Zaloguj się, aby obserwować tę zawartość
Obserwujący
0
Polscy naukowcy pomogli stworzyć żółty raport nowego Zderzacza Elektron-Jon
dodany przez
KopalniaWiedzy.pl, w Astronomia i fizyka
-
Podobna zawartość
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Naukowcy z Brookhaven National Laboratory zbudowali i przetestowali spolaryzowane działo elektronowe pracujące przy najwyższym napięciu ze wszystkich tego typu urządzeń. Działo jest kluczowym elementem budowanego właśnie Zderzacza Elektron-Jon (EIC). W akceleratorze zderzane będą spolaryzowane elektrony ze spolaryzowanymi protonami i jonami, co pozwoli na badanie podstawowych cegiełek materii.
Zadaniem wspomnianego na wstępie działa będzie dostarczanie strumienia cząstek do tunelu akceleratora o długości niemal 4 kilometrów. Przyspiesza ono elektrony od 0 do 80% prędkości światła na przestrzeni zaledwie 5 centymetrów. Oznacza to, że przyspieszenie od 0 do 863,4 milionów km/h następuje w ciągu 2 dziesięciomiliardowych części sekundy. Jednak nie prędkość tu jest najważniejsza, ta zostanie jeszcze zwiększona w tunelu akceleratora. Największym sukcesem jest możliwość wytwarzania w dziale strumieni cząstek o odpowiednich charakterystykach. Działo dostarcza niewielkich ściśle upakowanych pakietów elektronów, których spiny są w większości zwrócone w tym samym kierunku. To ta wielka gęstość upakowania powoduje, że zwiększa się prawdopodobieństwo doprowadzenia do zderzeń elektronów z protonami lub jonami, które w tunelu akceleratora pędzą w przeciwnym kierunku.
Uzyskanie polaryzacji, czy uzgodnienia spinów cząstek, jest niezwykle ważne z punktu widzenia możliwości osiągnięcia celów naukowych akceleratora. Badanie pochodzenia zjawiska spinu to zresztą jeden z nich. Spin jest odpowiedzialny za strukturę i uporządkowanie materii. Wciąż jednak nie wiemy, jak on powstaje.
EIC będzie pierwszym akceleratorem, w którym naukowcy mogą kontrolować spin zarówno elektronów, jak i jonów. To zaś powinno pozwolić na zmapowanie dystrybucji kwarków i gluonów w protonach i jądrach atomowych oraz zbadać strukturę protonu. Dzięki temu naukowcy mają nadzieję lepiej zrozumieć interakcje pomiędzy kwarkami a gluonami. Interakcje te zachodzą za pomocą oddziaływań silnych, które są najpotężniejszymi oddziaływaniami w naturze.
Wysoce spolaryzowany strumień elektronów osiągnięto dzięki fotokatodzie z arsenku galu. Naukowcy ułożyli go w naprzemienne warstwy. To bardzo złożona wielowarstwowa struktura o grubości 100 nanometrów umieszczona na 0,4-milimetrowym podłożu, wyjaśnia fizyk Erdon Wang. Gdy światło lasera o odpowiednich proporcjach trafia w fotokatodę, opuszcza ją strumień elektronów o uzgodnionych spinach i odpowiednich właściwościach.
Podczas testów nowe działo osiągnęło w ciągu 23 godzin napięcie 350 kV i pracowało bez przerwy przez kolejnych 6 miesięcy. Generowało pakiety składające się z 70 miliardów elektronów każdy. Badania jakości pokazały, że tak uzyskane elektrony mają wszystkie właściwości potrzebne do przeprowadzenia zderzeń. W ciągu dwóch lat testów napięcie zawsze było bardzo stabilne. Nasze działo elektronowe charakteryzuje się najwyższym napięciem i największą intensywnością spolaryzowanego strumienia elektronów, cieszy się Wang.
Zderzacz Elektron-Jon powstaje w Brookhaven National Laboratory na bazie istniejącego tam Relativistic Heavy Ion Collider. Głównym elementem konstrukcji EIC będzie dodanie do RHIC dodatkowego pierścienia tak, by urządzenie składało się z dwóch krzyżujących się akceleratorów. W jednym z nich będą krążyły elektrony, w drugim protony lub jony. Koszt budowy nowego akceleratora ma wynieść 1,7–2,8 miliardów dolarów i jest to jedyny akcelerator zderzeniowy, jakiego budowa jest rozważana w USA w ciągu kolejnych 50 lat. W EIC ma dać odpowiedź na pytanie, skąd bierze się spin protonu oraz wyjaśnić właściwości gluonów.
