Физика фундаментальных взаимодействий

1.

Физика фундаментальных
взаимодействий
Замоздра Сергей Николаевич, доцент КТФ
Семестр: 7
Объём: 18 ч лекции + 18 ч практика
Экзамен

2.

Оценка учитывает:
1. Знание теории (экзамен)
2. Решение домашних задач
3. Устный доклад (10 мин с
презентацией)

3.

§1. Введение
Фундаментальные взаимодействия –
качественно отличающиеся виды
взаимодействия элементарных частиц
и их систем
1.
2.
3.
4.
5.
Гравитационное
Электромагнитное
Сильное
Слабое
Хиггса?

4.

Элементарная частица –
микрообъект, который пока не
удалось разделить на части, и у
которого неизвестна структура
Например, у протона известна
структура, но он не делится на части

5.

Базовые классы частиц
Бозоны – частицы с целым спином.
Фермионы – частицы с полуцелым
спином.
Адроны – частицы, участвующие в
сильном взаимодействии.
Лептоны – фермионы, не участвующие
в сильном взаимодействии.

6.

Теории ФВ

7.

8.

§2. Детекторы частиц
Устройства для измерения траектории,
энергии, импульса, заряда, спина и др.
характеристик частиц
Трековые детекторы:
измерить след, не
меняя энергию
Калориметры:
измерить
энергию

9.

1. Схема расположения детекторов
Мюонный детектор
Калориметры
Трековый
Вершинный
детектор
детектор
Римские горшки

10.

2. Вершинный детектор измеряет трек
для вычисления вершин – точек
рождения частиц
Пиксельный:
точнее, но дороже
Полосковый:
дешевле

11.

Пиксельный вершинный детектор в ATLAS

12.

Измеряют положение облачка
электронов (x,y) в каждом слое (z)
z
Набор точек (x,y,z) – трек
внутри детектора
Расчёт (на ЭВМ) трека
до входа в детектор

13.

Вершина должна быть на пересечении
треков нескольких частиц:
В пучке
Вне пучка, но
внутри трубы
В детекторе

14.

Точность определения вершин ≈ 10 мкм
Толщина пучка в точке столкновения
≈ 20 мкм (= )
Можно найти вершины,
отстоящие от оси столкновения
на 100 и более мкм (=5 )

15.

Чем выше точность определения
вершин и чем тоньше пучок в точке
столкновения, тем больше шансов
изучить короткоживущие частицы
4
10 м
13
t
3
.
3
10
c
8
3 10 м/c
Например, В-мезоны

16.

Вершинный детектор VELO (VErtex
LOcator) – внутри трубы БАК!
Пододвигается к пучку после его фокусировки

17.

Расположение сенсоров VELO

18.

Слои вершинного детектора в CMS

19.

3. Трековый детектор из дрейфовых
трубок
Координата
частицы
определяется
по времени
дрейфа
электронов от
места
ионизации до
анода

20.

Трубка имеет
несколько слоёв
и десятки
деталей
KLOE: 52 тыс. трубок
ZD

21.

Дрейфовая камера Jefferson Lab

22.

Петербургский
Институт
Ядерной
Физики:
армирование
дрейфовых
трубок для БАК

23.

Вклейка трубок
245760 трубок в детекторе
Трек частицы пересекает 32-45 трубок

24.

4. Время-проекционная камера
Это большая
дрейфовая
труба, в
которой след
целиком
дрейфует к
торцам
(r, ) по номеру датчика, поймавшего
электроны, z – по времени их прихода

25.

Проекции (r, ) треков на торец камеры

26.

5. Калориметры
Измерение энергии
По вспышке света:
сцинтиллятор –
вещество,
поглощающее
высокоэнергичные
фотоны, но
прозрачное для
видимого света
По выбросу
электронов

27.

Высокоэнергичные электроны и фотоны
передают энергию преимущественно
электронам атомов
Электромагнитный
ливень — поток из
большого числа
электронов,
позитронов и
фотонов

28.

Высокоэнергичные адроны передают
энергию преимущественно адронам
ядер
Адронный
ливень

29.

5.1 Электромагнитный калориметр

30.

Требования к сцинтиллятору:
1. Высокая плотность
2. Прозрачность
3. Радиационная стойкость: 105 Грей
4. Быстрое высвечивание (10 нс)
Кристаллы вольфрамита свинца (PbWO4)

31.

Требования к фотодетектору:
1. Радиационная стойкость
2. Работа в магнитном поле 4 Тл
Вакуумный фототриод
Наградить НИИ «Электрон»
специальной Золотой
медалью СМS-2007 ''За
выдающийся вклад
промышленности в
создание детектора СМS”

32.

Приклеивание фотодетекторов к кристаллам

33.

34.

Электромагнитный калориметр CMS

35.

5.2 Адронный калориметр
«Вафля» из металла и сцинтиллятора

36.

Латунные гильзы ВМФ РФ для CMS

37.

38.

Установка адронного калориметра в детектор CMS

39.

6. Детекторы мюонов
Мюоны
тяжёлые почти не передают
энергию электронам
не адроны почти не передают
энергию ядрам
1. Самые массивные детекторы
2. Образуют внешний слой
3. Измеряют только импульс

40.

Слои комплекса CMS
15 тыс. т = 3
Мюонные камеры чередуются с
магнитопроводом

41.

В комплексе CMS МП меняет знак
S – образная траектория мюонов

42.

Мюонный детектор в CMS

43.

7. Черенковские детекторы
Используются для измерения
скорости частиц по углу
c
c
распр. фотонов: cos , v
nv
n
С.И. Вавилов
П.А. Черенков

44.

45.

Аэрогель
RICH1 в LHCb

46.

Комплекс детекторов LHCb

47.

8. Схема БАК

48.

Схема ускорения частиц в БАК

49.

50.

Линейный ускоритель Linac2 – инжектор p+ и ионов свинца в БАК

51.

52.

Протонный суперсинхротрон

53.

Туннель, трубы и техник БАК

54.

Сегмент трубы БАК

55.

Комплекс детекторов ATLAS

56.

57.

8 тороидальных магнитов, окружающих калориметр
в ATLAS

58.

Заглушка тороидальных магнитов для ATLAS

59.

Калориметр ATLAS

60.

Зал CMS: 53 м в длину, 27 м в ширину и 24 — в высоту

61.

Ворота ALICE

62.

ALICE: фотонный спектрометр с 3 584 кристаллами вольфрамата
свинца

63.

Фазовая
диаграмма
ядерной
материи

64.

Магниты комплекса LHCb

65.

Цель LHCb – изучение CP-нарушений

66.

Криогенная система БАК

67.

Архив данных на магнитной ленте

68.

Центр управления БАК