Wielki Zderzacz Hadronów

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacji, wyszukiwania
Fizyka poza modelem standardowym
CMS Higgs-event.jpg
Symulowany obraz z detektora CMS przedstawiający Bozon Higgsa uzyskany przez kolizję protonów rozpadających się na dżety hadronów i elektrony
Model standardowy

Na mapach: 46°14′00″N 6°03′00″E/46,233333 6,050000

Tunel LHC, w którym montowane są nadprzewodzące elektromagnesy
Lokalizacja miejsca eksperymentu

Wielki Zderzacz Hadronów, LHC (z ang. Large Hadron Collider) – największy na świecie akcelerator cząstek (hadronów), znajdujący się w Europejskim Ośrodku Badań Jądrowych CERN w pobliżu Genewy. LHC jest położony na terenie Francji oraz Szwajcarii[1].

Wielki Zderzacz Hadronów jest największą maszyną świata. Jego zasadnicze elementy są umieszczone w tunelu w kształcie torusa o długości około 27 km[2], położonym na głębokości od 50 do 175 m pod ziemią[3]. Wyniki zderzeń rejestrowane są przez dwa duże detektory cząstek elementarnych: ATLAS i CMS, dwa mniejsze ALICE i LHCb oraz trzy małe: TOTEM, LHCf i MoEDAL.

Urządzenie od 2008 r. miało zderzać dwie przeciwbieżne wiązki protonów. Energia zderzeń miała wynosić 14 TeV[4].

Historia[edytuj | edytuj kod]

16 grudnia 1994 – rada CERNu zatwierdziła rozpoczęcie projektu LHC z projektowaną energią zderzeń 14 TeV i włączeniu go w bazowy program badawczy organizacji. Budowa akceleratora miała ruszyć po zakończeniu pracy akceleratora LEP[5].

Przewidywano, że LHC umożliwi odkrycie lub wykluczenie istnienia bozonu Higgsa oraz cząstek tworzących ciemną materię, którymi być może będą cząstki supersymetryczne.

2 listopada 2000 – zamknięcie akceleratora LEP. W jego tunelu znajdzie się przyszły akcelerator LHC.

10 września 2008 – uruchomiono akcelerator LHC, wpuszczono wiązkę protonów w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara, a następnie powtórzono eksperyment z wiązką biegnącą w przeciwną stronę. Wiązki nie były przyspieszane w LHC i miały energię 450 GeV (0,45 TeV).

19 września 2008 – w czasie testów mocy (bez wiązki) nastąpiło zwarcie na wadliwie wykonanym połączeniu elektrycznym między dwoma nadprzewodzącymi magnesami. Powstały najprawdopodobniej łuk elektryczny doprowadził do stopienia się złącza i rozszczelnienia magnesów. Implozja związana z rozszczelnieniem doprowadziła do wyzwolenia dużej energii, która zniszczyła lub uszkodziła blisko 60 magnesów (w większości 22-tonowych dipoli). Nastąpił wyciek kilku ton ciekłego helu do tunelu. Naprawa awarii trwała około 14 miesięcy[6].

20 listopada 2009 – start LHC po trwającej 14 miesięcy naprawie.

13 grudnia 2009 – zarejestrowanie przez detektor CMS mionów.

27 lutego 2010 – pierwsza wiązka w 2010 roku.

18–19 marca 2010 – pierwsze synchroniczne podniesienie prądu w magnesach do 6000 A i uzyskanie wiązek o energiach 3,5 TeV.

30 marca 2010 – pierwsze zderzenia wiązek protonów o energii 3,5 TeV (energia zderzenia 7 TeV).

8 listopada 2010 – pierwsze zderzenia jonów ołowiu o energii 1,38 TeV na nukleon (energia zderzenia pary nukleonów 2,76 TeV).

22 sierpnia 2011 – roku na konferencji Lepton-Photon w Mumbaju podano aktualne rezultaty poszukiwań cząstki Higgsa modelu standardowego oparte na wynikach eksperymentów CMS i ATLAS przy Wielkim Zderzaczu Hadronów LHC. Przeanalizowane dane wykluczały istnienie standardowego Higgsa o masie pomiędzy 145 GeV i 466 GeV. Pozostawał do zbadania obszar pomiędzy 114,4 GeV (granica z LEP) i 145 GeV oraz, uważany za znacznie mniej prawdopodobny, obszar 466-800 GeV[7].

31 października 2011 – po 180 dniach pracy akceleratora zakończono zbieranie danych ze zderzeń proton – proton na rok 2011 przy energii 3,5 TeV na wiązkę. Zebrano około 6 odwrotnych femtobarnów danych, sześciokrotnie więcej niż planowano na ten okres. Akcelerator jest przygotowywany do biegu ciężko jonowego, który podobnie jak w 2010 roku ma potrwać cztery tygodnie[8].

13 grudnia 2011 – ogłoszono, że detektory CMS i ATLAS pokazują wzrost intensywności w przedziale 124–125 GeV, który może być szumem lub wskazywać na odkrycie bozonu Higgsa[9].

22 grudnia 2011 – ogłoszono obserwację nowej cząstki, stanu χb (3P) bottomonium[10].

4 lipca 2012 – CERN ogłosił wstępne wyniki analizy danych zebranych w latach 2011-2012 przez eksperymenty CMS i ATLAS, wskazujące na odkrycie nowej cząstki elementarnej, bozonu Higgsa o masie około 126 GeV, najcięższego jaki do tej pory został zaobserwowany[11].

