Nauka

Wielki Zderzacz Hadronów gotowy do kolejnego uruchomienia i na największe w historii energie zderzeń

opublikowano przez Karol Żebruń w dniu 2015-03-10

Będzie to druga trzyletnia faza projektu

Znajdujący się w CERN pod Genewą, Wielki Zderzacz Hadronów (Large Hadron Collider, LHC), największe przedsięwzięcie naukowe na świecie, pierwszą fazę badań zakończył dwa lata temu. Potem trafił do „warsztatu” i zajęli się nim technicy, którzy usprawnili urządzenie, naprawili to co uległo uszkodzeniom w tym magnesy kontrolujące tor cząstek. Modernizacje objęły zwiększenie energii cząstek do 6,5 TeV co daje energię zderzeń 13 TeV. Zderzenia będą teraz zachodzić co 25 nanosekund, co da dwa razy więcej danych do analiz.

Dziś LHC jest znów gotów do pracy. 12 marca oficjalnie ogłoszony zostanie drugi sezon prac LHC. W poprzednim zanotowano duże sukcesy, jak ten związany z bozonem Higgsa, ale przydarzyły się również pomyłki (błędne pomiary prędkości cząstek).


Urządzenia trzeba było sprawdzić...


... odkurzyć...


... a czasem zaspawać

Sezon 2 potrwa podobnie jak pierwszy trzy lata i zakończy się w roku 2017. Czego możemy spodziewać się tym razem? Naukowcy oczekują, że zyskają więcej informacji na temat:

Bozonu Higgsa - manifestacji przewidzianego przez Brouta-Englerta-Higgsa mechanizmu odpowiedzialnego za obdarzanie cząstek elementarnych masami. Była to ostatnia, wcześniej nie potwierdzona eksperymentalnie, cząstka przewidziana przez Model Standardowy (teorię opisującą cząstki fundamentalne i działające między nimi siły). Większa energia akceleratora LHC to większe prawdopodobieństwo wytworzenia bozonów Higgsa w zderzeniach, a zatem więcej okazji aby dokładniej zmierzyć ich właściwości i zbadać rzadsze kanały rozpadu.
Ciemnej materii – obserwacje grawitacyjne dowodzą, że Wszechświat musi składać się w przeważającej części z niewidocznej ciemnej materii. Czym ona jest? Jeden z poglądów głosi, że składa się z cząstek „supersymetrycznych”. Dane eksperymentalne zebrane w LHC przy wyższych energiach mogłyby rzucić więcej światła na te kwestie.
Supersymetrii – teorii wymyślonej aby wypełnić niektóre z istniejących luk teorii Modelu Standardowego. Przewiduje, że każda znana cząstka ma partnera. Jeżeli takie założenie jest prawdziwe to supersymetryczne cząstki powinny pojawić się w wysokoenergetycznych zderzeniach obserwowanych w LHC.
Dodatkowych wymiarów – teoria postulująca, że każda standardowa cząstka ma w dodatkowych wymiarach swe cięższe wersje (podobnie jak każdy atom ma oprócz swego niskoenergetycznego stanu podstawowego także stany wzbudzone o wyższych energiach). Takie ciężkie cząstki mogłyby zostać odkryte przy wysokich energiach zderzeń zapewnionych przez zmodernizowany akcelerator LHC.
Antymaterii – czyli antycząstek, którą ma każda cząstka materii, o identycznych własnościach, tyle, że z odwrotnym ładunkiem (przykładowo antyelektron, zwany pozytronem jest identyczny pod każdym względem z elektronem, tylko ma jeden dodatni a nie ujemny elementarny ładunek elektryczny). Stykająca się antymateria i materia anihiluje, czyli suma ich mas zmienia się w błysk energii. Na poziomie oddziaływań elementarnych symetria pomiędzy antymaterią i materią jest prawie zachowana a procesy ją łamiące przewidziane w Modelu Standardowym są dość rzadkie. Precyzyjne zbadanie tych procesów za pomocą analizy rozpadów cząstek powabnych lub pięknych oraz ich częstości może pozwolić na zrozumienie obserwowanej w rzeczywistości asymetrii i znalezienie zjawisk wykraczających poza Model Standardowy.
Plazmy kwarkowo-gluonowej – wyższe energie zderzeń przy akceleratorze LHC powinny lepiej scharakteryzować tą plazmę a tym samym dookreślić co wydarzyło się przez kilka milionowych części sekundy bezpośrednio po Wielkim Wybuchu.
Cząstek egzotycznych – przewidzianych w teoriach, które dopuszczają istnienie całego świata cząstek jeszcze nieodkrytych ze względu na to, że nie ulegają one oddziaływaniom elektromagnetycznym. Jeśli jednak byłyby obdarzone masą, to muszą oddziaływać z polem stowarzyszonym z bozonem Higgsa. Tak więc bozon Higgsa jest „punktem styku” między Modelem Standardowym a ewentualnym światem cząstek egzotycznych.

