Theory Finnish (Finland) Suuri hadronitörmäytin (Large Hadron Collider, LHC) (10 pistettä)

Samankaltaiset tiedostot
Suhteellisuusteoriasta, laskuista ja yksiköistä kvantti- ja hiukkasfysiikassa. Tapio Hansson

Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

Suomalainen tutkimus LHC:llä. Paula Eerola Fysiikan laitos ja Fysiikan tutkimuslaitos

Hiukkaskiihdyttimet. Tapio Hansson

Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

Ydin- ja hiukkasfysiikka 2014: Harjoitus 5 Ratkaisut 1

Alkeishiukkaset. perushiukkaset. hadronit eli kvarkeista muodostuneet sidotut tilat

Sähköstatiikka ja magnetismi

perushiukkasista Perushiukkasia ovat nykykäsityksen mukaan kvarkit ja leptonit alkeishiukkasiksi

Magneettikentät. Haarto & Karhunen.

Korrelaatiofunktio ja pionin hajoamisen kinematiikkaa

n=5 n=4 M-sarja n=3 L-sarja n=2 Lisäys: K-sarjan hienorakenne K-sarja n=1

Luku 27. Tavoiteet Määrittää magneettikentän aiheuttama voima o varattuun hiukkaseen o virtajohtimeen o virtasilmukkaan

Teoreettinen hiukkasfysiikka ja kosmologia Oulun yliopistossa. Kari Rummukainen

Paula Eerola

Higgsin bosonin etsintä CMS-kokeessa LHC:n vuosien 2010 ja 2011 datasta CERN, 13 joulukuuta 2011

Leptonit. - elektroni - myoni - tauhiukkanen - kolme erilaista neutriinoa. - neutriinojen varaus on 0 ja muiden leptonien varaus on -1

Varatun hiukkasen liike

Havainto uudesta 125 GeV painavasta hiukkasesta

Kvantittuminen. E = hf f on säteilyn taajuus h on Planckin vakio h = 6, Js = 4, evs. Planckin kvanttihypoteesi

Varatun hiukkasen liike

Magneettikenttä. Liikkuva sähkövaraus saa aikaan ympärilleen sähkökentän lisäksi myös magneettikentän

Hyvä käyttäjä! Ystävällisin terveisin. Toimitus

erilaisten mittausmenetelmien avulla

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 2 Kevät 2017

Opetusesimerkki hiukkasfysiikan avoimella datalla: CMS Masterclass 2014

Hiukkasfysiikka. Katri Huitu Alkeishiukkasfysiikan ja astrofysiikan osasto, Fysiikan laitos, Helsingin yliopisto

Sähköstatiikka ja magnetismi Coulombin laki ja sähkökenttä

Ydin- ja hiukkasfysiikka: Harjoitus 1 Ratkaisut 1

Luku 23. Esitiedot Työ, konservatiivinen voima ja mekaaninen potentiaalienergia Sähkökenttä

TÄSSÄ ON ESIMERKKEJÄ SÄHKÖ- JA MAGNETISMIOPIN KEVÄÄN 2017 MATERIAALISTA

Kvanttifysiikan perusteet 2017

Fysiikka 1. Coulombin laki ja sähkökenttä. Antti Haarto

ELEKTRONIN LIIKE MAGNEETTIKENTÄSSÄ

LHC kokeet v J.Tuominiemi /

MasterClass 14. Hiukkasfysiikan kokeet

Fysiikka 7. Sähkömagnetismi

Kuvan 4 katkoviivalla merkityn alueen sisällä

Shrödingerin yhtälön johto

LHC -riskianalyysi. Emmi Ruokokoski

Luento 10: Työ, energia ja teho. Johdanto Työ ja kineettinen energia Teho

SMG KENTTÄ JA LIIKKUVA KOORDINAATISTO

a) Piirrä hahmotelma varjostimelle muodostuvan diffraktiokuvion maksimeista 1, 2 ja 3.

