Đề tài Máy gia tốc hạt

Trường Đại Học Sư Phạm Thành Phố Hồ Chí Minh Khoa vật lý  Bài Thực Hành Môn: Phương Pháp Nghiên Cứu Khoa Học Đề tài: GVHD: Lê Văn Hoàng SVTH : o Nguyễn Hải Âu o Đỗ Thị Thanh o Đỗ Thị Hồng Thấm Thành phố Hồ Chí Minh Tháng 5 năm 2009 1 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH Mục lục Mở đầu:………………………………………………………………………….. 2 1. Lịch sử máy gia tốc hạt: .......................................................4 1.1) Định nghĩa máy gia tốc hạt: ...........................................................4 1.2) Phân loại máy gia tốc hạt: ..............................................................4 1.2.1) Máy gia tốc thẳng:.................................................................................. 4 1.2.2) Máy gia tốc vòng: .................................................................................. 4 1.3) Máy gia tốc hạt đầu tiên: ................................................................5 1.4) Một số máy gia tốc hiện nay:[] .......................................................6 2. Vai trò của máy gia tốc:......................................................18 2.1) Tìm hạt cơ bản .............................................................................18 2.1.1) Định nghĩa: ...........................................................................................18 2.1.2) Tính chất: ..............................................................................................18 2.1.3) Phân loại các hạt cơ bản: .......................................................................20 2.1.4) Tương tác của các hạt sơ cấp: ................................................................23 2.2) Phản vật chất:...............................................................................27 2.2.1) Lịch sử hình thành khái niệm phản vật chất: ..........................................27 2.3) Tìm hạt Higgs: .............................................................................30 2.3.1) Ý tưởng cho sự tồn tại của hạt Higgs: ....................................................31 2.3.2) Manh mối tìm ra hạt Higgs:...................................................................34 2.4) Chứng minh thực nghiệm:............................................................34 2.4.1) Tìm trạng thái lỗ đen lượng tử:[] ...........................................................34 2.4.2) Vật chất tối:...........................................................................................35 3. MÁY GIA TỐC LHC:........................................................36 3.1) Định nghĩa: ..................................................................................36 3.2) Giới thiệu chung: .........................................................................36 3.3) Mục đích :[] .................................................................................36 3.4) Thiết kế và vận hành: ...................................................................39 3.5) Bộ phân tích:................................................................................42 3.5.1) ATLAS: ................................................................................................43 3.5.2) CMS: ....................................................................................................44 3.5.3) ALICE: .................................................................................................44 3.5.4) LHCb: ...................................................................................................45 3.5.5) TOTEM: ...............................................................................................45 3.5.6) LHCf: ...................................................................................................46 