Fremadvarsler ved LHC • Igor Ivanov • Populære videnskabsopgaver på "Elements" • Fysik

LHC fremadvarsler

I standardforsøg på acceleratorer accelererer de kolliderende bunker af partikler til meget høj energi, kolliderer hovedet og genererer et stort antal sekundære partikler, der flyver i forskellige retninger. Multilagsdetektorer installeres rundt om kollisionspunktet, som registrerer partiklernes passage og måler deres egenskaber. Det er klart, at disse detektorer ikke kan dække den samlede faste vinkel, kun fordi i nogle retninger vakuumrøret kommer ud af detektoren, langs hvilken partiklerne bevæger sig. Hvis de i en kollision afviger i en meget lille vinkel, kunne den centrale detektor simpelthen ikke fange sådanne partikler (figur 1, venstre halvdel).

Fig. 1. Partikler født i kollisioner på en collider registreres normalt af en central detektor (rød pil). Men hvis en partikel starter efter en kollision i en meget lille vinkel til stråleaksen (blå pil) "det flyver væk i røret" og efterlader intet spor i den centrale detektor. Sådanne partikler kan detekteres i stor afstand fra kollisionspunktet ved anvendelse af fremadvarslere, som bevæger sig direkte ind i vakuumrøret tæt på partikelstrålen (sort pil)

Imidlertid har mange moderne acceleratorer, herunder Large Hadron Collider (LHC), en speciel type detektorer kaldet fremadvarslere (dvs. detektorer, som fanger partikler i fremadrettet retning). I modsætning til de enorme ATLAS- eller CMS-enheder er fremadvarslere helt miniatyresensorer, der måler adskillige centimeter skabt ved hjælp af teknologien fra romerske potsdetektorer, der glider ind i vakuumrøret mod protonstrålen (figur 1, højre halvdel). Selvfølgelig kan disse detektorer ikke stå direkte i protonbjælkens vej, fordi strålen er i stand til at brænde gennem mange meter beton, og for ham er den tynde plade af fremadvarsleren intet. For at blive fanget skal partiklen derfor forlade hovedstrålen og afvige til siden med mindst et par millimeter. Da sådanne detektorer er monteret langt fra kollisionsstedet, kan de registrere partikler udgivet i meget lille vinkel til stråleaksen.

Desuden kan disse detektorer fange selv de protoner, der efter kollisioner flyver lige frem i en nul vinkel til stråleaksen.Sandt nok skal protonen miste noget af sin energi under en kollision. En sådan "svag" proton vil ellers blive afbøjet af acceleratorens magnetiske system, og i en vis afstand vil den allerede bevæge sig væk fra den oprindelige bane. I problemet foreslås det at beregne denne effekt.

opgave

Protonet på Large Hadron Collider kan have tabt 1% af sin energi efter en kollision, men samtidig fortsætter den med at flyve fremad. Hvor langt Fra kollisionspunktet skal du sætte en fremadvarsler, så han kunne registrere en sådan proton? Vi antager, at detektoren fanger en proton, der afviger fra strålebanen med 1 cm, og for enkelheden antager vi, at protonstrålen flyver inde i Large Hadron Collider langs en ringvej med en radius på 4 km i et ensartet magnetfelt.


hjælpe

Først skal du tegne en protonbane med nominel energi og med energi en procent mindre. Da i begge tilfælde bevægelsen foregår i et ensartet magnetfelt, så kan man herfra finde forholdet mellem kredsløbene i kredsløbene i disse to tilfælde. I dette tilfælde må vi ikke glemme, at protonerne på Large Hadron Collider er ultrarelativistiske, det vil sige at de bevæger sig i hastigheder meget tæt på lysets hastighed.Derefter vil simple geometriske beregninger føre til et svar.


beslutning

Når en ladet partikel kommer ind i et magnetisk felt af intensitet B, begynder den at bevæge sig i en cirkulær sti med en radius

her p – partikelmoment, og q – hendes gebyr Denne formel egner sig både til ikke-relativistiske partikler og for partikler, der bevæger sig i nært lyshastigheder. For ultrarelativistiske partikler er momentumet omtrent lig med energien divideret med lysets hastighed. Derfor, hvis protonenergien falder med 1%, falder momentet og dermed radius af bane omkring det samme.