CERN ja Hiukkasfysiikan kokeet Mikä se on? Mitä siellä tehdään? Miksi? Mitä siellä vielä aiotaan tehdä, ja miten? Tapio Lampén

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 4 Kevät 2017

FY6 - Soveltavat tehtävät

Hiukkasfysiikan kokeet

Uusimmat tulokset ATLAS-kokeen Higgs hiukkasen etsinnästä

Erityinen suhteellisuusteoria (Harris luku 2)

Hiukkasfysiikan kokeet

Keski-Suomen fysiikkakilpailu

Teoreetikon kuva. maailmankaikkeudesta

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

Tampere Higgsin bosoni. Hiukkasen kiinnostavaa? Kimmo Tuominen! Helsingin Yliopisto

Synkrotronisäteily ja elektronispektroskopia. Tutkimus Oulun yliopistossa

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 3 Kevät E 1 + c 2 m 2 = E (1) p 1 = P (2) E 2 1

1.1 Magneettinen vuorovaikutus

RATKAISUT: 19. Magneettikenttä

Tfy Fysiikka IIB Mallivastaukset

Fysiikka 8. Aine ja säteily

Varatun hiukkasen liike

Kuva 2. LHC-dipolimagneetin poikkileikkaus, jossa näkyy suprajohtavan magneettikelan paikka suihkuputkien ympärillä.

RATKAISUT: 18. Sähkökenttä

1 WKB-approksimaatio. Yleisiä ohjeita. S Harjoitus

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2013 Insinöörivalinnan fysiikan koe , malliratkaisut

763105P JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 1 Ratkaisut 5 Kevät 2016

Luvun 8 laskuesimerkit

Luento 10: Työ, energia ja teho

Vedetään kiekkoa erisuuruisilla voimilla! havaitaan kiekon saaman kiihtyvyyden olevan suoraan verrannollinen käytetyn voiman suuruuteen

763105P JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 1 Ratkaisut 5 Kevät 2013

a P en.pdf KOKEET;

Monissa fysiikan probleemissa vaikuttavien voimien yksityiskohtia ei tunneta

Jakso 8. Ampèren laki. B-kentän kenttäviivojen piirtäminen

Aiheena tänään. Virtasilmukka magneettikentässä Sähkömagneettinen induktio. Vaihtovirtageneraattorin toimintaperiaate Itseinduktio

SUPER- SYMMETRIA. Robert Wilsonin Broken Symmetry (rikkoutunut symmetria) Fermilabissa USA:ssa

Mikä on CERN? Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2009, insinöörivalinnan fysiikan koe , malliratkaisut

(1) (2) Normalisointiehdoksi saadaan nytkin yhtälö (2). Ratkaisemalla (2)+(3) saamme

Tervetuloa. Espoon yhteislyseo, Ivalon ja Kuninkaantien lukiot

Kesätöihin CERNiin? Santeri Laurila & Laura Martikainen Fysiikan tutkimuslaitos (HIP) Santeri Laurila & Laura Martikainen / HIP

SATE1120 Staattinen kenttäteoria kevät / 5 Laskuharjoitus 14: Indusoitunut sähkömotorinen voima ja kertausta magneettikentistä

Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka Kari Sormunen Kevät 2012

Coulombin laki. Sähkökentän E voimakkuus E = F q

Luento 5: Käyräviivainen liike. Käyräviivainen liike Heittoliike Ympyräliike Kulmamuuttujat θ, ω ja α Yhdistetty liike

Fysiikan olympiavalmennus, avoin sarja Palautus mennessä

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

SATE2180 Kenttäteorian perusteet Faradayn laki ja sähkömagneettinen induktio Sähkötekniikka/MV

Kerrataan harmoninen värähtelijä Noste, nesteen ja kaasun aiheuttamat voimat Noste ja harmoninen värähtelijä (laskaria varten)

KYSYMYS: Lai*akaa varaukset järjestykseen, posi9ivisesta nega9ivisempaan.