2 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH 3.6) Quá trình hoạt động......................................................................46 3.7) Chi phí .........................................................................................47 3.8) Thông tin: ....................................................................................48 3.9) Sự an toàn của LHC:[] .................................................................48 3.10) Tìm hạt Higgs:[] .......................................................................50 4. Tài liệu tham khảo:.............................................................53 3 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH Mở Đầu “You will know the truth, and the Truth will set you free” (Ngươi sẽ biết được sự thật, và sự thật sẽ giải thoát ngươi) John “The truth is rarely pure and is never simple” (Sự thật ít khi trong sáng và không bao giờ đơn giản) Oscar Wilde (nhà thơ, nhà văn Ái Nhĩ Lan) Tôn giáo được sáng chế bởi nhân loại để tìm hiểu và giải thích sự thật khi vắng bóng khoa học. Và với sự tiến bộ của khoa học trong một thời gian ngắn, rất nhiều sự thật được khám phá và giải thích rõ ràng hơn so với những gì tôn giáo đã làm trong nhiều nghìn năm qua. Những tiến bộ trong lĩnh vực khoa học y tế đã làm vơi đi nỗi khổ đau cho nhiều người so với những gì tôn giáo có thể làm. Song song với sự tiến bộ của khoa học là sự thoái trào của niềm tin tôn giáo trong lòng nhiều người, do đó những tranh luận về khoa học và tôn giáo càng thêm sôi nổi khi tôn giáo và khoa học cùng bước vào lĩnh vực siêu hình qua phát minh kỹ thuật của máy gia tốc hạt. Leonardo Vetra - môt nhà khoa học, lại là một linh mục cơ đốc giáo - muốn hợp nhất khoa học và tôn giáo để đưa ra lĩnh vực mới “ Vật lí mới” với công trình nghiên cứu về máy gia tốc hạt và phản vật chất.[1] Theo danh sách mà tạp chí Mỹ Time bình chọn, sự kiện khoa học lớn nhất trong top-ten của năm 2008 là việc máy gia tốc hạt nhân (Large Hadron Collider - LHC) lớn nhất thế giới được khởi động ngày 10/9/2008.[I] Tất cả là lí do chúng em tìm hiểu đề tài này. 1 DAN BROWN ,Thiên Thần Và Ác Qủy,2007, Nhà Xuất Bản Văn Hóa Thông Tin Hà Nội, tr 60-61 4 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH 1. Lịch sử máy gia tốc hạt: 1.1) Định nghĩa máy gia tốc hạt: Thiết bị dùng điện trường hay cả điện trường và từ trường để tăng tốc các hạt tích điện đều được gọi chung là máy gia tốc hạt. + Vì vậy nguyên lý hoạt động, cấu tạo, kích thước của các máy gia tốc là khác nhau. Máy gia tốc được sử dụng trong nhiều lĩnh vực. + Trong vật lý, máy gia tốc đóng vai trò đặc biệt quan trọng, nó được sử dụng trong nghiên cứu các hạt sơ cấp. 1.2) Phân loại máy gia tốc hạt: Người ta phân biệt hai loại máy gia tốc: 1.2.1) Máy gia tốc thẳng: Máy gia tốc thẳng là loại máy gia tốc cổ. Máy gia tốc thẳng cổ nhất là máy gia tốc kiểu Vi-do-ro-e ra đời từ năm 1930: cho chùm hạt mang điện đi qua một dãy nối tiếp các miền trong đó có điện trường, các hạt mang điện sẽ được tăng tốc nhờ điện trường. Cuối cùng, các hạt mang điện có thể có năng lượng khoảng vài trăm MeV. Trong ngành vật lý nghiên cứu cấu trúc người ta thường dùng phối hợp máy gia tốc thẳng với máy gia tốc vòng. một số máy gia tốc thẳng có thể kể đến law chiếc máy của Pháp, khánh thành năm 1958, và những thí nghiệm đầu tiên được tiến hành vào năm 1959. 1.2.2) Máy gia tốc vòng: Máy gia tốc vòng là loại máy gia tốc trong đó các hạt chuyển động theo các đường vòng. Để buộc các hạt chuyển động theo các đường vòng, người ta dùng từ 5 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH trường của nam châm có dạng thích hợp để uốn cong quĩ đạo của hạt. Còn để tăng tốc các hạt thì người ta dùng điện trường. +Có hai kiểu máy gia tốc vòng:  Kiểu cyclotron: trong các cyclotron, quĩ đạo của các hạt tích điện là các đường xoáy ốc phẳng.  