13 kwietnia 2013 – zespoły pracujące przy detektorach CMS i ATLAS potwierdziły otrzymanie bozonu Higgsa[12].

Koszt[edytuj | edytuj kod]

  • 4,6 miliarda CHF całkowitego kosztu akceleratora
  • 1,1 miliarda CHF całkowitego udziału CERN w eksperymencie
  • 0,26 miliarda CHF całkowity udział w przetwarzaniu danych[13]

Budowa i działanie[edytuj | edytuj kod]

Schemat LHC i urządzeń towarzyszących: ATLAS, CMS, ALICE, LHCb, synchrotrony protonowe (PS, SPS), akceleratory liniowe (P, Pb)

LHC jest zbudowany w tunelu akceleratora LEP (Large Electron Positron Collider – Wielki Zderzacz Elektronowo-Pozytonowy).

Na schemacie zaznaczono akceleratory oraz detektory współpracujące z głównym akceleratorem (LHC).

Przyspieszanie[edytuj | edytuj kod]

Przyspieszane cząstki (protony) rozpoczynają swą drogę w akceleratorze liniowym – akceleratorze protonów (Linac 2, na schemacie P), jony o masie aż do masy ołowiu są przyspieszane w oddzielnym akceleratorze (Linac 3 – Pb).

Dalsza droga protonów i jonów jest wspólna, najpierw trafiają do Bustera Synchrotronu Protonowego (PSB, przyspieszanie 50 MeV – 1,6 GeV), następnie do Synchrotronu Protonowego (PS), w którym wiązka uzyskuje energię do 26 GeV i jest kształtowana.

Dalej Supersynchrotron Protonowy (SPS z ang. Super Proton Synchrotron) przyspiesza protony do energii 450 GeV (0,45 TeV), na wyjściu z tego akceleratora można ukształtować dwie wiązki, które w LHC będą poruszały się w przeciwne strony.

Protony w każdej z wiązek będą przyspieszane do energii 7 TeV (środek masy wiązki względem laboratorium), co daje energię 14 TeV (CM) na zderzenie.

Eksperymenty[edytuj | edytuj kod]

Symulacja komputerowa wyniku zderzenia cząstek

Gdy przyspieszone wiązki są zderzane, zbieraniem i analizą danych zajmuje się sześć eksperymentów skupionych wokół następujących detektorów:

  • ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) – toroidalny detektor ogólnego przeznaczenia,
  • CMS (ang. Compact Muon Solenoid) – detektor ogólnego przeznaczenia zaprojektowany ze szczególnym naciskiem na identyfikację mionów i uzyskanie dużej rozdzielczości pomiaru ich pędów,
  • LHCb (ang. Large Hadron Collider beauty) – detektor mezonów B,
  • ALICE (ang. A Large Ion Collider Experiment) – detektor do obserwacji wyników zderzeń jonów,
  • TOTEM (ang. TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement) – badanie całkowitych przekrojów czynnych, rozpraszania elastycznego i dysocjacji dyfrakcyjnej,
  • LHCf (ang. Large Hadron Collider forward) – symulacja promieniowania kosmicznego w laboratorium.
  • MoEDAL (ang. Monopole and Exotics Detector at the LHC) – poszukiwanie powolnych i silnie jonizujących stabilnych cząstek egzotycznych, np. masywnych cząstek supersymetrycznych lub monopoli magnetycznych. Eksperyment jest w fazie przygotowania[14].

Zderzenia protonów będą następowały 30 mln razy w ciągu sekundy, a detektory LHC będą produkować około 100 TB danych na sekundę. Dane z detektorów będą analizowane przez ogólnoświatowy gridowy system komputerowy WLCGrid. Budowa LHC wspomagana była przez projekt przetwarzania rozproszonego LHC@home.

Wielki Zderzacz Hadronów w kulturze masowej[edytuj | edytuj kod]

Wielki Zderzacz Hadronów pojawił się w książce Anioły i demony Dana Browna; urządzenie wytwarzało antymaterię, która była wykorzystywana w walce z Watykanem. CERN opublikowało listę nieścisłości, krytykując błędne zobrazowanie działania urządzenia oraz ignorancję wobec prawdziwych zasad fizyki[15].

3 listopada 2009 pojawiła się informacja o przegrzaniu olbrzymich, nadprzewodzących magnesów[16] z powodu upuszczonego przez ptaka kawałka bagietki. CERN zdementował tę pogłoskę przyznając, że w jednej z podstacji energetycznych zasilających kriodipole faktycznie znaleziono kawałki chleba. Nie potwierdzoną spekulacją pozostaje jednak ich związek z chwilowym brakiem zasilania i automatycznym zadziałaniem zabezpieczeń. Awaria nie spowodowała żadnych uszkodzeń ani opóźnień w pracy akceleratora, jak spekulowały media[17].

Jeden z pracowników CERN stworzył utwór rapowany Large Hadron Rap oraz teledysk wyjaśniający działanie urządzenia[18].

W 2013 roku zespół thrash-metalowy Megadeth wydał nowy album zatytułowany Super Collider, którego nazwa oraz okładka odnoszą się do Wielkiego Zderzacza Hadronów.

Zobacz też[edytuj | edytuj kod]

Przypisy

Linki zewnętrzne[edytuj | edytuj kod]

Commons in image icon.svg
Wikinews-logo.svg
Zobacz wiadomość w serwisie Wikinews na temat uruchomienia LHC