Vastaa kaikkiin kysymyksiin. Oheisista kaavoista ja lukuarvoista saattaa olla apua laskutehtäviin vastatessa.

5.9 Voiman momentti (moment of force, torque)

763306A Johdatus suhteellisuusteoriaan 2 Kevät 2013 Harjoitus 1

SÄHKÖ KÄSITTEENÄ. Yleisnimitys suurelle joukolle ilmiöitä ja käsitteitä:

Laboratoriot ja kokeet

Sähkömagneettinen induktio

Energia, energian säilyminen ja energiaperiaate

Elektroniikka. Tampereen musiikkiakatemia Elektroniikka Klas Granqvist

8. Hiukkasfysiikka ja kosmologia

Alkeishiukkaset. Standarimalliin pohjautuen:

Fysiikka 7 muistiinpanot

Transkriptio:

Q3-1 Suuri hadronitörmäytin (Large Hadron Collider, LHC) (10 pistettä) Lue erillisessä kuoressa olevat yleisohjeet ennen tämän tehtävän aloittamista. Tässä tehtävässä tarkastellaan maailman suurimman hiukkasfysiikan tutkimuslaitoksen CERNin LHChiukkaskiihdyttimellä (Large Hadron Collider) tehtävää tutkimusta, jonka tavoitteena on kehittää ymmärrystämme luonnon toiminnan lainalaisuuksista, luonnonlaiesta. Kaksi hiukkassuihkua kiihdytetään ja lopulta ohjataan ympyränmuotoisessa kiihdytinrenkaassa voimakkaiden magneettikenttien avulla törmäämään toisiinsa. Korkeaenergisissä törmäyksissä syntyviä hiukkasia tutkitaan suurilla ilmaisimilla. Lisää tietoa kiihdyttimestä löydät taulukosta 1. LHC-rengas Renkaan ympärysmitta (piiri) 26659 m Protonisuihkun muodostavien kimppujen lukumäärä 2808 Kimpun sisältämien protonien lukumäärä 1.15 10 11 Protonisuihkut Protonien energia 7.00 TeV Törmäysenergia massakeskipistekoordinaatistossa 14.0 TeV Taulukko 1: LHC-kiihdyttimeen liittyviä lukuarvoja Hiukkasfyysikot käyttävät omia käteviä energian, liikemäärän ja massan yksiköitä: Energian yksikkönä käytetään elektronivolttia [ev]. Yksi elektronivoltti 1 ev vastaa energiaa, jonka yhden sähköisen alkeisvarauksen omaava hiukkanen saa kulkiessaan yhden voltin potentiaalieron läpi (1 ev = 1.602 10 19 kg m 2 /s 2 ). Liikemäärää mitataan yksikössä ev/c ja massaa vastaavasti yksikössä ev/c 2, missä c on valon nopeus tyhjiössä. Koska 1 ev vastaa hyvin pientä energiamäärää, käytetään usein yksiköitä MeV (1 MeV = 10 6 ev), GeV (1 GeV = 10 9 ev) sekä TeV (1 TeV = 10 12 ev). Osassa A tarkastellaan protonien ja elektronien kiihdyttämistä. Osassa B tarkastellaan törmäyksissä syntyvien hiukkasten tunnistamista. Osa A. LHC-kiihdytin (6 pistettä) Kiihdytys: Oletetaan, että protoneja on kiihdytetty jännitteellä V siten, että nopeus on hyvin lähellä valonnopeutta. Jätä huomiotta säteilyn ja muiden hiukkasten kanssa tapahtuvien törmäysten aiheuttamat energiahäviöt. A.1 Ilmaise protonien loppunopeus v kiihdytysjännitteen V ja luonnonvakioiden avulla. 0.7pt Tulevaisuudessa LCH:llä tuotettuja protoneja on tarkoitus törmäyttää 60.0 GeV (liike-energian omaavien) elektronien kanssa.

