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

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

• 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 χ_b (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

• 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

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

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

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

• 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 oraz Młody Sheldon.
• Jeden z odcinków serialu Świat według Kiepskich nosi tytuł Wielki zderzacz hadronów. Jest to odcinek 562 z 2019 roku^[20].
• Grzegorz Uzdański napisał wiersz Ludwik Jerzy Kern „Telefon z Genewy”^[21].

Zobacz też

• Międzynarodowy Zderzacz Liniowy
• Future Circular Collider (planowany następca LHC)

Uwagi

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).