Bài thực hành môn phương pháp nghiên cứu khoa học máy gia tốc hạt

  • Số trang: 54 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 21 |
  • Lượt tải: 0
nganguyen

Đã đăng 34173 tài liệu

Mô tả:

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 Lịch sử máy gia tốc hạt: .......................................................4 1. 1.1) Định nghĩa máy gia tốc hạt: ...........................................................4 1.2) Phân loại máy gia tốc hạt: ..............................................................4 1.2.1) 1.2.2) Máy gia tốc thẳng:.................................................................................. 4 Máy gia tốc vòng: .................................................................................. 4 1.3) Máy gia tốc hạt đầu tiên: ................................................................5 1.4) Một số máy gia tốc hiện nay:[].......................................................6 Vai trò của máy gia tốc:......................................................18 2. 2.1) Tìm hạt cơ bản .............................................................................18 2.1.1) 2.1.2) 2.1.3) 2.1.4) Định nghĩa: ...........................................................................................18 Tính chất:..............................................................................................18 Phân loại các hạt cơ bản: .......................................................................20 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) 2.3.2) Ý tưởng cho sự tồn tại của hạt Higgs: ....................................................31 Manh mối tìm ra hạt Higgs:...................................................................34 2.4) Chứng minh thực nghiệm:............................................................34 2.4.1) 2.4.2) Tìm trạng thái lỗ đen lượng tử:[] ...........................................................34 Vật chất tối:...........................................................................................35 MÁY GIA TỐC LHC:........................................................36 3. 3.1) 3.2) 3.3) 3.4) 3.5) Định nghĩa: ..................................................................................36 Giới thiệu chung: .........................................................................36 Mục đích :[] .................................................................................36 Thiết kế và vận hành: ...................................................................39 Bộ phân tích:................................................................................42 3.5.1) 3.5.2) 3.5.3) 3.5.4) 3.5.5) 3.5.6) ATLAS: ................................................................................................43 CMS: ....................................................................................................44 ALICE: .................................................................................................44 LHCb: ...................................................................................................45 TOTEM: ...............................................................................................45 LHCf: ...................................................................................................46 Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH 2 3.6) 3.7) 3.8) 3.9) 3.10) 4. Quá trình hoạt động......................................................................46 Chi phí .........................................................................................47 Thông tin: ....................................................................................48 Sự an toàn của LHC:[] .................................................................48 Tìm hạt Higgs:[] .......................................................................50 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 Vị trí tốc 9-inch cyclotron 11-inch cyclotron hoạt Dạng động Hạt được Động gia tốc UC Berkeley 1931 Tròn H2+ UC Berkeley 1932 Tròn Proton Thành quả năng chứng 1.0 Kiểm MeV được khái niệm 1.2 MeV Khám phá và 27-inch cyclotron UC Berkeley 19321936 Tròn Deuteron chứng 4.8 kiểm MeV tương tác của hạt Deuteron 37-inch cyclotron 60-inch cyclotron UC Berkeley UC Berkeley 184-inch Berkeley Rad cyclotron Lab[1] Calutrons Oak National Đề tài : Máy gia tốc hạt Ridge 19371938 19391941 1942- 1943- Tròn Deuteron 8 MeV Tròn Deuteron Tròn Various Móng Uranium ngựa nuclei Khám phá ra các chất đồng vị 16 Khám phá ra các MeV chất đồng vị >100 MeV Nghiên cứu sự tách biệt trên đồng vị urani Used to separate isotopes for the dự Môn PPNCKH án 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 Máy gia tốc Vị trí Phòng Cosmotron động Hạt được Động gia tốc năng thí nghiệm quốc Dạng tế Synchrotron trường quả Khám 1953-1968 Vòng tròn (72 m ) Proton 3.3 GeV Brookhaven Birmingham Thành phá mesons nhân tạo đại học 1939- Proton 1 GeV Birmingham Khám phá Berkeley Bevatron Rad Lab ie LBNL 1954- Đường ~1970 thẳng hạt lạ Proton 6.2 GeV :s,antipro ton, antineutr on Đề tài : Máy gia tốc hạt Môn PPNCKH 9 Quan sát Bevalac, kết hợp máy gia tốc thẳng SuperHILA C và máy Các Berkeley Rad Lab ie LBNL hạt sự nén của hạt ~1970- Đường nhân đủ nhân, tia 1993 thẳng vững ion chắc dụng lên tác khối ung Bevatron bứu Saturne Saclay, 3 GeV France December Synchrophas Dubna, otron Zero Gradient Synchrotron Proton Synchrotron Phòng 10 GeV 1949- Russia present thí 12.5 nghiệm quốc gia GeV Argonne CERN 1959- Vòng tròn present (600 m) Proton 28 GeV Alternating Brookhaven Gradient National Synchrotron Laboratory Đề tài : Máy gia tốc hạt J/Ψ, 1960- Proton 33 GeV muon neutrino, Môn PPNCKH 10 CP sự vi phạm trong kaons Stanford SLAC Linac Linear 1966- Accelerator present center Fermilab Booster Fermilab present gia tốc thẳng 3 km Tròn Electron/ Positron Protons 50 GeV 8 GeV Protons Fermilab Main 1970- máy Fermilab Injector 1995present Tròn and antiproto 150 GeV ns 400 GeV Fermilab Main Ring Circular Fermilab 1970-1995 Synchrotro n Protons (until and 1979), antiproto 150 GeV ns thereafte r Super CERN Proton Đề tài : Máy gia tốc hạt 1980present Tròn Protons and ions 480 GeV Môn PPNCKH 11 Synchrotron Bates Linear Middleton, Accelerator MA 1967-2005 Thẳng Electrons phân cực 1 GeV Thomas Jefferson CEBAF với máy gia 1984- Electrons tốc quốc gia present phân cực Newport News, VA Physikalisch es ELSA Institut der 1987- synchrotro Universität present n electrons 3.5 GeV Bonn, Germany Năng Rutherford ISIS neutron source Appleton Laboratory, Didcot, Oxon lượng 1984present H- Linac Protons 800 MeV cao tia proton được vận hành Đề tài : Máy gia tốc hạt khi Môn PPNCKH 12 MAMI Mainz, 855 MeV Electrons Germany accelerator phân cực Supercond Tevatron Fermilab ucting 1978- Circular present Protons 980 GeV Synchrotro n Spallation Oak Ridge Neutron National Source Laboratory Thẳng 2006 - (335 m) và Present tròn (248 800 Protons m) MeV - 1 GeV Sự va chạm của Electron-positron Năng Máy gia tốc Năm Vị trí hành Frascati, AdA vận Italy; Orsay, France Đề tài : Máy gia tốc hạt Hình dạng và chu vi 1964 lượng lượng Positro Thí nghiệm Khám phá electron n công nhận 1961 - Năng Tròn, 3 m 250 250 sự MeV MeV hưởng e+e(1964) Môn PPNCKH ảnh 13 Princeto n- Stanford, Stanford California (e-e-) 1962 1967 2 vòng 300 tròn, 12 m MeV Sản MeV cặp e+e- số VEP-1 (e-e-) Novosibirs 1964 2 k, Soviet - Union tròn, vòng 2.7 1968 m xuất 300 130 130 MeV MeV lượng e+e- trong hiệu ứng phát xạ QED VEPP-2, Novosibirs 1965 VEPP- k, Soviet - 2M Union 1999 e+e- -> π OLYA, Tròn, 700 700 ND, CMD; (1966), 17.88 m MeV MeV SND, e+e- -> γ CMD-2 (1971) SPEAR SLAC Mark I, Mark II, Mark III PEP SLAC SLC SLAC LEP CERN Mark II 45 GeV 1989 Tròn - Đề tài : Máy gia tốc hạt 27km , 104 GeV 45 SLD, Mark GeV II 104 Aleph, Tương tác GeV Delphi, yếu, Môn PPNCKH 14 2000 Opal, L3 ARGUS, 1974 DORIS DESY 1993 Tròn , 300m Crystal 5 GeV 5 GeV Ball, DASP, Sự dao động của B mesons PLUTO 1978 PETRA DESY 1986 JADE, Tròn , 2km 20 GeV 20 MARK-J, khám GeV PLUTO, gluon phá TASSO First CESR Cornell University 1979 2002 tròn, 6 GeV 768m 6 GeV CUSB, observation CHESS, of B decay, CLEO, charmless CLEO-2, and CLEO-2.5, "radiative CLEO-3 penguin" B decays CESR-c PEP-II Cornell University SLAC Đề tài : Máy gia tốc hạt 2002 2008 Tròn 768m , 6 GeV 1998 Tròn , 2.2 9 GeV 6 GeV 3.1 CHESS, CLEO-c Babar CP Môn PPNCKH 15 - km GeV viphạm 2008 trong trúc cấu B meson 1999 KEKB KEK - CP Tròn , 2008 3km 8.0 GeV 3.5 GeV Belle ? Novosibirs 2006 Tròn 2000 k VEPP- Novosibirs 1994 Tròn 4M k - 1989 BEPC China 2004 DAΦNE , 366m Tròn , 240m 1999 Tròn Italy - , 98m 2008 Tròn - , 24m Frascati, BEPC II China phạm trong cấu trúc B meson VEPP- 240m , 1.0 GeV 6.0 GeV 2.2 GeV 0.7 GeV 3.7 GeV 1.0 GeV 6.0 GeV 2.2 GeV 0.7 GeV 3.7 GeV Beijing Spectromet er (I and II) KLOE Beijing Spectromet er III Sự va chạm Hadron: Đề tài : Máy gia tốc hạt vi Môn PPNCKH 16 Máy gia tốc Intersecting Storage Rings Vị trí CERN (Super Proton CERN Năm Dạng và vận kích hành 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 lượng của tia Proton/ 31.5 Proton GeV Proton/ Proton/ 900 Antiproton GeV Proton/ 980 Antiproton GeV Polarized Proton Những nghiệm UA1, UA2 Antiproton tròn (3.8 Proton/ km) va CDF, D0 CDF, D0 100 đến PHENIX, 250 STAR GeV Môn PPNCKH thí 17 Large Hadron Collider CERN 2008present Vòng tròn (27 km) ALICE, Proton/ 7 TeV Proton ATLAS, CMS, LHCb, TOTEM Va chạm Electron-proton : Máy gia tốc HERA Năm Vị trí hoạt động DESY 1992(2007) Dạng và kích thước Năng Năng lượng lượng electron 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 National được Cu-Cu; d- 0.1 TeV 2000- 3.8 km Au; per polarized nucleon pp Cuộc thử nghiệm STAR, PHENIX, Brahms, Phobos Môn PPNCKH 18 Large Vòng Hadron Collider, ion CERN 2008- tròn 2.76 Pb-pb (27km) mode TeV per ALICE nucleon 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. 2.1.2.5 Số lạ: Số lạ là đại lượng đặc trưng lượng tử của các hạt cơ bản, được đưa ra khi nghiên cứu quá trình phân rã 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 PPNCKH
- Xem thêm -