Obecnie bardzo słabo rozumiemy wewnętrzną strukturę protonów. Wiemy, że proton składa się z trzech kwarków połączonych oddziaływaniami silnymi. Jednak, jako że wkraczamy tutaj na pole fizyki kwantowej, pozostaje wiele niepewności. Wewnątrz protonu pojawiają się i znikają pary kwark-antykwark, ważną rolę odgrywają też gluony, łączące wszystko w całość. Jednak pozostaje jeszcze do wyjaśnienia wiele tajemnic. Na przykład trzy kwarki tworzące proton stanowią mniej niż 5% jego masy. Reszta masy pojawia się w jakiś sposób z energii wirtualnych kwarków i gluonów. Nie wiemy też, skąd się bierze spin protonu. Nie jest on prostą sumą spinów trzech kwarków. Znaczenie mają również gluony oraz orbitujące wokół siebie kwarki. Niewiele wiemy o samych gluonach. Zgodnie z niektórymi teoriami, łączą się one w pojedynczą falę kwantową. EIC znacznie bardziej nadaje się do tego typu badań, niż Wielki Zderzacz Hadronów, w którym protony zderzane są z protonami. W EIC wykorzystywane będą znacznie mniejsze od protonów elektrony, co da łatwiejsze do interpretacji wyniki.
W pracach nad EIC biorą udział naukowcy z 8 polskich instytucji: Akademia Górniczo-Hutnicza, Instytut Fizyki Jądrowej PAN, Narodowe Centrum Badań Jądrowych, Politechnika Krakowska, Politechnika Warszawska, Uniwersytet Jagielloński, Uniwersytet Rzeszowski i Uniwersytet Warszawski, które utworzyły Konsorcjum „The Polish Electron-Ion Collider Group". W NCBJ od dawna prowadzone są badania teoretyczne nad oddziaływaniami silnymi, a Polacy należą do światowej czołówki ekspertów w tej dziedzinie. Przed trzema laty fizycy z Zakładu Fizyki Teoretycznej NCBJ – prof. dr hab. Lech Szymanowski, dr hab. Jakub Wagner i dr Paweł Sznajder pomogli stworzyć tzw. żółty raport EIC, w którym opisano oczekiwania dotyczące akceleratora i wskazano, jak należy go budować, by osiągnąć zakładane cele naukowe.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
CERN pochwalił się osiągnięciem przez Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) rekordowej świetlności. Obok energii wiązki, w przypadku LHC maksymalna energia każdej z wiązek ma wynieść 7 TeV (teraelektronowoltów), to właśnie świetlność jest najważniejszym parametrem akceleratora. Zintegrowana świetlność to najbardziej interesujący fizyka parametr urządzenia. Oznacza ona liczbę zderzeń zachodzących w urządzeniu. A im więcej zderzeń, tym więcej danych dostarcza akcelerator.
Jednostką świetlności jest odwrócony barn (b-1) lub jego jednostki pochodne, jak femtobarny (fb-1). W trakcie pierwszej kampanii naukowej (Run 1), która prowadzona była w latach 2010–2012 średnia zintegrowana świetlność LHC wyniosła 29,2 fb-1. Przez kolejne lata akcelerator był remontowany i rozbudowywany. Druga kampania naukowa miała miejsce w latach 2015–2018. Wówczas, w ciągu czterech lat pracy, akcelerator osiągnął średnią zintegrowaną świetlnośc 159,8 fb-1.
Obecnie trwająca kampania, zaplanowana na lata 2022–2025, rozpoczęła się zgodnie z planem. W roku 2022 efektywny czas prowadzenia zderzeń protonów wyniósł 70,5 doby, a średnia zintegrowana świetlność osiągnęła poziom 0,56 fb-1 na dzień. W roku 2023 rozpoczęły się problemy. Niezbędne naprawy urządzenia zajmowały więcej czasu niż planowano i przez cały rok zderzenia protonów prowadzono jedynie przez 47,5 dnia, jednak średnia zintegrowana świetlność wyniosła 0,71 fb-1 na dzień.
