Strona wykorzystuje ciasteczka. Co to są ciasteczka?
 

LHC – Wielki Zderzacz Hadronów

LHC (Large Hadron Collider), czyli Wielki Zderzacz Hadronowy to akcelerator, który powstaje w ośrodku CERN w okolicach Genewy w miejsce innego akceleratora LEP (Large Electron-Positron Collider) Wielkiego Zderzacza Elektronowo – Pozytonowego. Tradycją CERN-u jest budowanie nowych maszyn przy wykorzystaniu wcześniejszych inwestycji, w tym wypadku już istniejących akceleratorów. Akcelerator to urządzenie, które służy do rozpędzania naładowanych cząstek do ogromnych prędkości. Po ich rozpędzeniu doprowadza się do zderzeń czołowych dwóch wiązek cząstek. W LHC dochodzić będzie do zderzeń cząstek elementarnych zwanych hadronami. Będą to zderzenia proton – proton. Efekty tych zderzeń będą następnie rejestrowane i analizowane.

Akcelerator LHC to największy i najdroższy układ doświadczalny na świecie. Jego unikalność polega na tym, że akcelerator będzie doprowadzał protony do zderzeń czołowych przy energiach rzędu 7 TeV na każdą z wiązek protonów, czyli wyższych niż kiedykolwiek zdołano osiągnąć. Energia ta jest niemal dziesięciokrotnie większa niż energia dostępna w największym istniejącym zderzaczu (Tevaron w Narodowym Laboratorium Fermiego w pobliżu Chicago).

schemat

Z głównym akceleratorem wysokiej energii LHC współpracuje cały kompleks akceleratorów o niższych energiach, które zapewniają kilkustopniowe wstępne przyspieszanie wiązek cząstek. LHC będzie wykorzystywać synchrotron protonowy (PS), czyli pierwszy akcelerator protonów, który został uruchomiony w CERN–ie w 1960 roku oraz supersynchrotron protonowy (SPS) skonstruowany w latach 70–tych. Synchrotrony PS, SPS I LHC tworzą wspólny kompleks akceleracyjny.

plan LHC
Budowa akceleratora

Akcelerator cząsteczek najczęściej składa się z komory próżniowej otoczonej długim ciągiem pomp próżniowych , magnesów, komór w których znajduje się pole elektryczne, wysoko–napięciowych urządzeń oraz obwodów elektrycznych. Każdy z tych elementów pełni specyficzną rolę.

schemat akceleratora

Komora próżniowa (vacuum chamber) jest metalową rurą. Dzięki panującej w niej próżni unika się zderzeń wiązek cząstek z normalną materią. Cząstki są przyspieszane wewnątrz tej rury przez pole elektryczne. Magnesy dipolowe (bending magnet) odpowiadają za zakrzywienie toru strumienia. Dzieje się tak, gdyż pole magnetyczne oddziałuje na naładowane cząsteczki w kierunku zawsze prostopadłym do ich wektora prędkości (siła Lorentza), co powoduje zakrzywienie ich toru. Magnesy czterobiegunowe (focusing magnet) oddziałują na strumień naładowanych cząsteczek w ten sam sposób, w jaki soczewka działa na promień światła i odpowiadają za skupienie wiązki cząstek.

schemat procesu działania
Zasada działania akceleratora

W Wielkim Zderzaczu Hadronowym dochodzi do zderzeń dwóch wiązek protonów poruszających się w przeciwnych kierunkach po orbitach zamkniętych. Wymaga to użycia dwóch pierścieni magnesów dipolowych, których bieguny są ustawione tak, aby uzyskać przeciwnie skierowane wektory pola magnetycznego.

