alte
particule
(altfel
s-ar
rataci!).Trebuie
ca tubul
prin
care se deplaseaza
sa
fie vidat. Desi
presiunea
in interiorul
tubului
este
de 3.000.000 de miliarde
de ori
mai
mica decat
presiunea
atmosferica
tot mai
raman
cateva
sute
de particule
nedorite
in fiecare
centrimetru
cub, de aceea
daca
tot nu
pot fi
eliminate , sunt
incetinite
foarte
mult. Pentru
aceasta, tuburile
sunt
racite
pana
la 1,9 K! astfel
incat
protonii
parcurg
cel
mai
rece
traseu
din Univers. In mediul
interstelar
temperatura
este
de 2,7 K.La
iesirea
din PSB protonii
au energia
de 1,4 GeV
si
91,6% din viteza
luminii.
Reprezentarea
simplificata
a traseului
de accelerare
a protonilor
Urmeaza a treia etapa de accelerare. Protonii
intra in Sincrotonul
de protoni
(Proton Synchroton-PS). Acesta
functioneaza
din 1959, dar
pe
parcursul
anilor
a suportat
numeroase
modernizari. Are circumferinta
de 628 m, iar
protonii
ating
o energie
de 25 GeV
si
o viteza
de 99,93% din viteza
luminii.
Urmatoarea
etapa
de accelerare
se desfasoara
in Supersincro-
tonul
de protoni
(SPS). Circumferinta
inelului
de accelerare
a SPS este
de 7 Km, iar
protonii
ating
viteza
99,9998% din viteza
unui
foton.
The LARGE HADRON COLLIDER (LHC)
Urmeaza
momentul
cel
mare in care protonii
intra pe
marea
“autostrada” a LHC-
ului
propriu-zis.Acesta
are o circumferinta
de 26.659 m, se afla
ingropat
la o adancime
cuprinsa
intre
50 si
175 m, la granita
dintre
Elvetia
si
Franta.LHC
este
alcatuit
din 8 arce
de cerc
si
8 insertii
liniare.Arcele
de cerc
sunt
echipate
cu electromagneti
de curbura
dipolari(care
genereaza
un camp magnetic perpendicular pe
planul
traiectoriei
protonilor.) O insertie
contine
o sectiune
dreapta
si
doua
zone de tranzitie
(cate
una
la fiecare
capat
al insertiei.)Dispunerea
exacta a acestor
insertii
liniare
depinde
de scopul
pentru
care au fost
realizate:ciocniri
de particule,absorbtia
fasciculelor, “curatarea” fasciculelor”, etc.
Influenta
Lunii
asupra experimentului
In timpul
functionarii
LHC trebuie
sa
se tina
seama
de influenta
Lunii! In timpul
fazelor
de Luna plina
si
Luna noua
mareele
terestre
provocate
de atractia
gravitationala
a Lunii
duc
la ridicarea
cu 25 cm a solului
in zona
Genevei. Aceasta
deplasare
duce la o modificare
cu 1 mm a circumferintei
LHC, ceea
ce
duce la modificari
ale energiei
fasciculului
de protoni.
LHCIn cazul
acceleratorului
LHC sunt
necesare
campuri
magnetice
de intensitati
foarte
mari.La
viteza
de deplasare
a protonilor
apropiata
de viteza
luminii, masa
lor
creste
conform teoriei
lui
Einstein si
la fel
inertia. Rezulta
ca este
nevoie
de o forta
uriasa
pentru
ca acestia
sa
fie mentinuti
pe
traiectoria
circulara, forta
care este
data de intensitatea
campului
magnetic. De aceea
este
nevoie
de electromagneti
supraconductori. Cand
un material devine
supraconductor, rezistenta
sa
electrica
devine
nula.
Nu
se mai
opune
trecerii
curentuluielectric.Acest
lucru
permite
aplicareaunor
curenti
de foarte
mare intensitate pe bobineleelectromagnetilor( care, in conditii
normale
s-ar
topi.)
Electromagnetii
LHC-uluiAcceleratorul
LHC contine
9600 electromagneti
supraconductori.Cei
mai
mari
sunt
dipolii, 1232, care asigura
corectitudinea
traseului. Acestia
sunt
construiti
din fire de niobiu-titan, care devin
supraconductoare
la temperaturi
mai
mici
de 10 K(-263,15 C). LHC functioneaza
la 1,9 K. Pentru
campul
magnetic de 8,3 T, necesar
controlarii
traiectoriei
protonilor
ajunsi
la energia
de 7 TeV, este
nevoie
de un curent
electric cu intensitatea
de 11.700 A ( o casa familiala
medie
nu
depaseste
100 A). Daca
dipolii
ar
fi
raciti
la 4,5 K nu
s-ar
putea
depasi
o inductie
a campului
magnetic de 6,8 T, care e insufici-enta
pentru
a curba
traiectoria
protonilor
aflati
la energie
maxima. Racirea
este
asigurata
de heliul
superfluid. Fiecare
dipol
cantareste
35
t si
are 15 m lungime.
Cavitatile
LHCProtonii
intalnesc
pe
traseul
lor
si
8 statii
de accelerare
numite
“cavitati”care
furnizeaza
energia
de radiofrecventa
necesara
aducerii
lor
la energie
maxima. Cavitatile
LHC sunt
deasemenea
supraconductoare, functionand
la 4,5 K si
asigurand
o diferenta
de potential de 2MV.Accelerarea
protonilor
dureaza
20 minute. In acelasi
timp, alt pachet
de protoni
este
accelerat
in sens
contrar
in cel
de al doilea
inel
al LHC.La sfarsitul
traseului, cand
protonii
au energia
7 TeV
si
viteza
99,9999991% din viteza
luminii, cele
doua
fascicule de protoni
care se deplaseaza
in sensuri
opuse
se intalnesc. Cand
se ciocnesc
doi
protoni, acestia
se descompun
in componentele
lor. Este
ca si
cum daca
s-ar
ciocni
doua
ziduri
cu mare viteza, acestea
se sparg
in caramizi.”Caramizile” din care sunt
alcatuiti
protonii
se numesc
cuarci: doi
cuarci
“up” si
unul
“down”. In urma
ciocnirii
la o asemenea
energie
rezulta
conditiile
existente
las dupa
Big Bang.2010−
Una
din primele
ciocniri
de protoni inregistrata
de catre
detectorul
CMS pe
10.09.2008
Fizica
umanitatii
se afla
in pragul
unei
revolutii
importante
care va
aduce
o intelegere
mult
mai
profunda
a lumii
.
http://www.youtube.com/watch?v=qQNpucos9wc&feature=player_embedded