Ядерно-физические приборы (7 сем) / Лекции / LHC, ILC

Большой адронный коллайдер LHC. Его возможности и основное назначение.

История строительства протон - антипротонных коллайдеров заканчивается на Тэватроне. Остаются очень дорогие протон - протонные коллайдеры. Тем не менее в Ц ЕРН построен большой

адронноый коллайдер (LHC) с энергией протонов в с.ц.м. s =2х7= 14 ТэВ.

LHC расположен в 27 -километровом тоннеле е–е+ коллайдера (LEP). Стоимость проекта существенно сокращена до 8 млрд $, за счет того, что коллайдер размещают в уже имеющемся тоннеле,

и, кроме того, найден оригинальный вариант расположения двух встречных колец в магнитах, каждый из которых имеет два канала с противоположно направленным магнитным полем для транспортировки пучков, являясь при этом единой механической структурой, помещенной в один криостат.

Расположение двух встречных колец в магните LHC.

1 – Вакуумная камера. 2 – Обмотка магнита. B = 84 Кгс, Т = 1,8 К

В ускорителе используются ~ 1750 сверхпроводящих отклоняющих магнитов и 392 фокусирующих магнита, что обеспечивает энергию протонного пучка 7 ТэВ.

Светимость коллайдера L = 1034см-2 сек-1

Кроме протонов в коллайдере ускоряются ионы. Для ионов Pb , полная энергия

s =1150 ТэВ. При столкновении ионов с такой энергией может образовываться кварк-глюонная плазма, плотность и температура которой воспроизводят условия во Вселенной спустя микросекунды после Большого Взрыва.

Предусмотрена также, возможность сталкивать электро ны от LEP с протонами от LHC

с выделением энергии в с. ц. м. s =1,3 ТэВ.

Главная задача LHC наблюдение скалярного бозона Хиггса.

Для чего нужен Хиггс?

Когда в 60-70 годы создавалась СМ, предположили, что в первоначальной форме все частицы безмассовы, что конечно неверно. Энглер и Браут придумали скалярное поле,

заполняющего все пространство, которое взаимодействует с частицами, замедляя их, и создавая им массу. В 1964г, было непонятно, как это поле наблюдать в эксперименте. Шотландский ученый Хиггс сообразил, что флуктуация этого поля и есть частица, которую можно наблюдать в эксперименте.

Лагранжиан плотности энергии свободной скалярной частицы.

В классической механике уравнение движения наиболее компактно выражается через уравнение Лагранжа.

записать как . Дискретная координата индивидуальных частиц заменяется амплитудой поля . При этом уравнение Лагранжа преобразуется в

Лагранжиан свободной скалярной частицы с массой может быть представлен в виде:

Если мы имеем дело со скалярными частицами, взаимодействующими друг с другом, то в выражение для потенциальной энергии должен входить член с 4 . Таким образом Лагранжиан для скалярного поля имеет вид:

В этом случае при минимальном состоянии энергии

V4 /4 поле не равно нулю и потенциальная энергия существует везде, и она постоянна. На рисунке приведена зависимость V от .

V12 2 2 14 4 . Эта функция имеет при φ = 0 не минимум, а

максимум. Именно поэтому малые возмущения поля φ вблизи φ = 0 нельзя рассматривать как частицы. Система здесь неустойчива: ей выгодно скатиться в один из устойчивых минимумов.

В обоих случаях кривые симметричны, но для 2 0 есть два минимума бозонного поля .

Хиггс сообразил, что флуктуация этого поля и есть частица, которую можно наблюдать в эксперименте.

Возмущение поля может применяться как для одного, так и для другого минимума эне ргии, но если минимум выбран, то симметрия нарушена. Это называется

спонтанным нарушением симметрии.

Вселенная напоминает шар, который скатывается и останавливается на дне впадины, где напряженность равна нулю. Энергия поля Хиггса минимальна при напряженности поля, отличной от нуля (справа). Таким образом, в состоянии с наименьшей энергией Вселенная пронизана полем Хиггса.