Choć wymienione powyżej pojęcia dla zwykłego człowieka są czymś abstrakcyjnym – nie chodzi nam tu o rozumienie słowa, ale samego zjawiska - to dla naukowców, a także studentów kierunków związanych z fizyką, są chlebem powszednim. Wiążące się z nimi zjawiska inspirują twórców filmów s-f.


Wylot chłodzenia instrumentu ATLAS i unosząca się para wodna

LHC jest ogromnym i skomplikowanym instrumentem. Sekwencja startowa nie trwa w jego przypadku kilka minut, ale nawet kilka miesięcy. Docelowe parametry LHC uzyska prawdopodobnie pod koniec 2015 lub na początku 2016 roku. By osiągnąć znacznie wyższą prędkość i energię zderzeń cząstek „opracowano nowy system kriogeniczny utrzymujący magnesy w stanie nadprzewodzącym, zaprojektowano bezpieczniejszy system próżniowy, wprowadzono rozwiązania lepiej ogniskujące wiązki, podwyższające napięcia jak również układy elektroniczne odporne na promieniowanie.”


Chcesz coś zrobić dobrze, zrób to sam.

Polscy naukowcy mają duży wkład w prace CERN. Pod Genewą pracuje 300 naszych ekspertów, część instrumentów powstała przy ich pomocy, a polskie centra informatyczne - AGH, ICM i CIŚ - udostępniają swoje moce obliczeniowe dla analizy danych.

Wielki Zderzacz Hadronów to urządzenie, o którym wiele osób słyszało i na pewno potrafi powiedzieć kilka zdań na temat zasad jego działania. Czy jednak wiemy wszystko? Jeśli macie wątpliwości, zapraszamy do zapoznania się z opisem (poniżej) przygotowanym przez NCBJ.

Jak działa LHC?

Wielki Zderzacz Hadronów jest najbardziej skomplikowanym urządzeniem skonstruowanym przez człowieka. To rodzaj mikroskopu pozwalającego badać świat w bardzo małych skalach. Dochodzi w nim do zderzeń dwóch poruszających się w przeciwne strony wiązek cząstek – protonów lub jąder ołowiu. Aby LHC działał, potrzebny jest cały kompleks akceleratorów, stopniowo rozpędzających cząstki jądrowe do coraz większych energii. Wszystko zaczyna się od wodoru, którego atomy składają się z jednego protonu i jednego elektronu. Atomy te raz na kilka godzin są pobierane z niewielkiej butli i jonizowane, czyli „odzierane” z elektronów. Tak otrzymane protony są kierowane do akceleratora liniowego, gdzie rozpędza się je mniej więcej do 30% prędkości światła. Następnie trafiają do akceleratora PS Booster i tu ich energia kinetyczna wzrasta niemal 30-krotnie. Z Boostera protony są przekazywane do Synchrotronu Protonowego PS, a potem do Supersynchrotronu Protonowego SPS, na każdym etapie zwiększając energię ok. 20 razy. Następnie trafiają wreszcie do wnętrza tunelu Wielkiego Zderzacza Hadronów. Każdego dnia w LHC rozpędza się zaledwie kilka nanogramów (10-9 g) wodoru. Oznacza to, że gram tego pierwiastka wystarczyłby mniej więcej na milion lat pracy akceleratora.

W LHC cząstki są formowane w dwie przeciwbieżne wiązki. Biegną one w dwóch równoległych rurach średnicy kilku centymetrów. Rury ułożono ok. 100 metrów pod ziemią, w kolistym tunelu o obwodzie 27 km. Aby cząstki nie rozpraszały się za szybko na gazach, wewnątrz rur (na całej długości tunelu) panuje ultrawysoka próżnia. Docelowo protony będą rozpędzane w LHC do prędkości ok. 0,999999991 prędkości światła i w każdej sekundzie okrążą tunel ponad jedenaście tysięcy razy. Aby zmusić cząstki o tak dużych energiach do ruchu w kolistym tunelu, trzeba zakrzywiać ich tory za pomocą pola magnetycznego wytwarzanego przez ponad 1200 potężnych elektromagnesów. Prąd płynący przez uzwojenia magnesów ma natężenie kilkunastu tysięcy amperów – jak w niewielkim wyładowaniu atmosferycznym. Elektromagnesy w tunelu LHC zbudowano z nadprzewodników, czyli materiałów, które w bardzo niskich temperaturach nie stawiają oporu elektrycznego. Wszystkie nadprzewodniki są schłodzone do temperatury zaledwie 1,9 stopnia powyżej zera bezwzględnego (oznacza to, że wewnątrz LHC jest chłodniej niż w otwartej przestrzeni kosmicznej). Oprócz magnesów dipolowych, prowadzących cząstki wzdłuż rur próżniowych, LHC wyposażono w zespoły magnesów ogniskujących i korekcyjnych, które zapobiegają rozbieganiu się wiązek i ogniskują je w punktach zderzeń wewnątrz detektorów.

Protony we wnętrzu akceleratora krążą w paczkach po ok. 100 miliardów. Energia wszystkich paczek krążących w akceleratorze może odpowiadać energii eksplozji nawet 80 kg trotylu. W tunelu akceleratora, w siedmiometrowych odstępach, jednocześnie może krążyć ponad 5600 takich paczek. W ostatecznej konfiguracji akceleratora obie protonowe wiązki będą miały energię pociągu o masie 800 t, pędzącego z prędkością 150 km/h. Kontrolowanie tak dużej energii przez tak złożone urządzenie jest unikatowym w skali świata wyzwaniem naukowym i technicznym.

Po przyspieszeniu wiązek do właściwej energii, cząstki mogą krążyć w tunelu przez wiele godzin. Intensywność wiązek stopniowo maleje z powodu kontrolowanych zderzeń wiązek w detektorach oraz wskutek rozpraszania cząstek na resztkach gazu w rurach próżniowych. Po paru godzinach wiązki są wypuszczane z tunelu i kierowane na bloki grafitowe, gdzie wytracają swoją energię. Podczas zderzania wiązek energia kinetyczna pierwotnych cząstek (protonów lub jąder ołowiu) przekształca się w nowe, w większości nietrwałe cząstki. Zadaniem detektorów jest identyfikacja cząstek powstających w zderzeniach, pomiar ich położenia w przestrzeni, ładunku elektrycznego, prędkości, masy i energii. Naprawdę ciężkie cząstki mają czasy życia krótsze od jednej pikosekundy i nie mogą być obserwowane w żadnym układzie detekcyjnym. Ich badanie jest możliwe tylko dzięki analizie energii i pędów zarejestrowanych produktów ich rozpadu.


Pokój kontrolny instrumentu ATLAS

Cząstki z obu przeciwbieżnych wiązek zderzają się ze sobą tylko w wybranych miejscach. W punktach przecięcia wiązek wybudowano detektory czterech głównych eksperymentów: ATLAS, CMS, ALICE i LHCb. ATLAS jest największym detektorem LHC. Zawiera osiem nadprzewodzących cewek magnetycznych, każda długości 25 m, ułożonych w kształcie cylindra wokół rury wiązki znajdującej się w środku detektora. Cały ATLAS ma 46 m długości, 25 m wysokości i 25 m szerokości, waży 7000 t. Trochę mniejszy CMS jest prawie dwukrotnie cięższy. Maksymalna liczba zderzeń proton-proton w LHC może sięgać miliardów na sekundę - to miliony razy więcej przypadków niż człowiek umie zapisać. Dlatego specjalne układy elektroniczne dokonują na bieżąco selekcji, oddzielając zderzenia ciekawe (do zapisania) od nieciekawych.


Od wiązek materii do bitów w pamięci superkomputera.

