Large Hadron Collider

Modificarea acestui articol de utilizatorii noi sau anonimi este momentan dezactivată până pe 10 noiembrie 2008 pentru a opri vandalismul. Citiţi politica de protejare şi jurnalul protecţiilor pentru mai multe detalii. Dacă nu puteţi modifica articolul şi doriţi să faceţi să efectuaţi o schimbare, puteţi discuta pe pagina de discuţii, cere deprotejarea paginii, vă puteţi autentifica sau înregistra.

Harta LHC

Large Hadron Collider (engl. pentru Mare Accelerator de Hadroni; pe scurt: LHC) este un accelerator de particule, construit la Centrul European de Cercetări Nucleare CERN, între Munţii Alpi şi Munţii Jura, lângă Geneva. Construcţia a fost finalizată în mai 2008 şi a costat peste trei miliarde de lire sterline. Are o lungime de 27 km la 100 m sub pământ. LHC este considerat cel mai performant accelerator de particule din lume. Scopul LHC este de a explora validitatea şi limitările Modelului Standard, modelul teoretic de bază din domeniul fizicii particulelor. Teoretic, acceleratorul ar trebui să confirme existenţa bosonului Higgs, acoperind elemente lipsă ale Modelului Standard şi explicând felul în care particulele elementare capătă anumite proprietăţi, cum ar fi masa.

Acceleratorul a fost pus în funcţiune pe 10 septembrie 2008. A fost construit în colaborare cu peste opt sute de fizicieni din peste optzeci şi cinci de ţări precum şi în parteneriat cu sute de universităţi şi laboratoare importante. Deşi în mass-media au fost exprimate unele temeri referitoare la siguranţa experimentului, în comunitatea ştiinţifică există un consens că coliziunile de particule efectuate de LHC nu prezintă niciun pericol.

Proiectarea

LHC este cel mai mare accelerator de particule din lume, şi cel care atinge cele mai mari energii.^[1][2] Colliderul se află într-un tunel circular, cu o circumferinţă de 27 km, aflat la o adâncime între 50–175 m sub pământ.

Tunelul, învelit într-un strat de 3,8 m grosime de beton, construit între 1983 şi 1988, a fost folosit anterior ca gazdă pentru Large Electron-Positron Collider.^[3] El trece graniţa dintre Elveţia şi Franţa în patru puncte, o parte mai mare din el fiind în Franţa. Clădirile de la suprafaţă adăpostesc echipamente auxiliare, cum ar fi compresoare, echipamente de ventilaţie, electronica de control şi uzine de refrigerare.

Tunelul conţine două ţevi adiacente separate care se intersectează în patru puncte, fiecare ţeavă conţinând o conductă de protoni, care se deplasează în direcţii opuse în inel. Aproximativ 1.232 dipoli magnetici păstrează fluxurile pe calea lor circulară, şi 392 cuadripoli magnetici sunt utilizaţi pentru a păstra fluxurile focalizare, pentru a maximiza şansele de interacţiune între particule în cele patru puncte de intersecţie, unde se intersectează cele două fluxuri. În total, sunt instalaţi peste 1.600 magneţi supraconductori, majoritatea cântărind peste 27 tone. Sunt necesare aproximativ 96 tone de heliu lichid pentru a păstra magneţii la temperatura lor de operare de 1,9 K, făcând din LHC cea mai mare uzină criogenică la temperatura heliului lichid.

Cuadripoli electromagnetici superconductori folosiţi pentru a îndrepta fluxurile de protoni către patru puncte de intersecţie, unde au loc interacţiunile dintre protoni.

