Laboratoriot ja kokeet Osa 2. Paula Eerola Fysiikan laitos ja Fysiikan tutkimuslaitos 24.5.2010
Aiheet CERN LHC ja LHC-kokeet Fermilab Tulevaisuuden suunnitelmat P. Eerola, AFO 26.5.2010 2
The Tevatron pp collider: 6.5 km circumference Beam energy: 980 GeV s=1.96 TeV 36 bunches: Time between bunches: t=396 ns Main challenges: Anti-proton production and storage Irregular failures: Quenches CDF and DØ experiments: 700 physicists/experiment Chicago 3
P. Eerola, AFO 26.5.2010 4
P. Eerola, AFO 26.5.2010 5
P. Eerola, AFO 26.5.2010 6
P. Eerola, AFO 26.5.2010 7
P. Eerola, AFO 26.5.2010 8
P. Eerola, AFO 26.5.2010 9
P. Eerola, AFO 26.5.2010 10
P. Eerola, AFO 26.5.2010 11
P. Eerola, AFO 26.5.2010 12
P. Eerola, AFO 26.5.2010 13
P. Eerola, AFO 26.5.2010 14
P. Eerola, AFO 26.5.2010 15
P. Eerola, AFO 26.5.2010 16
P. Eerola, AFO 26.5.2010 17
P. Eerola, AFO 26.5.2010 18
P. Eerola, AFO 26.5.2010 19
Tevatron Integrated Luminosity Ldt= 6.9 fb -1 N event = cross section x Ldt x Efficiency Given by Nature (calculated by theorists) accelerator Detector (Experimentalist) 20
CDF Core detector operates since 1985: Central Calorimeters Central muon chambers Major upgrades for Run II (2003 ): Drift chamber: COT Silicon: SVX, ISL, L00 8 layers 700k readout channels 6 m 2 material:15% X 0 Forward calorimeters Forward muon system Improved central too Time-of-flight Preshower detector Timing in EM calorimeter Trigger and DAQ 21
DØ Detector Retained from Run I Excellent muon coverage Compact high granularity LAr calorimeter New for run 2: 2 Tesla magnet Silicon detector Fiber tracker Trigger and Readout Forward roman pots 22
DØ Detector 23
Higgsin löytyminen mahdollista, Tevatron toimii loistavasti Kokeiden ikääntyminen ja säteilyvauriot riski 24
LHC vs. Tevatron LHC (design) LHC (juuri nyt) Tevatron (achieved) Törmäysenergia 14 TeV 7 TeV 1.96 TeV Kimppujen lkm 2808 6 36 Kimppujen väli 25 ns 396 ns Suihkujen kokonaisenergia 360 MJ ~muutama MJ 1 MJ Huippuluminositeetti 10 33-10 34 cm -2 s -1 7 x 10 28 cm -2 s -1 3.5 x 10 32 cm -2 s -1 Integroitu luminositeetti / vuosi 10-100 fb -1 ~1 fb -1? ~2 fb -1 Design-LHC: 7x törmäysenergia, 3-30 x luminositeetti, vaikutusalat 10-1000 x isompia Nyt: vielä on matkaa, mutta Tevatroniakin on käytetty vuodesta 1985 25
Mitä seuraavaksi? Tevatron: 2011 loppuun (jatko 2014 asti?) LHC: 2010-2011 7 TeV, 2013 14 TeV LHC upgrade : intensiteetin nosto Seuraavaksi: Linear Collider e + e - korkealla energialla (500 GeV 3 TeV?) Muon Collider Neutriinokokeet...??? P. Eerola, AFO 26.5.2010 26
e + e - vs Hadron Colliders Circular colliders: Pro: Reuse their power on each turn Con: Synchrotron radiation reduces energy of particles Problem worsens with m 4 Linear colliders: Particle sees each component just once Now more cost-effective for electrons than circular collider => proposal of ILC (=International Linear Collider) Energy loss per turn: Energy loss: e vs p 27
Lineaariset e + e - törmäyttimet ILC International Linear Collider 0.5-1 TeV CLIC Compact Linear Collider 3 TeV P. Eerola, AFO 26.5.2010 28
CLIC P. Eerola, AFO 26.5.2010 29
ILC Baseline Configuration - Schematic 500 GeV CM 1 TeV CM 30 ~30km, 31.5MV/m 2820 bunches, spaced 300ns 5 times per second Luminosity 2 10 34 Paula Eerola Juni 2007
Myonitörmäytin Törmäysenergia: pistemäiset törmäävät hiukkaset (vrt. protonit) Ei merkittävää jarrutussäteilyä (vrt. e + e - ), kompakti Kaksoiskäyttö: voidaan käyttää myös intensiivisten neutriinosuihkujen tuottoon Tällä hetkellä suurin kiinnostus Fermilabissa + µ + 50 % + 50 % µ µ e ν eν e ν eν ν e ν e ν µ 50 % + 50 % µ µ ν Produces high energy ν e, above τ threshold Muon Collider: Zisman March 6, 2010 31
...toisaalta... Myonien tuotto hankalaa (p π µ) Alhainen tuottotodennäköisyys, alkuperäisellä protonisuihkulla täytyy olla hyvin suuri intensiteetti Tuotetut myonit eivät monoenergeettisiä, tarvitaan erilaisia jäähdytys - ym. systeemejä homogeenisen myonisuihkun aikaansaamiseksi Myoneilla on lyhyt elinaika! 2.2 µs omassa leposysteemissä Suihkun tuoton, käsittelyn ja kiihdytyksen täytyy tapahtua nopeasti! Myonien hajoamisissa tuotetut elektronit lämmittävät magneetteja ja aiheuttavat taustasignaaleja detektoreissa P. Eerola, AFO 26.5.2010 32
Neutriinot Neutriinojen luonne (Majorana vai Dirac) ja massat (oskillaatiot) intensiivisen tutkimuksen kohteena Neutriinokokeita (kiihdyttimellä tuotetut neutriinot) tällä hetkellä: CERN Opera detektori, Gran Sasso (Italia), Fermilab Minos detektori, Soudan (US), T2K (Japani) Muita kokeita iso liuta: KATRIN, NEMO3, CUORE/Cuoricino, Gerda, SNO, Borexino, Kamland, Miniboone... Pyhäsalmen kaivoksen neutriinokoesuunnitelmat P. Eerola, AFO 26.5.2010 33
Yhteenveto Elämme mielenkiintoisia aikoja LHC juuri käynnistynyt edellinen suurkiihdytin käynnistyi 1989 (LEP)! Valtava määrä uutta dataa odotettavissa ainakin seuraavalle 10:lle vuodelle Tevatron kilpailuttaa vielä LHC:tä Uusista suurprojekteista päätetään luultavasti vasta sitten, kun LHC:n tulokset on analysoitu kunnolla, ja meillä on parempi tiekartta tulevaisuuden hiukkastutkimukseen P. Eerola, AFO 26.5.2010 34
KIITOS MIELENKIINNOSTA! P. Eerola, AFO 35