Kiểu synchrotron: trong các synchrotron, quĩ đạo của các hạt là đường tròn, muốn quĩ đạo của các hạt là đường tròn người ta phải dùng nhiều nam châm có cảm ứng từ khác nhau và bố trí theo thứ tự cảm ứng từ tăng dần. Mỗi khi hạt được tăng tốc thì cảm ứng từ của từ trường phải tăng tương ứng để giữ cho bán kính của quĩ đạo không đổi. 1.3) Máy gia tốc hạt đầu tiên: Cyclotron là một dạng của máy gia tốc hạt.Cyclotrons: gia tốc những hạt tích điện dùng tần số cao. Một từ trường thẳng đứng gây ra cho hạt theo hình xoắn ốc trong một đường tròn để chúng được gia tốc nhiều lần. Và Ernest Lawrence, của Đại học California, Berkeley, được công nhận với cái máy Cyclotron đầu tiên vào năm 1929. Cyclotron làm việc thế nào? Trong Cyclotron, các điện cực được đặt trên ống chân không, một tần số cao cung cấp cho điện cực “D”( hình chữ D) hút và đẩy những hạt điện tích nằm ở trung tâm của từ trường, các hạt này được gia tốc khi vượt xuyên qua khe giữa hai cực.Từ trường thẳng đứng cùng với lực hút giữa nguyên tử với nguyên tử làm tăng chuyển động của hạt trên đường xoắn ốc. Nếu không thay đổi năng lượng những hạt tích điện trong một từ trường sẽ đi theo một đường tròn. Trong Cyclotron, năng lượng được cung cấp cho 6 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH hạt mang điện khi chúng vượt qua khoảng giữa “D” và vì vậy chúng được gia tốc và sẽ tăng khối lượng khi mà chúng tiến dần đến năng lượng ánh sáng.Cả hai hiệu ứng( tăng vận tốc và tăng khối lượng) sẽ tăng bán kính của hình tròn và vì vậy đường đi sẽ là một đường xoắn ốc. (Những hạt điện tích chuyển động trên một đường xoắn ốc, bởi vì dòng điện của electron hoặc ion, phun thẳng đến một từ trường, những thí nghiệm một lực thẳng. Những hạt điện tích chuyển động tự do trong chân không, vì vậy những hạt điện tích phun ra một đường xoắn ốc.) Bán kính sẽ tăng cho đến khi bắn mục tiêu nằm trên chu vi của ống chân không.Những vật chất khác có thể được dùng làm mục tiêu, và sự va chạm sẽ tạo những hạt điện tích thứ yếu cái mà có thể được dẫn ra ngoài Cyclotron và đi đến dụng cụ phân tích. Kết quả sẽ cho phép tính toán những thuộc tính khác nhau, như là khoảng cách giữa các nguyên tử và những sản phẩm va chạm khác. Mục đích của Cyclotron Trong vài thập kỉ, Cyclotron là cái nguồn tốt nhất của những chùm năng lượng cao của thí nghiệm vật lý hạt nhân, vài Cyclotron thì vẫn dùng cho nghiên cứu. Cyclotron có thể được dùng để xem xét ung thư. Chùm ion từ Cyclotron có thể được dùng, để thâm nhập vào người và diệt khối u ác tính bằng xạ trị. Chùm Cyclotron có thể được bắn phá những nguyên tử khác để tìm ra các hạt đồng vị. 1.4) Một số máy gia tốc hiện nay:[II] Cyclotrons: Máy gia tốc cộng hưởng từ. 7 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH Máy gia tốc Vị trí Năm hoạt động Dạng Hạt được gia tốc Động năng Thành quả 9-inch cyclotron UC Berkeley 1931 Tròn H2+ 1.0 MeV Kiểm chứng được khái niệm 11-inch cyclotron UC Berkeley 1932 Tròn Proton 1.2 MeV 27-inch cyclotron UC Berkeley 1932- 1936 Tròn Deuteron 4.8 MeV Khám phá và kiểm chứng tương tác của hạt Deuteron 37-inch cyclotron UC Berkeley 1937- 1938 Tròn Deuteron 8 MeV Khám phá ra các chất đồng vị 60-inch cyclotron UC Berkeley 1939- 1941 Tròn Deuteron 16 MeV Khám phá ra các chất đồng vị 184-inch cyclotron Berkeley Rad Lab[1] 1942- Tròn Various >100 MeV Nghiên cứu sự tách biệt trên đồng vị urani Calutrons Oak Ridge National 1943- Móng ngựa Uranium nuclei Used to separate isotopes for the dự án 8 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH Laboratory Manhattan Máy gia tốc đầu tiên xây dựng tại Lawrence Berkeley National Laboratory, sau đó được biết như là Berkeley Radiation Laboratory. Một số máy gia tốc cổ khác: Synchrotrons Máy gia tốc Vị trí Năm hoạt động Dạng Hạt được gia tốc Động năng Thành quả Cosmotron Phòng thí nghiệm quốc tế Brookhaven 1953-1968 Vòng tròn (72 m ) Proton 3.3 GeV Khám phá mesons nhân tạo Birmingham Synchrotron trường đại học Birmingham 1939- Proton 1 GeV Bevatron Berkeley Rad Lab ie LBNL 1954- ~1970 Đường thẳng Proton 6.2 GeV Khám phá hạt lạ :s,antipro ton, antineutr on 9 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH Bevalac, kết hợp máy gia tốc thẳng SuperHILA C và máy Bevatron Berkeley Rad Lab ie LBNL ~1970- 1993 Đường thẳng Các hạt nhân đủ vững chắc Quan sát sự nén của hạt nhân, tia ion tác dụng lên khối ung bứu Saturne Saclay, France 3 GeV Synchrophas otron Dubna, Russia December 1949- present 10 GeV Zero Gradient Synchrotron Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne 12.5 GeV Proton Synchrotron CERN 1959- present Vòng tròn (600 m) Proton 28 GeV Alternating Gradient Synchrotron Brookhaven National Laboratory 1960- Proton 33 GeV J/Ψ, muon neutrino, 10 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH CP sự vi phạm trong kaons SLAC Linac Stanford Linear Accelerator center 1966- present máy gia tốc thẳng 3 km Electron/ Positron 50 GeV Fermilab Booster Fermilab 1970- present Tròn Protons 8 GeV Fermilab Main Injector Fermilab 1995- present Tròn Protons and antiproto ns 150 GeV Fermilab Main Ring Fermilab 1970-1995 Circular Synchrotro n Protons and antiproto ns 400 GeV (until 1979), 150 GeV thereafte r Super Proton CERN 1980- present Tròn Protons and ions 480 GeV 11 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH Synchrotron Bates Linear Accelerator Middleton, MA 1967-2005 Thẳng Electrons phân cực 1 GeV CEBAF Thomas Jefferson với máy gia tốc quốc gia Newport News, VA 1984- present Electrons phân cực ELSA Physikalisch es Institut der Universität Bonn, Germany 1987- present synchrotro n electrons 3.5 GeV ISIS neutron source Rutherford Appleton Laboratory, Didcot, Oxon 1984- present H- Linac Protons 800 MeV Năng lượng cao khi tia proton được vận hành 12 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH MAMI Mainz, Germany 855 MeV accelerator Electrons phân cực Tevatron Fermilab 1978- present Supercond ucting Circular Synchrotro n Protons 980 GeV Spallation Neutron Source Oak Ridge National Laboratory 2006 - Present Thẳng (335 m) và tròn (248 m) Protons 800 MeV - 1 GeV Sự va chạm của Electron-positron Máy gia tốc Vị trí Năm vận hành Hình dạng và chu vi Năng lượng electron Năng lượng Positro n Thí nghiệm Khám phá AdA Frascati, Italy; Orsay, France 1961 - 1964 Tròn, 3 m 250 MeV 250 MeV công nhận sự ảnh hưởng e+e- (1964) 13 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH Princeto n- Stanford (e-e-) Stanford, California 1962 - 1967 2 vòng tròn, 12 m 300 MeV 300 MeV Sản xuất cặp e+e- VEP-1 (e-e-) Novosibirs k, Soviet Union 1964 - 1968 2 vòng tròn, 2.7 m 130 MeV 130 MeV số lượng e+e- trong hiệu ứng phát xạ QED VEPP-2, VEPP- 2M Novosibirs k, Soviet Union 1965 - 1999 Tròn, 17.88 m 700 MeV 700 MeV OLYA, ND, CMD; SND, CMD-2 e+e- -> π (1966), e+e- -> γ (1971) SPEAR SLAC Mark I, Mark II, Mark III PEP SLAC Mark II SLC SLAC 45 GeV 45 GeV SLD, Mark II LEP CERN 1989 - Tròn , 27km 104 GeV 104 GeV Aleph, Delphi, Tương tác yếu, 14 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH 2000 Opal, L3 DORIS DESY 1974 - 1993 Tròn , 300m 5 GeV 5 GeV ARGUS, Crystal Ball, DASP, PLUTO Sự dao động của B mesons PETRA DESY 1978 - 1986 Tròn , 2km 20 GeV 20 GeV JADE, MARK-J, PLUTO, TASSO khám phá gluon CESR Cornell University 1979 - 2002 tròn, 768m 6 GeV 6 GeV