Q3-2 A.2 Korkeaenergisille hiukkasille, joiden lepomassa on pieni, loppunopeuden suhteellinen poikkeama Δ = (c v)/c valonnopeudesta on hyvin pieni. Käytä poikkeaman lausekkeeseen ensimmäisen asteen approksimaatiota ja laske poikkeama Δ kiihdytysjännitteen V ja luonnonvakioiden avulla 60.0 GeV elektroneille. 0.8pt Palataan vielä LHC:hen ja protoneihin. Oletetaan suihkun radan olevan ympyrän muotoinen. A.3 Johda protonisuihkun ympyräradalla pitämiseksi vaaditun homogeenisen ja yhdensuuntaisen magneettikentän magneettivuon tiheyden B lauseke. Lausekkeessa saa esiintyä ainoastaan protonien energia E, radan ympärysmitta L, luonnonvakioita sekä numeroita. Voit käyttää myös approksimaatioita, mikäli niiden vaikutus on pienempi kuin merkitsevien lukujen asettama tarkkuus. Laske magneettivuon tiheys B protoneille, joille E = 7.00 TeV. Jätä huomiotta protonien keskinäinen vuorovaikutus. 1.0pt Säteilyteho: Kiihtyvässä liikkeessä oleva sähköisesti varattu hiukkanen säteilee energiaa sähkömagneettisina aaltoina. Vakiokulmanopeudella ympyrärataa kiertävän hiukkasen säteilyteho P rad riippuu ainoastaan sen kiihtyvyydestä a ja varauksesta q, sekä valonnopeudesta c ja tyhjiön permittiivisyydestä ε 0. A.4 Määritä säteilytehon P rad lauseke dimensioanalyysin avulla. 1.0pt Säteilytehon täydellinen klassinen lauseke sisältää lisäksi tekijän 1/(6π). Täydellinen relativistinen muoto sisältää vielä lisäksi tekijän γ 4, missä γ = (1 v 2 /c 2 ) 1 2. A.5 Laske LHC:n protoneille, joille E = 7.00 TeV (ks. taulukko 1), niiden kokonaissäteilyteho P tot. Voit käyttää sopivia approksimaatioita. 1.0pt Lineaarinen kiihdytys: Ennen LHC:n ympyrärataa levossa olevat protonit kiihdytetään lineaarikiihdyttimellä, jonka pituus on d = 30.0 m ja kiihdytysjännite on V = 500 MV. Oletetaan, että kiihdyttävä sähkökenttä on homogeeninen. Lineaarikiihdytin koostuu kahdesta levystä kuvan 1 mukaisesti.

Q3-3 A.6 Määritä protoneilta sähkökentän läpikulkuun kuluva (lento-) aika T. 1.5pt d + - V Kuva 1: Periaatekuva lineaarikiihdyttimestä.

Q3-4 Osa B. Hiukkasten tunnistaminen (4 pistettä) Lentoaika: Törmäyksessä syntyvien korkeaenergisten hiukkasten tunnistaminen on tärkeää vuorovaikutusprosessin ymmärryksen kannalta. Tämä voidaan tehdä yksinkertaisesti määrittämällä aika (t), joka hiukkaselta kuluu matkan l kulkemiseen lentoaikailmaisimessa (Time-of-Flight- eli ToF-ilmaisimessa). Taulukossa 2 on tietoa muutamista tyypillisistä tunnistettavista hiukkasista. Hiukkanen Massa [MeV/c 2 ] Deuteroni 1876 Protoni 938 Kaoni (varattu hiukkanen) 494 Pioni (varattu hiukkanen) 140 Elektroni 0.511 Taulukko 2: Hiukkasia massoineen. massa m liikemäärä p y x aika t 1 matka l aika t 2 Kuva 2: Periaatekuva lentoaika-/tof-ilmaisimesta. B.1 Ilmaise hiukkasen lepomassa m sen liikemäärän p, lentomatkan l ja lentoajan t avulla. Oletetaan, että yhden alkeisvarauksen e omaavat hiukkaset kulkevat lähes valonnopeudella ja pitkin suoraa linjaa ToF-ilmaisimessa, ja että kulkusuunta on kohtisuorassa ilmaisinlevyjä vastaan (ks. kuva 2). 0.8pt

