Wyzwania dużych eksperymentów fizyki cząstek Michał Turała Kraków, październik 2004

Wyzwania naukowe, techniczne i socjologiczne dużych eksperymentów Duże projekty badawcze fizyki cząstek Problemy fizyki cząstek Laboratorium CERN Akcelerator LHC Eksperyment ATLAS Michał Turała Kraków, październik 2004

Wyzwania naukowe, techniczne i socjologiczne dużych eksperymentów Problemy naukowe Szukanie odpowiedzi na fundamentalne pytania: pochodzenie masy? ciemna materia? liczba wymiarów? symetrie? ....... Michał Turała Kraków, październik 2004

Wyzwania naukowe, techniczne i socjologiczne dużych eksperymentów Problemy naukowe Mamy Model Standardowy ale i wiele pytań: dlaczego jedne czastki są lekkie inne ciężkie?, np.: mν = ~ 0 MeV, me = 0.5 Mev, mt = 170 000 MeV? m = 0 MeV, mZ = ~ 80 000 MeV? gdzie jest grawitacja? Michał Turała Kraków, październik 2004

Wyzwania naukowe, techniczne i socjologiczne dużych eksperymentów Problemy naukowe Poszukiwanie bardzo rzadkich zdarzeń: częstość ich zachodzenia na poziomie 10-4 – 10-13 (raz na dziesięć miliardów zderzeń!) prawdziwe poszukiwanie „igły w lesie” zderzenia protonów o bardzo dużych energiach Michał Turała Kraków, październik 2004

Wyzwania naukowe, techniczne i socjologiczne dużych eksperymentów CERN Laboratorium fizyki cząstek Powstał w roku 1954 (12 państw) Położony na granicy między Szwajcarią i Francją Michał Turała Kraków, październik 2004

Wyzwania naukowe, techniczne i socjologiczne dużych eksperymentów CERN Zjednoczenie fizyków prawie całej Europy (obecnie 20 państw) Własna “konstytucja”, wielka rada - “sejm”, dyrekcja - “rząd”, rady naukowe Finansowanie proporcjonalne do PKB - decyzje podejmowane są przez wszystkich Michał Turała Kraków, październik 2004

Wyzwania naukowe, techniczne i socjologiczne dużych eksperymentów CERN To także największe laboratorium światowe Chiny, Indie, Izrael, Japonia, Kanada, Rosja, USA, i inni Michał Turała Kraków, październik 2004

Wyzwania naukowe, techniczne i socjologiczne dużych eksperymentów CERN Duże laboratorium - duży budżet (MCHF) Potrzeba bardzo dużo różnorodnych urządzeń Jak pogodzić naukę z interesami komercyjnymi? Michał Turała Kraków, październik 2004

Wyzwania naukowe, techniczne i socjologiczne dużych eksperymentów CERN - akceleratory Główne zadanie CERN to stworzenie warunków do przeprowadzania badań w dziedzinie fizyki cząstek Do badania małych obiektów potrzeba dużych urzadzeń, akcelaratorów i spektrometrów Michał Turała Kraków, październik 2004

Wyzwania naukowe, techniczne i socjologiczne dużych eksperymentów CERN - akceleratory Do eksperymentów wykorzystuje się różne rodzaje cząstek (protony, elektrony, antyprotony, mezony, jony, neutrina, itd.) o różnych energiach Złożony kompleks akceleratorów wymaga idealnej synchronizacji Michał Turała Kraków, październik 2004

Wyzwania naukowe, techniczne i socjologiczne dużych eksperymentów Akcelerator LHC Wyższa energia pozwala na głebszą penetrację w materię, uzyskanie dużych gęstości energii, tworzenie nowych ciężkich cząstek Zderzenia wiązek przeciwbieżnych potęgują te efekty Michał Turała Kraków, październik 2004

Wyzwania naukowe, techniczne i socjologiczne dużych eksperymentów Akcelerator LHC LHC bedzie produkować protony o energiach 7 000 000 000 000 eV Aby osiągnac takie energie, bez astronomicznych rozmiarów maszyny, cząstki będą krązyć po kołowej orbicie i będą “popychane” wielokrotnie - obwód pierscienia wynosi 27 km Michał Turała Kraków, październik 2004

Wyzwania naukowe, techniczne i socjologiczne dużych eksperymentów Akcelerator LHC Cząstki są utrzymywane na okręgach dzięki polu magnetycznemu - przy wyższych energiach potrzeba silniejszych pól Magnesy LHC mają pola o natężeniu 83 000 Gausów - setki tysięcy razy więcej niż pole ziemskie Michał Turała Kraków, październik 2004

Wyzwania naukowe, techniczne i socjologiczne dużych eksperymentów Akcelerator LHC Na wytworzenie takich pól normalnymi metodami potrzeba tyle energii elektrycznej ile zużywa duże miasto Będzie ok. 8300 różnych magnesów Sumaryczny prąd w cewkach wyniesie 2 300 000 A Michał Turała Kraków, październik 2004

Wyzwania naukowe, techniczne i socjologiczne dużych eksperymentów Akcelerator LHC Rozwiązaniem są magnesy nadprzewodzące Pracują w temperaturze nadciekłego helu, tj. - 271,5°C Będzie to największa w świecie instalacja z ciekłym helem (700 000 l ciekłego He) Michał Turała Kraków, październik 2004

Wyzwania naukowe, techniczne i socjologiczne dużych eksperymentów Akcelerator LHC W rurze akceleratora będzie 300 000 000 000 000 protonów Dla dokonania pomiarów większość z nich musi krążyć przez 10 godzin Aby to było możliwym potrzebna jest próżnia jak w kosmosie Michał Turała Kraków, październik 2004