CUSB, CHESS, CLEO, CLEO-2, CLEO-2.5, CLEO-3 First observation of B decay, charmless and "radiative penguin" B decays CESR-c Cornell University 2002 - 2008 Tròn , 768m 6 GeV 6 GeV CHESS, CLEO-c PEP-II SLAC 1998 Tròn , 2.2 9 GeV 3.1 Babar CP 15 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH - 2008 km GeV viphạm trong cấu trúc B meson KEKB KEK 1999 - 2008 ? Tròn , 3km 8.0 GeV 3.5 GeV Belle CP vi phạm trong cấu trúc B meson VEPP- 2000 Novosibirs k 2006 - Tròn , 24m 1.0 GeV 1.0 GeV VEPP- 4M Novosibirs k 1994 - Tròn , 366m 6.0 GeV 6.0 GeV BEPC China 1989 - 2004 Tròn , 240m 2.2 GeV 2.2 GeV Beijing Spectromet er (I and II) DAΦNE Frascati, Italy 1999 - Tròn , 98m 0.7 GeV 0.7 GeV KLOE BEPC II China 2008 - Tròn , 240m 3.7 GeV 3.7 GeV Beijing Spectromet er III Sự va chạm Hadron: 16 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH Máy gia tốc Vị trí Năm vận hành Dạng và kích thước Hạt va chạm Năng lượng của tia Những thí nghiệm Intersecting Storage Rings CERN 1971- 1984 Vòng tròn (948 m) Proton/ Proton 31.5 GeV (Super Proton Synchrotron) CERN 1981- 1984 Vòng tròn (6.9 km) Proton/ Antiproton UA1, UA2 Tevatron Run I Fermilab 1992- 1995 Vòng tròn (6.3km ) Proton/ Antiproton 900 GeV CDF, D0 Tevatron Run II Fermilab 2001- present Vòng tròn (6.3 km) Proton/ Antiproton 980 GeV CDF, D0 RHIC proton+proton mode BNL 2000- present Vòng tròn (3.8 km) Polarized Proton/ Proton 100 đến 250 GeV PHENIX, STAR 17 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH Large Hadron Collider CERN 2008- present Vòng tròn (27 km) Proton/ Proton 7 TeV ALICE, ATLAS, CMS, LHCb, TOTEM Va chạm Electron-proton : Máy gia tốc Vị trí Năm hoạt động Dạng và kích thước Năng lượng electron Năng lượng proton Thí nghiệm HERA DESY 1992(- 2007) Vòng tròn(6336 m) 27.5 GeV 920 GeV H1, ZEUS, HERMES, HERA-B Va chạm ion: Máy gia tốc Vị trí Năm vận hành Hình dạng và kích thước Ion được dùng Năng lượng ion Cuộc thử nghiệm Relativistic Heavy Ion Collider Brookhaven National Laboratory, New York 2000- 3.8 km Au-Au; Cu-Cu; d- Au; polarized pp 0.1 TeV per nucleon STAR, PHENIX, Brahms, Phobos 18 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH Large Hadron Collider, ion mode CERN 2008- Vòng tròn (27km) Pb-pb 2.76 TeV per nucleon ALICE 2. Vai trò của máy gia tốc: 2.1) Tìm hạt cơ bản 2.1.1) Định nghĩa: Hạt cơ bản là những thực thể vi mô tồn tại như một hạt nguyên vẹn, đồng nhất, không thể tách thành các phần nhỏ hơn; ví dụ như các hạt photon, electron, positron, neutrino… 2.1.2) Tính chất: 2.1.2.1 Khối lượng nghỉ: Khối lượng nghỉ hay khối lượng tĩnh của một vật là khối lượng của vật xét trong một hệ quy chiếu mà theo hệ đó, vật là đứng yên. Đại đa số vật chất, trừ phôtôn và nơtrinô, đều có khối lượng nghỉ khác không. 2.1.2.2 Thời gian tồn tại: Các hạt cơ bản đa số có thể phân rã thành các hạt khác. Thời gian sống của chúng dao động từ 10-6 đến 10-24 giây. Một số ít hạt cơ bản được gọi là bền, có thời gian sống rất lớn, có thể coi là bền như electron 1022 năm, prôtôn 1030 năm. Người ta nghiên cứu thời gian sống của hạt cơ bản thông qua lý thuyết xác suất, dựa trên thời gian để một số lượng n hạt sơ cấp phân rã chỉ còn lại 0.5n hạt 19 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH 2.1.2.3 Điện tích: Một số hạt trung hòa về điện có điện tích bằng không như phôtôn γ và nơtrinô ν. Một số hạt khác mang điện tích âm hoặc dương, với trị số tuyệt đối đều bằng điện tích nguyên tố của electron 1.602 x 10-19 C 2.1.2.4 Spin: Spin là một khái niệm trong vật lý, là bản chất của mô men xung lượng và là một hiện tượng của cơ học lượng tử thuần túy, không cùng với những sự tương đồng trong cơ học cổ điển. Trong cơ học cổ điển, mô men xung lượng được phát triển từ xung lượng cho sự quay của