Bài thực hành Máy gia tốc nhiệt

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 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 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH 2 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 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH 3 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 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH 4 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 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH 5 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 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH 6 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. Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH 7 Năm Máy gia Hạt được Động Vị trí hoạt Dạng Thành quả tốc gia tốc năng động 9-inch 1.0 Kiểm chứng UC Berkeley 1931 Tròn H2+ cyclotron MeV được khái niệm 11-inch 1.2 UC Berkeley 1932 Tròn Proton cyclotron MeV Khám phá và 27-inch 1932- 4.8 kiểm chứng UC Berkeley Tròn Deuteron cyclotron 1936 MeV tương tác của hạt Deuteron 37-inch 1937- Khám phá ra các UC Berkeley Tròn Deuteron 8 MeV cyclotron 1938 chất đồng vị 60-inch 1939- 16 Khám phá ra các UC Berkeley Tròn Deuteron cyclotron 1941 MeV chất đồng vị Nghiên cứu sự 184-inch Berkeley Rad >100 1942- Tròn Various tách biệt trên cyclotron Lab[1] MeV đồng vị urani Used to separate Oak Ridge Móng Uranium Calutrons 1943- isotopes for the National ngựa nuclei dự án Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH 8 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 Năm hoạt Hạt được Động Thành Máy gia tốc Vị trí Dạng động gia tốc năng quả Phòng thí Khám nghiệm Vòng tròn phá Cosmotron 1953-1968 Proton 3.3 GeV quốc tế (72 m ) mesons Brookhaven nhân tạo trường đại Birmingham học 1939- Proton 1 GeV Synchrotron Birmingham Khám phá hạt Berkeley lạ 1954- Đường Bevatron Rad Lab ie Proton 6.2 GeV :s,antipro ~1970 thẳng LBNL ton, antineutr on Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH 9 Quan sát Bevalac, kết sự nén hợp máy Các hạt của hạt Berkeley gia tốc thẳng ~1970- Đường nhân đủ nhân, tia Rad Lab ie SuperHILA 1993 thẳng vững ion tác LBNL C và máy chắc dụng lên Bevatron khối ung bứu Saclay, Saturne 3 GeV France December Synchrophas Dubna, 1949- 10 GeV otron Russia present Phòng thí Zero nghiệm 12.5 Gradient quốc gia GeV Synchrotron Argonne Proton 1959- Vòng tròn CERN Proton 28 GeV Synchrotron present (600 m) Alternating Brookhaven J/Ψ, Gradient National 1960- Proton 33 GeV muon Synchrotron Laboratory neutrino, Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH 10 CP sự vi phạm trong kaons Stanford máy gia Linear 1966- Electron/ SLAC Linac tốc thẳng 3 50 GeV Accelerator present Positron km center Fermilab 1970- Fermilab Tròn Protons 8 GeV Booster present Protons Fermilab 1995- and Main Fermilab Tròn 150 GeV present antiproto Injector ns 400 GeV Protons (until Circular Fermilab and 1979), Fermilab 1970-1995 Synchrotro Main Ring antiproto 150 GeV n ns thereafte r Super 1980- Protons CERN Tròn 480 GeV Proton present and ions Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH 11 Synchrotron Bates Linear Middleton, Electrons 1967-2005 Thẳng 1 GeV Accelerator MA phân cực Thomas Jefferson với máy gia 1984- Electrons CEBAF tốc quốc gia present phân cực Newport News, VA Physikalisch es Institut der 1987- synchrotro ELSA electrons 3.5 GeV Universität present n Bonn, Germany Năng Rutherford lượng Appleton cao khi ISIS neutron 1984- 800 Laboratory, H- Linac Protons tia source present MeV Didcot, proton Oxon được vận hành Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH 12 Mainz, 855 MeV Electrons MAMI Germany accelerator phân cực Supercond ucting 1978- Tevatron Fermilab Circular Protons 980 GeV present Synchrotro n Thẳng Spallation Oak Ridge 800 2006 - (335 m) và Neutron National Protons MeV - Present tròn (248 Source Laboratory 1 GeV m) Sự va chạm của Electron-positron Năng Năm Năng lượng Máy gia Hình