tunele

Im większa energia cząsteczki, tym silniejsze musi być pole potrzebne do zmiany toru strumienia. Maksymalna wartość pola magnetycznego jest ograniczona i zależna od promienia akceleratora, więc im potężniejszy ma być akcelerator, tym więcej miejsca musi on zajmować. Dla akceleratora o ustalonym promieniu można zwiększyć wartość pola magnetycznego stosując materiały nadprzewodzące. Nadprzewodnictwo to zdolność niektórych materiałów do przewodzenia, zwykle w bardzo niskich temperaturach, energii elektrycznej bez oporu ani strat mocy, przy jednoczesnym wytwarzaniu silnego pola magnetycznego. Materiały nadprzewodzące tracą nadprzewodnictwo w silnych polach magnetycznych, co oznacza, że nie można bez ograniczeń zwiększać pola i tym samym energii w zderzaczu. W przypadku LHC materiałami nadprzewodzącymi są magnesy z uzwojeniami z tytanku niobu (NbTi), który jest klasycznym materiałem nadprzewodzącym. W 1996 roku opracowano technologię stabilnie pracujących magnesów dipolowych dla LHC.

Zastosowanie akceleratora

Olbrzymie skoncentrowanie energii, jakie może być osiągnięte przez zderzenia cząsteczek takich jak elektrony lub protony w akceleratorach, może odtworzyć warunki jakie panowały we wczesnym Wszechświecie, mogą powstać na ułamek sekundy m. in. cząsteczki bozonu Higgsa, zanim przemienią się w bardziej pospolite cząstki (niektóre z cząstek powstających w wyniku zderzeń, jak elektron, są stabilne, przez co tworzą zwyczajną materię, zaś pozostałe, jak na przykład mion, istnieją przelotnie dopóki nie przemienią się w stabilne cząstki, inne zaś, jak bozon Higgsa, istniały tylko przez kilka chwil po Wielkim Wybuchu, obecnie nie istnieją już w naszym świecie).

Naukowcy w CERN badają miliony niezwykłych zderzeń, by zrozumieć, w jaki sposób około 15 miliardów lat po Wielkim Wybuchu Wszechświat stał się taki, jakim go teraz widzimy. Przyspieszając cząstki do bardzo dużych energii i rozbijając je o wyznaczone tarcze lub o siebie nawzajem, fizycy mogą badać oddziaływania, występujące pomiędzy tymi cząstkami.

Eksperymenty związane z LHC

Zatwierdzono pięć eksperymentów, które będą działać przy LHC (nazwy eksperymentów, układów detekcyjnych i zespołów naukowych, które je projektują, budują i będą wykorzystywać po uruchomieniu LHC , pochodzą od skrótów nazw angielskich):

  • ATLAS (Toroidal LHC Apparatus),
  • CMS (Compact Muon Solenoid),
  • ALICE (A Large Ion Collider Experiment),
  • LHCb (Large Hadron Collider Beauty Experiment),
  • TOTEM (Total and Elastic Measurement).

układ detektorów

W eksperymencie ALICE biorą udział fizycy polscy z Instytutu Fizyki Jądrowej, Instytutu Problemów Jądrowych i Politechniki Warszawskiej, w eksperymencie ATLAS – z Akademii Górniczo–Hutniczej i Instytutu Fizyki Jądrowej, w eksperymencie LHCb – z Instytutu Fizyki Jądrowej i Instytutu Problemów Jądrowych, w eksperymencie CMS – z Uniwersytetu Warszawskiego i Instytutu Problemów Jądrowych, w eksperymencie TOTEM – z Ośrodka Politechniki Warszawskiej w Płocku.

Detektory

Detektory, które będą badać zderzenia w LHC będą większe i bardziej skomplikowane niż dotychczasowe. Będą również szybsze, zdolne wychwycić około 800 milionów zderzeń w każdej sekundzie. Układy detekcyjne muszą zawierać więc dużą liczbę poddetektorów, podzielonych na wiele dalszych komórek. Każda z nich zawiera elektroniczny tor sygnałowy, składający się z wzmacniaczy, układów formowania impulsu, przetworników sygnałów analogowych na cyfry, kabli i włókien optycznych, systemu pamięci buforowych itp. Okazuje się, że liczba kanałów elektroniki systemów detekcyjnych jest bardzo wysoka: dla CMS wynosi ona około 100 mln kanałów. Tyle mniej więcej jest aparatów telefonicznych w Europie.

Detektory eksperymentów ATLAS, CMS i ALICE, mają układ cylindryczny, charakterystyczny dla eksperymentów prowadzonych przy akceleratorach wiązek przeciwbieżnych. Całość przypomina cebulę budowaną wokół rury akceleratora. Detektor ALICE wyposażony jest w dodatkowe ramię z zadaniem lepszego pomiaru mionów. Detektor eksperymentu LHCb jest w tym zestawieniu małym, choć nie mniej wyrafinowanym detektorem, pokrywającym tylko mały fragment przestrzeni w pobliżu miejsca zderzenia wiązek.

Konstrukcja CMS jest oparta na solenoidalnym magnesie nadprzewodzącym. Cewka nadprzewodząca o długości ok. 12m i średnicy wewnętrznej ok. 6m wytwarza jednorodne pole magnetyczne o indukcji 4T. Wewnątrz cewki znajduje się śladowy detektor centralny, kalorymetr elektromagnetyczny oraz kalorymetr hadronowy. Na zewnątrz cewki znajdują się detektory mionów.

Detektor ATLAS opiera się na dużym powietrznym, nadprzewodzącym magnesie toroidalnym stanowiącym podstawę spektrometru magnetycznego dla pomiaru mionów o bardzo dużych pędach. W magnesie znajduje się detektor wewnętrzny, którego sercem jest układ detektorów krzemowych o łącznej powierzchni 55 m2, obsługiwany przez ponad 6 milionów kanałów elektroniki odczytu.

Detektor ALICE, który będzie rozpoznawał i rejestrował zderzenia przeciwbieżnych wiązek w akceleratorze LHC budowany jest obecnie w CERN. Będzie oplatał cylindrycznie rurę akceleratora, a punkt zderzeń będzie środkiem jego osi symetrii. Wielkość sylwetki ludzkiej pokazana na rysunku z zachowaniem skali oddaje typowe wymiary detektora eksperymentu fizyki wysokich energii.

LHCb jest jednoramiennym spektrometrem do obserwacji produktów oddziaływań wiązek przeciwbieżnych wyprodukowanych pod małymi kątami.

W jakim celu powstaje LHC?

Eksperymenty prowadzone w LHC mają dać odpowiedĄ na kilka zasadniczych pytań:

Dlaczego cząstki elementarne mają niezerową masę?
OdpowiedĄ na to pytanie zawiera się w Modelu Standardowym w teorii zwanej mechanizmem Higgsa. Uważa się, że cząstki oddziałują z tzw. Polem Higgsa i uzyskują przez to swoją masę. Z polem Higgsa jest związana co najmniej jedna nowa cząstka – bozon Higgsa. Jeżeli taka cząstka istnieje, LHC będzie w stanie uczynić ją wykrywalną.
Czy istnieje stan skupienia materii zwany plazmą kwarkowo-gluonową?
Zakłada się, że zaraz po Wielkim Wybuchu panowały warunki ekstremalnie wysokich energii i wielkich gęstości. Głównym celem badań zderzeń ciężkich jąder o relatywistycznych energiach jest zrozumienie zachowania się materii jądrowej w opisanych warunkach. Zderzasz LHC może być wykorzystany do badania oddziaływań ciężkich jąder.
Czy istnieją nowe, cięższe cząstki nie przewidziane w Modelu Standardowym?
Istnieją argumenty teoretyczne za istnieniem głębszej niż Model Standardowy teorii przy wyższych energiach. Cechą wspólną teorii wykraczających poza Model Standardowy jest pojawianie się w nowych, ciężkich cząstek. Poszukiwanie ich jest ważnym składnikiem naukowego programu LHC.
Jaka jest przyczyna istnienia asymetrii między materią a antymaterią?
Kiedyś myślano, że antymateria jest idealnym "odbiciem" zwykłej materii, czyli wszystkie znane dziś cząstki elementarne mają swoje bliĄniacze kopie. Obecnie wiemy, że „odbicie” nie jest idealne, co może oznaczać brak równowagi pomiędzy materią i antymaterią. W zderzeniach protonów w LHC produkowanych będzie w ciągu roku aż 1012 neutralnych mezonów B–cząstek, których rozpady mogą dostarczyć informacji o przyczynach tej asymetrii – będzie ona przedmiotem badań w LHC.

opracowała: Małgorzata Kowalska