Доля энергии вакуума, которую забирает частица и есть ее масса.

Массы всех частиц в модели m=fv, где f- константа связи частицы с хиггсовым полем, v - величина вакуумного конденсата - ненулевое вакуумное среднее хиггсова поля во всей Вселенной. Теоретических предсказаний для f нет, но величин v известна с высокой точностью

v=(2GF ) 1/ 2 =246ГэВ.

Встандартной модели массы фермионов определяются по формуле mf = gf v/√2, где

gf - безразмерная константа связи фермиона с хиггсовским полем. Предсказание массы Хиггса 100 – 600 ГэВ.

Хиггс при аннигиляции кварков и глюонов

Наблюдение бозона Хиггса

Основная мода распада H bb . Эту моду практически

невозможно выделить из громадного количества bb пар рожденных в QCD процессах.

Наиболее подходящей для идентификации модой является H . Её доля (~1%), но она проявляется в виде

узкого пика. Для регистрации такого пика необходимо высокое энергетическое разрешение в электромагнитных

калориметрах экспериментальных установок. В установках ATLAS и CMS, предназначенных в основном для регистрации Хиггса, разрешение составляет 1% при Е =110ГэВ/c2.

Эксперимент ATLAS (Toroidal LHC ApparatuS)

Вес 30 000 т.

Цена 300 М$ СП соленоид

D=2.4m, L=5.3m, B=2T,

EMC – свинeц + LAr.

Е/Е =1% при Е =100 ГэВ.

Эксперимент CMS (Compact Muon Solenoid)

Центральной частью CMS является сверхпроводящий соленоид диаметром 6м с полем 3.8 Тл. Силиконовый трекер состоит из 9.3 миллиона стрипов 100х150 мкм.

Электромагнитный калориметр состоит из 74 848 синтилляционных кристаллов вольфрамата свинца PbWO4. (LR=0,89cm, Rm=2,19cm). Разрешение дифотонной массы 1.1 ГэВ при массе 125 ГэВ.

Далее латунносцинтилляционный адронный калориметр из латунных и сцинтилляционных пластин. Мюоны регистрируются дрейфовыми трубками, камерами с катодными стрипами и RPC камерами.

H ZZ 4

H

Поскольку ширина и форма пика пока не известна нельзя сказать, что мы видим Хиггс Стандартной модели. Поскольку у СМ остается много проблем вряд ли найденный Хиггс единственный.

Где могли бы наблюдать Хиггс давным давно: Россия УНК (2х2 ТэВ), LEP, SSC (20х20 ТэВ), Tevatron «сдуру» закрыли. (видели, что-то очень похожее : превышение событий γγ над ожидаемым в области 125 ГэВ)

В канун «исторического» заявления физиков БАК о поимке бозона Хиггса, напомнили о себе физики его главного конкурента по охоте за этой частицей

— Теватрона. В 2012г они заявили, что анализ десятилетней работы Теватрона, наконец, закончен, а его результаты недвусмысленно свидетельствуют о том, что бозон Хиггса существует.

Хиггсовская модель – одна из простейших возможностей. Существуют более сложные версии, которые удовлетворят всем экспериментальным данным, и лучшая из известных версий суперсимметрия.

Для чего строят новые коллайдеры.

Казалось незачем строить новые коллайдеры. Но цена этого согласия введение в теорию (СМ) «руками», по крайней мере, 18 параметров, которые мы получаем из эксперимента: три Gf, , S независимых

константы связи векторных бозонов, шесть масс кварков и три массы лептонов, три угла смешивания кварков, одна возможно отвечающая за СРV фаза и две независимые массы слабых бозонов. В нейтринном секторе добавится еще девять констант: три массы нейтрино, три угла смешивания и три фазы. СМ также не объясняет происхождение таких квантовых чисел частиц как электрический заряд Q, слабый изоспин I, гиперзаряд Y и цвет.

Таким образом, СМ не дает ответа на следующие вопросы:

1.Что определяет относительную силу разных калибровочных взаимодействий?

2.Что определяем массы и углы смешивания различных состояний?

3.Почему в слабых взаимодействиях нарушается четность, т. е. только левые кварки и лептоны взаимодействуют со слабым заряженным током?

4.Где правые нейтрино?

5.Почему заряды кварков квантуются в долях 1/3 от заряда лептонов?

Кроме того, остается ряд важных вопросов вне СМ, которые мо жно сгруппировать в три категории.

Масса: если происхождение масс частиц, связано с Хиггсовым бозоном, то почему массы так малы (по сравнению с массой Планка)?

Диаграммы, дающие вклад в массу бозона Хиггса Расходимость может быть устранена только при импульсах порядка массы Планка МП = 1.2х 1019 ГэВ/c2.

Фермионная петля имеет отрицательный знак, а бозонная положительный, первая диаграмма могло бы компенсировать вторую и третью. Для этого необходима симметрия между фермионами и бозонами. Иными словами, для каждой СМ частицы должен существовать суперсимметричный партнер со спином, отличающегося на ½ .

Аромат: почему так много различных типов кварков и лептонов и почему их слабые взаимодействия смеш иваются столь странным образом?

Объединение: можно ли множество элементарных частиц сил и масс унифицировать при высоких энергиях в “Теории Большого Объединения, и при каком пороге эта унификация нарушается?

Все это стимулирует постановку новых экспериментов на коллайдерах с увеличенной энергией и интенсивностью пучков.

Перспективы развития коллайдеров

TESLA

TeV-Energy Superconducting Linear Accelerator

Проекты линейных ЭПК разрабатывались в нескольких странах. Но из-за большой

стоимости, проекты NLC (США), GLC (Япония

TESLA (Германия) были объединены в один,

получивший название Международный линейный коллайдер (ILC).

Стоимость будущего ускорителя 8 млрд долларов , длина ускорителя почти 31 км, потребляемая мощность порядка 230 МВт. Ускоритель рассчитан на энергию 500 ГэВ с

возможностью расширения до 1ТэВ.

ILC

ILC — два линака по 11 км в длину. Основным элементом линаков являются ниобиевые резонаторы, охлажденные до температуры 1,8 К Частотота в резонаторах 1,3 ГГц.

В качестве источника электронов выступает электронная пушка с фотокатодом внутри. Фотокатод облучается импульсами интенсивного лазера.

The International Linear Collider will be a Higgs factory

Существуют ещё более отдаленные планы развития коллайдеров. С момента начала первых разработок до запуска нового коллайдера проходит около 20 лет. Существуют проекты новых синхротронных коллайдеров. Это рр коллайдер на энергию 100 Тэв (VLHC) разрабатываемый в США и μ-μ+ коллайдер на энергию до 4 Tэв.

Строительство VLHC возможно на базе технологий применённых в LHC. Длина кольца VLHC даже в варианте с сверхпроводящими магнитами (~10 Тесла) составит 100 километров. VLHC будут строить, если удастся понизить цену за один ТэВ на порядок.

Мюонный коллайдер.

μ-μ+ коллайдеры имеют большие преимущества перед е-е+ коллайдерами.

Сравнительные размеры некоторых существующих и планируемых коллайдеров.

Масса мюона в 207 раз больше массы электрона, и поэтому синхротронным излучением в кольцевом μ-μ+ коллайдере можно пренебречь. Следовательно, радиус μ-μ+ коллайдера может быть гораздо меньше радиуса электронного коллайдера. μ- коллайдер с s =3ТэВ может вписаться в размер существующих ускорительных центров

FNAL и BNL

Идея создания μ-μ+ коллайдера была высказана Г.И Будкером в 1969 году. Основная трудность здесь – малое время жизни мюона (2.2х10-6 сек). Можно ли такой коллайдер построить и какова будет его стоимость?

К 1991 году на первый вопрос получен утвердительный ответ. На второй вопрос пока ответа нет.