Bieżący rok jest zaś wyjątkowy. Wydajność LHC przewyższyła oczekiwania. Do 2 września 2024 roku akcelerator zderzał protony łącznie przez 107 dni, osiągając przy tym średnią zintegrowaną jasność rzędu 0,83 fb-1 na dzień. Dzięki temu na kilka miesięcy przed końcem trzeciego roku obecnej kampanii naukowej jego średnia zintegrowana świetlność wyniosła 160,4 fb-1, jest zatem większa niż przez cztery lata poprzedniej kampanii.
W bieżącym roku LHC ma też przeprowadzać zderzenia jonów ołowiu. Zanim jednak do tego dojdzie, będzie przez 40 dni pracował z protonami. Powinno to zwiększyć jego zintegrowaną świetlność o koleje 33 fb-1. To o 12 fb-1 więcej niż zaplanowano na bieżący rok.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Amerykański Departament Energii dał zielone światło do rozpoczęcia budowy PIP-II. To projekt znaczącej rozbudowy kompleksu akceleratorowego znajdującego się w Fermilab. Po ukończeniu prac będzie to najpotężniejsze na świecie źródło wysokoenergetycznych neutrin. W przeszłości w Fermilab pracował legendarny Tevatron, urządzenie niezwykle zasłużone dla fizyki. Teraz laboratorium zyska kolejny wyjątkowy instrument badawczy.
PIP-II będzie pierwszym w USA akceleratorem cząstek, w budowę którego znaczący wkład wniosą partnerzy międzynarodowi z Polski, Francji, Indii, Włoch i Wielkiej Brytanii. Dzięki ich współpracy powstanie urządzenie zdolne do generowania wiązek protonów o mocy przekraczającej 1 megawat. To o 60% więcej niż obecne możliwości Fermilab. Dzięki supernowoczesnym rozwiązaniom akcelerator będzie w stanie dostarczyć wiązkę o odpowiednich właściwościach dla różnego rodzaju eksperymentów fizycznych.
Jednym z najważniejszych zadań PIP-II będzie dostarczanie neutrin dla Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE). Akceleratory z Fermilab były siłą napędową eksperymentów, które w ciągu ostatnich 50 lat doprowadziły do znaczących przełomów w fizyce. Oficjalne rozpoczęcie budowy PIP-II oznacza, że jesteśmy o krok bliżej do rozbudowy naszych instalacji i wspierania odkryć naukowych przez kolejnych 50 lat, mówi były dyrektor Fermilab, Nigel Lockyer.
W ramach projektu PIP-II na początku łańcucha akceleratorów znajdujących się w Fermilab powstanie unikatowa potężna elastyczna pierwsze sekcja, wykorzystująca najnowsze osiągnięcia z dziedziny nadprzewodnictwa, wysokoenergetycznych systemów radiowych, sztucznej inteligencji i maszynowego uczenia się. Całość ma pozwolić na szybkie automatyczne dopasowywanie parametrów wiązki do wymagań danego eksperymentu przy minimalnym udziale człowieka.
PIP-II zostanie ukończony w drugiej połowie obecnej dekady. Prace nad niektórymi jego elementami już zbliżają się ku końcowi. Tak jest na przykład z budynkiem zawierającym elementy kriogeniczne. Ta część PIP-II to główny wkład Departamentu Energii Atomowej Indii. A w PIP-II Injector Test Facility przeprowadzono udane testy dwóch modułów kriogenicznych. To pokazuje, że Fermilab stanie się światowym liderem w dziedzinie wykorzystania akceleratorów do badań nad neutrinami, a PIP-II będzie znaczącym wkładem w ten sukces, stwierdziła Harriet King z DOE.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Fizycy zgadzają się co do tego, że nie istnieje cząstka złożona z samych protonów. Jednak od ponad 50 lat szukają cząstki składającej się z więcej niż 2 neutronów. Naukowcy z Uniwersytetu Technicznego w Monachium poinformowali właśnie, że przeprowadzone przez nich eksperymenty wykazały na możliwość istnienia tetraneutronu, hipotetycznej cząstki złożonej z czterech neutronów. I nie są pierwszymi, którzy na istnienie takiej cząstki wskazują.