Źródło: LHC, NCBJ

marketplace

Komentarze

30
Zaloguj się, żeby skomentować
avatar
Dodaj
Komentowanie dostępne jest tylko dla zarejestrowanych użytkowników serwisu.
  • avatar
    Jak czytam takie coś to nie mogę wyjść z podziwu jak inteligentni są ludzie .To trzeba mieć głowę żeby coś takiego wymyślić .
    Zaloguj się
    23
  • avatar
    Na BBC Horizon jest dzisiaj bardzo dobry dokument na temat fal grawitacyjnych, a kolejny odcinek, za tydzień, ma być własnie o ciemnej materii i nowej serii eksperymentów w CERN, które omówieno w tym newsie.

    Swoją drogą, wielkie brawa dla redakcji za obszerne opracowanie, o tak ciekawej tematyce.
    Zaloguj się
    15
  • avatar
    "Urządzenia trzeba było sprawdzić..." - a tam na zdjęciu gość spawa TIGiem. Ciekawa metoda sprawdzania urządzenia :)
  • avatar
    Szkoda, że w naszym kraju nie promuje się tak nauki. Wiadomo nie chodzi o skalę takiego zderzacza hadronów, bo raczej nie jesteśmy potęga gospodarczą żeby sobie na to pozwolić.

    Ale chodzi mi o zwykłe docenienie rodzimego rynku, wsparcie talentów, po to aby nie tylko zatrzymać takiego człowieka w kraju, ale też potrafić zarabiać na osiągnięciach.

    Jednak nasz rząd woli marnować nasze pieniądze na "czternastki" dla górników i pomoc w rozpędzeniu ukraińskiej gospodarki...

    Pomyślcie co można zrobić za 300 mln zł które nasz wspaniały rząd pożyczył Ukrainie?

    Rozumiem pomoc humanitarna jestem za, sam chętnie pomogę gdyż mieszkam przy granicy z UA. Ale dzięki temu też wiem jaki to jest naród. I wiem, że te 300 mln zostanie rozgrabiony lub pójdzie na łapówki.

    Szkoda, że nasi politycy są tak krótkowzroczni. Nie wiem czy jest sens narzekać, że takich wybieramy bo tak na prawdę nie ma żadnej prawdziwej alternatywy w zbliżających się wyborach....

    Smutek normalnie, ale szacunek dla naszych naukowców jak i dla całej ekipy z CERN. (chociażby HTML pamiętamy i dziękujemy)
    Zaloguj się
  • avatar
    A ja myślę ,że w końcu stworzą tą czarną dziurę na ziemi i będzie po zabawie... Ludzkość dąży do samo-unicestwienia w taki ,czy inny sposób,czyli wojna (Putin) albo stworzenie na ziemi czegoś czego nie rozumiemy (naukowcy). Próby z pozyskaniem mocy z piorunów też już były i wszystko się rozpi...
    Zaloguj się
    -13
  • avatar
    He he. Pan Bóg specjalnie stworzył wszystko co istnieje i tak to skomplikował, aby ludziki przez swój krótki żywot mieli co robić!
    Jedno jest pewne potęga Boska jest tak wielka, że chodźby jakby wybudowali miliony takich zderzaczy i miliony razy większych i tak nie będą wstanie poznać wszystkich praw natury, który Pan Bóg obdarzył świat!!!
    Zaloguj się
    -25
  • avatar
    dobrze prawisz prime. Sam właśnie podziwiałem czytając to jaki rozmach potrafią mieć ludzie. Zamiast walczyć, powinniśmy skupić się na pracy zespołowej. Na tworzeniu, a nie niszczeniu.
  • avatar
    Niestety, ale CERN pod względem wielkości (ilości funduszy), nie jest największym naukowym ośrodkiem, wyprzedza go Międzynarodowa Stacja Kosmiczna i ITER.
  • avatar
    Oby im czarna dziura nie strzeliła.
  • avatar
    Świetny art, oby takich więcej :)
  • avatar
    Ja nie rozumiem czego oni szukają w tych cząstkach, i tak się pewnie z czasem okaże, że już dawno o tym w biblii napisano :)
  • avatar
    Pierwsze skojarzenie.. Half-Life ;)
  • avatar
    Brawo za artykuł :)