Wyzwania dużych eksperymentów fizyki cząstek

Prezentacja na temat: "Wyzwania dużych eksperymentów fizyki cząstek"— Zapis prezentacji:

1 Wyzwania dużych eksperymentów fizyki cząstek
Michał Turała Kraków, październik 2004

2 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

3 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

4 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 = MeV? m = 0 MeV, mZ = ~ MeV? gdzie jest grawitacja? Michał Turała Kraków, październik 2004

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

6 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

7 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

8 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

9 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

10 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

11 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

12 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

13 Wyzwania naukowe, techniczne i socjologiczne dużych eksperymentów
Akcelerator LHC LHC bedzie produkować protony o energiach 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

14 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 Gausów - setki tysięcy razy więcej niż pole ziemskie Michał Turała Kraków, październik 2004

15 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 różnych magnesów Sumaryczny prąd w cewkach wyniesie A Michał Turała Kraków, październik 2004

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

17 Wyzwania naukowe, techniczne i socjologiczne dużych eksperymentów
Akcelerator LHC W rurze akceleratora będzie 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

18 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

19 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

20 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

21 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

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

23 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

24 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

25 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

26 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

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

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

29 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

30 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 fizyków i inżynierów z ponad 150 instytucji z 33 krajów Michał Turała Kraków, październik 2004

31 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

32 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

33 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