Nu skal vi finde ud af, hvordan de to cirkulære baner, der berører hinanden, afviger, og i hvilken afstand fra berøringspunktet når afstanden mellem dem 1 cm. Til at begynde med bemærker vi, at disse baner på et diametralt modsat punkt vil afvige med 0,01 · 8 km = 80 meter. Vi behøver kun en afvigelse på 1 cm. Det er klart, at en sådan afvigelse vil blive opnået på en lille buet, det vil sige i en afstand fra kollisionspunktet meget mindre end cirkelens radius. Og dette tillader i stedet for den nøjagtige ligning i cirklen at anvende forenklede formler.

Fig. 2. Sektioner af to cirkulære stier med lidt forskellige radii

Lad aksen x er rettet langs tangens til cirklen ved kollisionspunktet og aksen y – den er rettet radialt (fig. 2) Så på x << R cirkulær sti med en radius R vil bevæge sig væk fra tangenten ca.

Vi er nødt til at finde ud af, hvordan to baner med radier, der adskiller sig med 1 procent, afviger i forhold til hinanden:

Dermed afstanden x det viser sig

Ved udskiftning af tal giver det ca. 90 meter.


efterskrift

Fig. 3. Partikelproduktion i sammenløbet af to pomeron i protonkollisioner

Den type protonkollisioner, der beskrives i dette problem (når protoner ikke falder fra hinanden under en kollision, men kun mister en lille del af deres energi og fortsætter med at flyve fremad), tages ikke fra loftet: Sådanne kollisioner forekommer jævnligt og har stor interesse for fysikere. Under en sådan kollision er det ikke protonerne selv, der er alvorligt påvirket, men deres "stærkt interaktive skygger", pomeronerne. Pomeron er et specielt dynamisk objekt bestående af gluoner, som relativt set kan udsende en proton med meget høj energi midlertidigt.Pomeroner er som usynlige tilhængere af et hurtigtflyvende proton, og derfor kan to imod protoner kollidere med deres "pomeron clouds". Selve navnet "Pomeron" er en hyldest til den fremragende sovjetiske teoretiske fysiker Isaac Pomeranchuk, der længe før udseendet af quark-gluon-beskrivelsen af ​​stærke interaktioner gættede, at et sådant objekt skulle opstå, når protoner kolliderer med meget høje energier.

I sådanne processer åbnes en yderligere facet af fysikken med stærke interaktioner, hvilket ikke er synligt i hårde kollisioner af kvarker eller gluoner. Disse processer kaldes diffraktion, fordi de i mange henseender ligner lysets diffraktion, kun her forekommer det ikke med lys, men med protonerne selv. Faktisk er protondiffraktion – det vil sige en lille afvigelse fra den oprindelige bane i elastiske kollisioner – netop gennem udveksling af pomeron. Det vigtigste videnskabelige spørgsmål her er at forstå alle detaljer om hvordan de individuelle gluoner dannes i et sådant kollektivt objekt, Pomeron.

I kollisionen af ​​pomeron kan forskellige partikler genereres, herunder Higgs boson.I modsætning til den normale fødsel af Higgs boson er en sådan fødselsmekanisme meget "ren", den har ikke mange partikler, "fragmenter" af protonen, og derfor er det praktisk at studere det eksperimentelt.

Til undersøgelsen af ​​denne og andre lignende processer er der faktisk installeret fremadvarslere på LHC. Som et led i TOTEM-eksperimentet ligger et sæt romersk potter i en afstand på 147 meter og den anden – 220 meter fra kollisionspunkterne. Det er planlagt at installere en anden batch af sådanne detektorer i en afstand på 420 meter (hvilket er helt konsistent i størrelsesorden med svaret fra vores problem). For at pålideligt identificere to pomeron kollisionshændelser bør disse detektorer imidlertid ikke kun registrere protoner, men bestemme også tidspunktet for deres indtræden i detektoren med meget høj nøjagtighed, med en fejl på ikke mere end 10 picosekunder – og åh, hvor svært det er at opnå en sådan midlertidig opløsning.


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: