Máy gia tốc hạt

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, [...]... Hadron: Đề tài : Máy gia tốc hạt vi Môn PPNCKH 16 Năm Intersecting Storage Rings Vị trí CERN (Super Proton CERN vận kích hành Máy gia tốc Dạng và thước 19711984 19811984 Synchrotron) Tevatron Run I Tevatron Run II Fermilab Fermilab RHIC proton+proton BNL mode Đề tài : Máy gia tốc hạt 19921995 2001present 2000present Vòng tròn (948 m) Vòng tròn (6.9 km) Vòng tròn (6.3km ) Vòng tròn (6.3 km) Vòng Hạt chạm Năng... tìm kiếm các hạt này, các nhà nghiên cứu phải phá vỡ (smash) những hạt khác với nhau ở vận tốc cực Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH 34 lớn Nếu năng lượng từ sự va chạm này đủ lớn, nó có thể chuyển sang những hạt vật chất nhỏ hơn - có thể là Higgs boson Những hạt này chỉ tồn tại ở một thời gian ngắn, sau đó tan rã (decay) sang các hạt khác Vì thế, để chứng minh cho sự xuất hiện của hạt Higgs trong... 2.3) Tìm hạt Higgs: Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH 31 Đây là một hạt giả thiết, sinh ra trong một cơ chế tương tác qua lại với các hạt cơ bản nguyên thuỷ để các hạt này có khối lượng như chúng ta đã đo được Nó là sản phẩm của mô hình chuẩn lý thuyết thống nhất của các hạt cơ bản Trong vài thập kỷ qua, giới vật lý hạt đã xây dựng được một mô hình lý thuyết, tạo nên bộ khung về kiến thức các hạt và... vật lý hạt nhân trên thế giới đang tìm kiếm bộ máy (mechanism) tạo ra khối lượng Các nhà khoa học tại phòng thí nghiệm hạt nhân CERN ở Geneva cũng như tại Fermilab ở Illinois đang hy vọng tìm kiếm được cái họ gọi là "Higgs boson" Họ tin tưởng rằng nó là một Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH 32 hạt, cũng có thể là một tập hợp hạt mà chúng có thể tạo ra những hạt có khối lượng khác Ý tưởng về một hạt. .. của các hạt mêzôn K: K+, K0, và hyperon Υ: Λ0, Σ+, Σ0, Σ- tuân theo định luật bảo toàn số lạ 2.1.2.6 Phản hạt: Phản hạt của một hạt sơ cấp là hạt có cùng khối lượng như hạt đã cho, song có một hoặc một số tính chất vật lý khác cùng độ lớn nhưng có chiều ngược lại Ví dụ, với điện tử và phản hạt của nó positron thì có điện tích trái dấu, nơtron và phản nơtron là mômen từ Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn... "mỏng" Tên này có trước khi khám phá ra các hạt tauon, một loại hạt lepton nặng có khối lượng gấp đôi khối lượng của proton Lepton là hạt có spin bán nguyên, ½, và không tham gia trong tương tác mạnh Lepton hình thành một nhóm hạt cơ bản phân biệt với các nhóm gauge boson và quark Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH 22 Có 12 loại lepton được biết đến, bao gồm 3 loại hạt vật chất là electron, muon và tauon,... neutrino Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH 23 2.1.3.2 Hạt Gauge boson: Các boson đều có spin nguyên Các lực cơ bản của tự nhiên đuợc truyền bởi các hạt gauge boson Theo mô hình chun có 13 loại hạt boson cơ bản:  Quang tử, photon, có spin 1, là hạt truyền tương tác trong lực điện từ  Các W boson và Z boson có spin 1 là hạt truyền tương tác trong lực tương tác yếu  8 gluon có spin 1 là hạt truyền tương... 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... CMS, LHCb, TOTEM Va chạm Electron-proton : Máy gia tốc HERA Năm Vị trí hoạt động DESY 1992(2007) Dạng kích thước Năng Năng lượng lượng electron và proton Thí nghiệm Vòng tròn(6336 H1, 27.5 GeV ZEUS, 920 GeV HERMES, m) HERA-B Va chạm ion: Năm Máy gia tốc Vị trí vận hành Relativistic Heavy Collider Ion Hình dạng và Ion kích Laboratory, New York Đề tài : Máy gia tốc hạt dùng thước Năng lượng ion Au-Au; Brookhaven... PPNCKH 20 Hầu hết các hạt cơ bản đều có phản hạt, riêng photon thì không - phản của photon cũng chính là photon Các cặp hạt - phản hạt:  Điện tử e- - Positron e+  Neutron n – phản neutron antin hay  Proton p hay p + - phản proton hay p − 2.1.3) Phân loại các hạt cơ bản: 2.1.3.1 Hạt Femion: Các hạt fermion có spin bán nguyên, ½ Mỗi hạt fermion đều có một phản hạt riêng Fermion là hạt cơ bản cấu thành . 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. 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