dạng Vị trí vận lượng Positro Thí nghiệm Khám phá tốc và chu vi hành electron n Frascati, công nhận 1961 Italy; 250 250 sự ảnh AdA - Tròn, 3 m Orsay, MeV MeV hưởng e+e- 1964 France (1964) Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH 13 Princeto 1962 n- Stanford, 2 vòng 300 300 Sản xuất - Stanford California tròn, 12 m MeV MeV cặp e+e- 1967 (e-e-) số lượng Novosibirs 1964 2 vòng e+e- trong VEP-1 130 130 k, Soviet - tròn, 2.7 hiệu ứng (e-e-) MeV MeV Union 1968 m phát xạ QED OLYA, e+e- -> π VEPP-2, Novosibirs 1965 Tròn, 700 700 ND, CMD; (1966), VEPP- k, Soviet - 17.88 m MeV MeV SND, e+e- -> γ 2M Union 1999 CMD-2 (1971) Mark I, SPEAR SLAC Mark II, Mark III PEP SLAC Mark II 45 SLD, Mark SLC SLAC 45 GeV GeV II 1989 Tròn , 104 104 Aleph, Tương tác LEP CERN - 27km GeV GeV Delphi, yếu, Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH 14 2000 Opal, L3 ARGUS, 1974 Crystal Sự dao Tròn , DORIS DESY - 5 GeV 5 GeV Ball, động của B 300m 1993 DASP, mesons PLUTO JADE, 1978 Tròn , 20 MARK-J, khám phá PETRA DESY - 20 GeV 2km GeV PLUTO, gluon 1986 TASSO First CUSB, observation CHESS, of B decay, 1979 Cornell tròn, CLEO, charmless CESR - 6 GeV 6 GeV University 768m CLEO-2, and 2002 CLEO-2.5, "radiative CLEO-3 penguin" B decays 2002 Cornell Tròn , CHESS, CESR-c - 6 GeV 6 GeV University 768m CLEO-c 2008 PEP-II SLAC 1998 Tròn , 2.2 9 GeV 3.1 Babar CP Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH 15 - km GeV viphạm 2008 trong cấu trúc B meson 1999 CP vi - Tròn , 3.5 phạm trong KEKB KEK 8.0 GeV Belle 2008 3km GeV cấu trúc B ? meson VEPP- Novosibirs 2006 Tròn , 1.0 1.0 GeV 2000 k - 24m GeV VEPP- Novosibirs 1994 Tròn , 6.0 6.0 GeV 4M k - 366m GeV 1989 Beijing Tròn , 2.2 BEPC China - 2.2 GeV Spectromet 240m GeV 2004 er (I and II) Frascati, 1999 Tròn , 0.7 DAΦNE 0.7 GeV KLOE Italy - 98m GeV Beijing 2008 Tròn , 3.7 BEPC II China 3.7 GeV Spectromet - 240m GeV er III Sự va chạm Hadron: Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH 16 Năm Dạng và Năng Hạt va Những thí Máy gia tốc Vị trí vận kích lượng chạm nghiệm hành thước của tia Vòng Intersecting 1971- Proton/ 31.5 CERN tròn Storage Rings 1984 Proton GeV (948 m) (Super Vòng 1981- Proton/ Proton CERN tròn (6.9 UA1, UA2 1984 Antiproton Synchrotron) km) Vòng Tevatron 1992- Proton/ 900 Fermilab tròn CDF, D0 Run I 1995 Antiproton GeV (6.3km ) Vòng Tevatron 2001- Proton/ 980 Fermilab tròn (6.3 CDF, D0 Run II present Antiproton GeV km) 100 RHIC Vòng Polarized 2000- đến PHENIX, proton+proton BNL tròn (3.8 Proton/ present 250 STAR mode km) Proton GeV Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH 17 ALICE, Vòng Large Hadron 2008- Proton/ ATLAS, CERN tròn (27 7 TeV Collider present Proton CMS, LHCb, km) TOTEM Va chạm Electron-proton : Năm Năng Năng Máy gia Dạng và Vị trí hoạt lượng lượng Thí nghiệm tốc kích thước động electron proton Vòng H1, ZEUS, 1992(- HERA DESY tròn(6336 27.5 GeV 920 GeV HERMES, 2007) m) HERA-B Va chạm ion: Hình Năm Năng dạng và Ion được Cuộc thử Máy gia tốc Vị trí vận lượng kích dùng nghiệm hành ion thước Au-Au; Brookhaven STAR, Relativistic Cu-Cu; d- 0.1 TeV National PHENIX, Heavy Ion 2000- 3.8 km Au; per Laboratory, Brahms, Collider polarized nucleon New York Phobos pp Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH 18 Large Vòng 2.76 Hadron CERN 2008- tròn Pb-pb TeV per ALICE Collider, ion (27km) nucleon mode 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 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH 19 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 một vật có khối lượng, và được biểu diễn bằng công thức L = r × p, nhưng spin trong cơ học lượng tử vẫn tồn tại ở một hạt với khối lượng bằng 0, bởi vì spin là bản chất nội tại của hạt đó. Các hạt cơ bản như electron có thể có spin khác 0, ngay cả khi nó được coi là chất điểm và không có cấu trúc nội tại. Khái niệm spin được đưa ra lần đầu vào năm 1925 bởi Ralph Kronig và, đồng thời, bởi George Unlenbeck và Samuel Goudsmit một cách độc lập. 2.1.2