Już 20 lat temu francuscy naukowcy opublikowali wyniki swoich eksperymentów, a wśród nich sygnał, który zinterpretowali jako pojawienie się długo poszukiwanego tetraneutronu. Później jednak inne grupy badawcze wykazały, że metodologia Francuzów nie mogła dowieść istnienia tetraneutronów.
W 2016 roku Japończycy z RIKEN próbowali uzyskać tetraneutron bombartując hel-4 strumieniem helu-8. W wyniku tych badań stwierdzili, że tetraneutron nie istnieje w stanie związanym, a tworzące go neutrony bardzo szybko rozpierzchają się. Rok później fizycy z USA i Francji stworzyli teoretyczny model tetraneutronu, z którego wynika, że jeśli taka cząstka w ogóle istnieje, to bardzo szybko się rozpada. Nie wiemy więc, czy mogą istnieć tetraneutrony, w których dochodzi do oddziaływań pomiędzy ich poszczególnymi elementami.
Jeśli jednak tetraneutrony istnieją, może to oznaczać, że fizycy muszą przemyśleć koncepcję oddziaływań silnych. To jedne z czterech oddziaływań podstawowych.
Oddziaływania silne to ta siła, która trzyma wszystko razem. Atomy cięższe od wodoru nie mogłyby bez niej istnieć, mówi doktor Thomas Faestermann, który stał na czele grupy badawczej z Monachium.
Niemcy przeprowadzili badania, w ramach których lit-7 bombardowali strumieniem jąder atomowych litu-7. Uzyskane w ich wyniku pomiary odpowiadają sygnałowi węgla-10 oraz tetraneutronowi o energii wiązania wynoszącej 0,42 MeV (+/- 0,16 MeV). Wynika z nich również, że tetraneutron powinien być tak stabilny jak samodzielny neutron, a czas jego półrozpadu powinien wynieść 450 sekund. Naszym zdaniem to jedyne zgodne z fizyką wyjaśnienie naszych pomiarów, mówi doktor Faestermann.
Pewność pomiaru wynosi ponad 99,7%. Jednak... to za zbyt mało. Pewność statystyczna dla tej wartości to 3σ. Tymczasem w fizyce istnienie cząstki uznaje się za udowodnione, jeśli pewność statystyczna wynosi co najmniej 5σ. Ten poziom oznacza, że ryzyko, iż sygnał jest fałszywy, wynosi 1:3 500 000. Dlatego też naukowcy z Monachium z niecierpliwością czekają, by inny zespół niezależnie potwierdził ich spostrzeżenia.
Wyniki badań zostały opublikowane w Physical Letters B.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Nadeszły długo oczekiwane pierwsze wyniki badań w eksperymencie Muon g-2 prowadzonym przez Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab). Pokazują one, że miony zachowują się w sposób, który nie został przewidziany w Modelu Standardowym. Badania, przeprowadzone z bezprecedensową precyzją, potwierdzają sygnały, jakie inni naukowcy zauważali od dekad. Jeśli się potwierdzą, będzie to wyraźnym dowodem, iż miony wykraczają poza Model Standardowy i mogą wchodzić w interakcje z nieznaną cząstką.
To wyjątkowy dzień, długo oczekiwany nie tylko przez nas, ale przez całą społeczność fizyków, mówi Graziano Venanzoni, fizyk z Włoskiego Narodowego Instytutu Fizyki Jądrowej, rzecznik eksperymentu Muon g-2.
Miony są około 200 razy bardziej masywne niż ich kuzyni, elektrony. Występują w promieniowaniu kosmicznym docierającym do Ziemi, a w akceleratorach cząstek potrafimy uzyskiwać je w dużych ilościach. Podobnie jak elektrony, miony zachowują się tak, jakby zawierały magnes. Jak wiemy ze wzoru wprowadzonego przez Paula Diraca, twórcę teorii kwarków, moment magnetyczny samotnego mionu – współczynnik g – ma wartość 2. Stąd zresztą nazwa eksperymentu Muon g-2. Z czasem do wyliczeń tych wprowadzono niewielkie poprawki, określając dokładną wartość współczynnika.