Wyzwania naukowe, techniczne i socjologiczne dużych eksperymentów Akcelerator LHC Energia każdego protonu odpowiada energii lecącego komara Ale cząstek jest bardzo dużo i sumaryczna energia jest ogromna Trzeba nad tą energią panować Michał Turała Kraków, październik 2004

Wyzwania naukowe, techniczne i socjologiczne dużych eksperymentów Akcelerator LHC Aby zderzenia były częste wiązki muszą mieć mikronowe rozmiary i muszą się zderzać Akcelerator będzie na dużej płycie skalnej Niespodzianki: wpływ księżyca, pociągi... Michał Turała Kraków, październik 2004

Wyzwania naukowe, techniczne i socjologiczne dużych eksperymentów Eksperymenty LHC Produkty zderzenia cząstek mierzy się za pomocą spektrometrów Urządzenia te muszą rejestrować “wszystko” co powstaje w procesie zderzenia - musza być “hermetyczne” Michał Turała Kraków, październik 2004

Wyzwania naukowe, techniczne i socjologiczne dużych eksperymentów Eksperymenty LHC Przy wyższych energiach rozmiary detektorów są większe Eksperyment ATLAS będzie miał rozmiary dużego 6-pietrowego budynku, i bedzie w ogromnej podziemnej “pieczarze” Michał Turała Kraków, październik 2004

Wyzwania naukowe, techniczne i socjologiczne dużych eksperymentów Eksperymenty LHC Pęczki protonów będą sie zderzać 40 000 000 razy na sekundę Zderzenia będą się nakładać w detektorach Czas, kiedy nastąpiło zderzenie, trzeba mierzyć co do 1 ns Michał Turała Kraków, październik 2004

Wyzwania naukowe, techniczne i socjologiczne dużych eksperymentów Eksperymenty LHC Przy każdym mijaniu pęczków cząstek zderzy się kilka protonów W każdym zderzeniu powstanie kilkadziesiąt cząstek Obraz przypadku jest bardzo skomplikowany Michał Turała Kraków, październik 2004

Wyzwania naukowe, techniczne i socjologiczne dużych eksperymentów Eksperymenty LHC Aby zmierzyć dokładnie parametry wszystkich cząstek detektory muszą być podzielone na małe elementy, których mogą być miliony… Każdy element detektora musi posiadać własny układ rejestrujący Michał Turała Kraków, październik 2004

Wyzwania naukowe, techniczne i socjologiczne dużych eksperymentów Eksperymenty LHC Detektory i elektronika są bombardowane przez produkowane cząstki Detektory i elektronika muszą być odporne na promieniowanie Michał Turała Kraków, październik 2004

Wyzwania naukowe, techniczne i socjologiczne dużych eksperymentów Eksperymenty LHC Detektory umożliwiają bardzo dokładny pomiar torów i energii cząstek Ale aby to osiągnąć muszą być dokładnie “wykalibrowane” W tym celu wykorzystuje się impulsy elektryczne, lasery, promieniowanie Roentgena, jak i same cząstki Michał Turała Kraków, październik 2004

Wyzwania naukowe, techniczne i socjologiczne dużych eksperymentów Eksperymenty LHC Nie wszystkie zderzenia są ciekawe - interesujące spodziewane są raz na 1 000 000 000 000 Nie ma potrzeby ani możliwości rejestrowania wszystkich zderzeń - trzeba je więc szybko przeglądać i zapisywać najciekawsze Michał Turała Kraków, październik 2004

Wyzwania naukowe, techniczne i socjologiczne dużych eksperymentów Eksperymenty LHC Ale i tak detektory produkują ogromne ilości informacji Jeden eksperyment dostarcza na rok ok. 1 000 000 000 000 000 bitów Michał Turała Kraków, październik 2004

Wyzwania naukowe, techniczne i socjologiczne dużych eksperymentów Eksperymenty LHC Informację otrzymaną z eksperymentów trzeba: - zarejestrować (dyski), - rozesłać (sieci), - opracować (procesory) Potrzebne będą duże moce obliczeniowe i duże pamięci Disk servers CPU servers Tape silos and servers Michał Turała Kraków, październik 2004

Wyzwania naukowe, techniczne i socjologiczne dużych eksperymentów Eksperymenty LHC Dla zbudowania aparatury, jak i dla jej obsługi, potrzebne są znaczne środki Przy budowie ATLAS’a współpracuje ok. 1500 fizyków i inżynierów z ponad 150 instytucji z 33 krajów Michał Turała Kraków, październik 2004

Wyzwania naukowe, techniczne i socjologiczne dużych eksperymentów Eksperymenty LHC Zarządzanie dużym zespołem, skupionym dobrowolnie wokół projektu, jest bardzo trudne Na kierownictwie spoczywa wielka odpowiedzialność Michał Turała Kraków, październik 2004

Wyzwania naukowe, techniczne i socjologiczne dużych eksperymentów Eksperymenty LHC W dużym projekcie, komunikacja między dziesiątkami zespołów, rozproszonych po całym świecie, jest sprawą trudną W CERN wynaleziono WWW Michał Turała Kraków, październik 2004

Wyzwania naukowe, techniczne i socjologiczne dużych eksperymentów Refleksje końcowe Przyszłe eksperymenty fizyki cząstek stoją przed poważnymi wyzwaniami naukowymi, technologicznymi i socjologicznymi Ale historia uczy że każda generacja ma swoje wyzwania, ale też że potrafi się z nimi uporać Takie są i doświadczenia w dziedzinie fizyki - poprzednie eksperymenty też były trudne ale kończyły sie sukcesami i dostarczały nowych informacji o naszym Świecie Michał Turała Kraków, październik 2004