Ускорители заряженных частиц

1. Ускорители заряженных частиц 2

2.

Столкновение частиц. Нерелятивистские энергии.
p1
m1
p2
m2
m1 + m2
E1 - кинетическая энергия частицы-снаряда
p1 2m1E1
- величина импульса частицы-снаряда
p2 2(m1 m2 ) E2
- величина импульса, переданного
центру масс

3.

Столкновение частиц. Нерелятивистские энергии.
p1
m1
p2
m2
p1= p2
Сохранение импульса системы
m1
E2 E1
m1 m2
ER = E1 – E2
Всегда ER < E1
m1 + m2
Кинетическая энергия движения
центра масс
Максимальная энергия
эндоэнергетической ядерной реакции
При m1= m2 ER= E1 /2

4.

Столкновение частиц. Релятивистские энергии.
p1
m1
p2
m2
m1 + m2
Связь кинетической энергии и импульса
свободной частицы
E
p c m c mc
2 2
2 4
2
2
Е
p 2mE
с

5.

Столкновение частиц. Релятивистские энергии.
p1
p2
m1
m2
m1 + m2
Сохранение импульса системы
p1= p2
Кинетическая энергия движения центра масс:
E2
2
E1
2E1m1c (m1 m2 ) c (m1 m2 )c
ER = E1 – E2
2
2 4
2
Максимальная энергия
эндоэнергетической ядерной реакции
ER E1 (m1 m2 )c2 E12 2E1m1c2 (m1 m2 )2 c4

6.

Столкновение частиц. Релятивистские энергии.
ER/E1
m1=1 m2=238
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
2 2,2E5 MeV
(m
+
m
)
c
1
2
0,3
0,2
0,1
0
1,E+01 1,E+02 1,E+03 1,E+04 1,E+05
1,E+06
1,E+07
E1(MeV)
Доля кинетической энергии частицы-снаряда, которая
может использоваться в эндоэнергетической реакции

7.

Столкновение частиц. Релятивистские энергии.
m1=1
ER/E1
m2=1
0,5
0,4
0,3
0,2
(m1 + m2)c2 1,9E3 MeV
0,1
0,0
1,E+00
E1(MeV)
1,E+02
1,E+04
1,E+06
Доля кинетической энергии частицы-снаряда, которая
может использоваться в эндоэнергетической реакции

8.

Столкновение частиц. Ультрарелятивистские энергии.
p1
m1
E2
p2
m2
2
E1
m1 + m2
2E1m1c (m1 m2 ) c (m1 m2 )c
2
2 4
E1 >> (m1 + m2 ) c2
E2 E1 – (m1 + m2) c2 E1
2

9.

Перспективная идея:
столкновение встречных пучков частиц
p1
m1
p2
m2
При p1 + p2 = 0 вся кинетическая энергия частиц может
быть использована в эндоэнергетической реакции
(превращена в энергию покоя рождающихся частиц)
Ускорители на встречных пучках

10.

Большой адронный коллайдер (Large Hadron Collider)
Ускоритель тяжелых заряженных частиц на встречных пучках
Длина основного кольца ускорителя 26 659 м.

11.

Месторасположение

12.

Детекторы и предускорители
p и Pb – линейные ускорители протонов и тяжёлых ионов.
PS – бустер (протонный синхротрон).
SPS – протонный суперсинхротрон.

13.

Линейный укоритель Linac2 разгоняет протоны до
энергии 50 МэВ.
Протонный синхротрон PS (бустер) имеет радиус 25 м.
Ускоряет протоны до энергии 1,4 ГэВ.
Протонный суперсинхротрон SPS имеет радиус 1,1 км.
Ускоряет протоны до энергии 400 ГэВ.
В основном кольце радиусом 4,24 км сталкиваются
протоны с суммарной энергией 14 ТэВ в системе ЦМ.

14.

Геометрическая схема предускорителей и детекторов

15.

Туннель основного кольца

16.

Моделирование процесса рождения бозона Хиггса
в детекторе CMS