Jednak na mion, podobnie zresztą jak na elektron, wpływa jego otoczenie. Gdy miony krążą w eksperymencie Muon g-2 stykają się z kwantową pianką tworzoną przez pojawiające się i znikające subatomowe cząstki. Interakcja z nimi wpływa na wartość współczynnika g. Model Standardowy pozwala z wielką precyzją wyliczyć tę wartość. Oczywiście uwzględniając przy tym znane nam cząstki. Jeśli więc pojawi się cząstka lub siła nieznana w Modelu Standardowym, współczynnik g przyjmie wartość, która nie jest przezeń przewidziana.
To, co mierzymy, odzwierciedla wszystkie interakcje, z jakimi mion miał do czynienia. Jednak gdy teoretycy przeprowadzają swoje obliczenia, biorąc pod uwagę wszystkie znane siły i cząstki Modelu Standardowego, okazuje się, że wynik ich obliczeń jest różny od wyniku naszego eksperymentu. To silna wskazówka, że na mion działa coś, czego nie przewiduje Model, mówi Renee Fatemi, fizyk z University of Kentucky, która jest odpowiedzialna za symulacje w eksperymencie Muon g-2.
Zgodnie z akceptowanymi obecnie wyliczeniami teoretyków współczynnik g dla mionu wynosi 2,00233183620(86), a wartość poprawki momentu magnetycznego to 0,00116591810(43). W nawiasach zawarto niepewność wyliczeń. Tymczasem uśrednione wartości, jakie uzyskano podczas najnowszych eksperymentów w Fermilab to 2,00233184122(82) oraz 0,00116592061(41).
Istotność statystyczna tej różnicy – czyli w tym przypadku niezgodność obliczeń teoretycznych obliczeń z pomiarami – wynosi aż 4,2 sigma. Przypomnijmy tutaj, że od 5 sigma mówimy w fizyce o odkryciu. Prawdopodobieństwo, że uzyskane wyniki są fałszywe wynosi 1:40 000. Jak zatem widać, fizycy o odkryciu jeszcze nie mówią, ale mają bardzo silne przesłanki, by wierzyć w wyniki eksperymentu.
Eksperyment Moun g-2 zaczął w Fermilab pracę w 2018 roku. Korzysta on z nadprzewodzącego magnetycznego pierścienia akumulacyjnego o średnicy ponad 15 metrów. W 2013 roku pierścień ten został przewieziony z Brookhaven National Laboratory, gdzie nie był już potrzebny. To niezwykłe wydarzenie opisywaliśmy przed 8 laty. Przez kolejne 4 lata specjaliści składali, kalibrowali i testowali nowe urządzenie, wyposażając Moun g-2 w najnowsze osiągnięcia techniki i tworząc na jego potrzebny nowe metody badawcze.
W eksperymencie tym strumień mionów tysiące razy krąży w pierścieniu z prędkością bliską prędkości światła. Tylko w pierwszym roku działania Muong g-2 z Fermilab zebrał więcej danych niż wszystkie wcześniejsze eksperymenty razem wzięte. Dzięki współpracy ponad 200 naukowców z 35 instytucji naukowych z 7 krajów udało się obecnie dostarczyć szczegółowe dane dotyczące pomiarów ruchu ponad 8 miliardów mionów wykorzystywanych podczas pierwszego sezonu badawczego (rok 2018). Obecnie prowadzone są analizy danych z dwóch kolejnych sezonów (lata 2019–2020). Jednocześnie trwa czwarty sezon, a piąty jest planowany.
Połączenie danych ze wszystkich wspomnianych sezonów pozwoli na określenie współczynnika g z jeszcze większą precyzją. Dotychczas przeanalizowaliśmy mniej niż 6% danych, jakie dostarczy nam Muon g-2. Już pierwsze wyniki pokazują, że istnieje interesująca rozbieżność pomiędzy eksperymentem a Modelem Standardowym. W ciągu najbliższych kilku lat dowiemy się znacznie więcej, mówi Chris Polly z Fermilab, który jako student brał udział w badaniach w Brookhaven.
« powrót do artykułu
-
-
Ostatnio przeglądający 0 użytkowników
Brak zarejestrowanych użytkowników przeglądających tę stronę.