Q3-5 B.2 Laske vähimmäispituus l, joka vaaditaan ToF-ilmaisimelta, jotta kaoni voidaan varmasti erottaa pionista, kun molempien liikemääriksi on mitattu 1.00 GeV/c. Erotuskykyä voidaan pitää hyvänä, kun lentoaika on vähintään kolme kertaa ilmaisimen erotuskyky ajan suhteen. ToF-ilmaisimen tyypillinen erotuskyky ajan suhteen on 150 ps (1 ps = 10 12 s). 0.7pt Tarkastellaan koeasetelmaa, missä LHC:llä tuotettuja hiukkasia tunnistetaan kaksiosaisella ilmaisinkokoonpanolla, joka koostuu lentoratailmaisimesta ja ToF-ilmaisimesta. Koeasetelma on kuvattu hiukkassuihkua vastaan kohtisuorana ja sen suuntaisena poikkileikkauksena kuvassa 3. Molemmat ilmaisimet on rakennettu suihkun suuntaisina putkina törmäyskohdan ympärille. Lentoratailmaisin mittaa varatun hiukkasen lentorataa magneettikentässä, joka on yhdensuuntainen protonisuihkun kanssa. Lentoradan säteen r avulla voidaan laskea hiukkasen poikittainen liikemäärä p T. ToF-ilmaisin tarvitsee vain yhden ilmaisinputken, koska aika mitataan tunnetusta törmäyshetkestä.. ToF-ilmaisin on sijoitettu välittömästi lentoratailmaisimen ulkopuolelle. Tässä tehtävässä voit olettaa kaikkien törmäyksessä syntyvien hiukkasten kulkevan poikittaissuunnassa suihkua vasten, toisin sanoen, että näillä hiukkasilla ei ole suihkun suuntaista liikemäärää. y x (2) y z (2) (1) (4) (4) (3) R (1) (5) (3) (5) (4) poikittaistaso suihkun rataa seuraava (1) pitkittäinen poikkileikkaus (1) - ToF-ilmaisin (-putki) (2) - lentorata (3) - törmäyspiste (4) - lentoratailmaisin (5) - protonisuihku - magneettikenttä Kuva 3: Lentoratailmaisimesta ja ToF-ilmaisimesta koostuva kokeellinen asetelma hiukkasten tunnistusta varten. Molemmat ilmaisimet ovat laitteiston keskellä olevaa törmäyspistettä ympäröiviä putkia. Vasemmalla: suihkusuuntaa vastaan kohtisuora poikkileikkaus. Oikealla: suihkun suuntainen poikkileikkaus. Hiukkanen liikkuu kohtisuoraan suihkusta poispäin.

Q3-6 B.3 Ilmaise hiukkasen massa magneettivuon tiheyden B, ToF-ilmaisinputken säteen R, luonnonvakioiden, mitatun lentoradan säteen r sekä mitatun lentoajan t avulla. 1.7pt Olemme havainneet neljä hiukkasta ja haluamme tunnistaa ne. Lentoratailmaisimessa käytetty magneettivuon tiheys oli B = 0.500 T. ToF-ilmaisinputken säde R oli 3.70 m. Mittausten tulokset olivat (1 ns = 10 9 s): Hiukkanen Lentoradan säde r [m] Lentoaika t [ns] A 5.10 20 B 2.94 14 C 6.06 18 D 2.31 25 B.4 Laske hiukkasten massat ja tunnista ne. 0.8pt