Wikipedia

Wielki Zderzacz Hadronów

Wielki Zderzacz Hadronów (ang. Large Hadron Collider, LHC) – 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[a].

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

Wielki Zderzacz Hadronów jest największą maszyną świata. Jego zasadnicze elementy są umieszczone w tunelu w kształcie torusa o długości około 27 km[b], położonym na głębokości od 50 do 175 m pod ziemią[1]. 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 miało zderzać dwie przeciwbieżne wiązki protonów. Energia zderzeń miała wynosić 14 TeV[c].

Cel

edytuj

Głównym celem eksperymentów prowadzonych w LHC jest lepsze poznanie cząstek elementarnych. W szczególności fizycy chcą potwierdzić lub obalić istnienie bozonu Higgsa (potwierdzono w 2012 roku), cząstki ciemnej materii, superpartnerów, wyższych wymiarów, monopolu magnetycznego[2] i aksjonu[3].

Kalendarium

edytuj
  • 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[4].
  • 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[5].
  • 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 natężenia 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 – 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[6].
  • 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 został przygotowywany do biegu ciężko jonowego, który podobnie jak w 2010 roku ma potrwać cztery tygodnie[7].
  • 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[8].
  • 22 grudnia 2011 – ogłoszono obserwację nowej cząstki, stanu χb (3P) bottomonium[9].
  • 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[10].
  • 13 kwietnia 2013 – zespoły pracujące przy detektorach CMS i ATLAS potwierdziły otrzymanie bozonu Higgsa[11].
  • 14 kwietnia 2021 – po analizie badań z Wielkiego Zderzacza Hadronów oraz Tevatronu potwierdzono istnienie odderonu, co Leszek Łukaszuk przewidział teoretycznie w 1973 r.[12]

Koszt

edytuj
  • 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
 
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

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 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
 
Symulacja komputerowa wyniku zderzenia cząstek
 
Detektor CMS

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 140 TB danych na dzień[15]. 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
  • 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[16].
  • 3 listopada 2009 pojawiła się informacja o przegrzaniu olbrzymich, nadprzewodzących magnesów[17] z powodu upuszczonego przez ptaka kawałka bagietki. CERN zdementował tę pogłoskę przyznając, że w jednej z podstacji energetycznych zasilających kriodipole faktycznie znaleziono kawałki chleba. Niepotwierdzoną 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[18].
  • Jeden z pracowników CERN stworzył utwór rapowany Large Hadron Rap oraz teledysk wyjaśniający działanie urządzenia[19].
  • W 2013 roku zespół thrash-metalowy Megadeth wydał album zatytułowany Super Collider, którego nazwa oraz okładka odnoszą się do Wielkiego Zderzacza Hadronów.
  • Kanadyjski muzyk rockowy, Nim Vind napisał piosenkę „Hadron Collider” nawiązującą do zderzacza hadronów.
  • Japońska powieść wizualna – Steins Gate – i animacja o takim samym tytule przedstawia historię, w której grupa przyjaciół konstruuje mikrofalówkę, pozwalającą wysłać wiadomości tekstowe w przeszłość. Wykonują oni różne eksperymenty mające pozwolić określić naturę tego zjawiska. Badaniami nad podróżami w czasie zajmuje się również organizacja SERN, a w produkcji wielokrotnie przewijał się motyw LHC.
  • Odniesienia do Wielkiego Zderzacza Hadronów pojawiają się wielokrotnie w sitcomie "Teoria wielkiego podrywu" (ang. The Big Bang Theory).
  • Jeden z odcinków serialu "Świat według Kiepskich" nosi odcinek pt. "Wielki zderzacz hadronów." Jest to odcinek 562 z 2019 roku.[20]

Zobacz też

edytuj

Uwagi

edytuj
  1. ↑ Przecina granicę pomiędzy tymi państwami w czterech punktach.
  2. ↑ Średnica torusa ok. 9 km, średnica przekroju poprzecznego tunelu 3,8 m.
  3. ↑ 14 teraelektronowoltów = 14*1012 eV, czyli 14 bilionów elektronowoltów (14 000 000 000 000 eV).

Przypisy

edytuj
  1. ↑ Symmetry magazine, Kwiecień 2005.
  2. ↑ Search for magnetic monopoles and stable particles with high electric charges in 8 TeV pp collisions with the ATLAS detector.
  3. ↑ LHC probes the hidden sector.
  4. ↑ Resolution approval of The Large Hadron Colider (LHC) Project, CERN, 16 grudnia 1994 [zarchiwizowane 2011-03-21] (ang.).
  5. ↑ CERN management confirms new LHC restart schedule, CERN, 9 lutego 2009 [zarchiwizowane 2009-02-18] (ang.)..
  6. ↑ LHC experiments present latest results at Mumbai conference, CERN, 22 sierpnia 2011 [zarchiwizowane 2011-10-26] (ang.).
  7. ↑ LHC proton run for 2011 reaches successful conclusion, CERN, 31 października 2011 [zarchiwizowane 2011-11-02] (ang.).
  8. ↑ Paul Rincon: LHC: Higgs boson ‘may have been glimpsed’. BBC News, 13 grudnia 2011. (ang.).
  9. ↑ Jonathan Amos: LHC reports discovery of its first new particle. BBC News, 22 grudnia 2011. (ang.).
  10. ↑ CERN experiments observe particle consistent with long-sought Higgs boson, CERN, 4 lipca 2012 [zarchiwizowane 2012-07-05].
  11. ↑ The ATLAS and CMS, Birth of a Higgs boson, CERN Courier, 26 kwietnia 2013 [zarchiwizowane 2013-06-25].
  12. ↑ Marcin Powęska, Po 48 latach potwierdzono istnienie odderonu [online], geekweek.interia.pl, 15 kwietnia 2021 [dostęp 2023-11-29].
  13. ↑ The LHC in general. How much does it cost?, [w:] Ask An Expert [online], CERN [zarchiwizowane 2011-08-07] (ang.).
  14. ↑ Grey Book.
  15. ↑ Henry E. Brady, The Challenge of Big Data and Data Science, „Annual Review of Political Science”, 22 (1), 2019, s. 297–323, DOI: 10.1146/annurev-polisci-090216-023229 (ang.).
  16. ↑ Angels and Demons, CERN, Dostęp 10 listopada 2015.
  17. ↑ http://www.newsweek.pl/artykuly/sekcje/nauka/bagietka-zablokowala-wielki-zderzacz-hadronow,48430,1 [martwy link].
  18. ↑ CERN Document Server: The truth about Birds and Baguettes.
  19. ↑ Teledysk „Large Hadron Rap”.
  20. ↑ Wielki Zderzacz Hadronów [online], Kiepscy Wiki [dostęp 2023-04-05] (pol.).

Linki zewnętrzne

edytuj
Polskojęzyczne
Anglojęzyczne
Źródło: „https://pl.wikipedia.org/w/index.php?title=Wielki_Zderzacz_Hadronów&oldid=74479470”