O dată sau de două ori pe zi, în timp ce protonii sunt acceleraţi de la 450 GeV la 7 TeV, câmpurile magnetice ale dipolilor electromagnetici superconductori vor fi crescute de la 0,54 la 8,3 tesla (T). Protonii vor avea fiecare o energie de 7 TeV, dând o energie totală de coliziune de 14 TeV (2,2 μJ). La această energie, protonii au un factor Lorentz de aproximativ 7500 şi se deplasează cu viteze de 99,999999% din viteza luminii. Durează mai puţin de 90 μs ca un proton să efectueze o tură în jurul inelului principal – viteza sa fiind de 11.000 revoluţii pe secundă. Fluxurile nu sunt continue, protonii fiind adunaţi în 2.808 grupuri, astfel încât interacţiunile între două fluxuri să aibă loc la intervale discrete niciodată mai scurte de 25 ns. Totuşi, operarea se face cu mai puţine grupuri decât era iniţial stabilit, dând un interval între grupurile de protoni de 75 ns.^[4]

Înainte de a fi injectate în acceleratorul principal, particulele sunt pregătite de o serie de sisteme care le măresc succesiv energia. Primul sistem este acceleratorul liniar de particule LINAC 2 care generează protoni de 50 MeV, accelerator care alimentează Proton Synchrotron Booster (PSB). Acolo, protonii sunt acceleraţi până la energii de 1,4 GeV şi injectaţi în Sincrotronul de Protoni (în engleză Proton Synchrotron, PS), unde sunt acceleraţi până la 26 GeV. În cele din urmă Super Sincrotronul de Protoni (în engleză Super Proton Synchrotron, SPS) este utilizat pentru a creşte energia protonilor până la 450 GeV înainte de a fi în final injectaţi (de-a lungul unei perioade de 20 de minute) în inelul principal. Aici, grupurile de protoni sunt acumulate, accelerate (pe o perioadă de 20 minute) până la energia lor maximă, de 7 TeV, şi în cele din urmă sunt stocaţi timp de 10–24 ore în timp ce coliziunile au loc la cele patru puncte de intersecţie.^[5]

LHC va fi folosit şi pentru a ciocni ioni grei de plumb (Pb) cu o energie de coliziune de 1.150 TeV. Ionii de Pb vor fi acceleraţi de acceleratorul liniar LINAC 3, iar Inelul Injector de energie joasă (în engleză Low-Energy Injector Ring, LEIR) va fi folosit ca unitate de stocare şi răcire a ionilor. Ionii vor fi apoi acceleraţi de către PS şi SPS înainte de a fi injectaţi în inelul LHC, unde vor atinge o energie de 2,76 TeV pe nucleon.

Detectoare

Instalarea detectoarelor CMS la LHC.

Au fost construite şase detectoare la LHC; acestea se află sub pământ, în nişte excavaţii săpate în dreptul punctelor de intersecţie la LHC. Două dintre ele, Experimentul ATLAS şi Compact Muon Solenoid (CMS), sunt detectoare de particule mari şi au roluri generice.^[2] A Large Ion Collider Experiment (ALICE) şi LHCb au roluri mai specifice şi ultimele două, TOTEM şi LHCf sunt mult mai mici şi sunt folosite pentru cercetări foarte specializate. Sumarul BBC al principalelor detectoare este după cum urmează:^[6]

• ATLAS – unul dintre cele două detectoare generice. ATLAS va fi folosit pentru a căuta semne de informaţii noi, inclusiv originile masei sau dimensiuni superioare.

• CMS – celălalt detector generic, ca şi ATLAS, caută bosonul Higgs şi alte indicii cu privire la natura materiei întunecate.

• ALICE – studiază starea de agregare a materiei, numită plasmă quark-gluon, care a existat la scurt timp după Big Bang.

• LHCb – cantităţi egale de materie şi antimaterie au fost create în Big Bang. LHCb va încerca să investigheze ce s-a întâmplat cu antimateria lipsă.

Scop

O diagramă Feynman a felului în care ar putea fi produs bosonul Higgs la LHC. Aici, două quark uri emit fiecare un boson W sau Z, care se combină pentru a obţine un boson Higgs neutrup.

Simulare a unui eveniment din detectorul CMS, cu apariţia bosonului Higgs.

În timpul funcţiunii, aproximativ şapte mii de oameni de ştiinţă din optzeci de ţări vor avea acces la LHC. Teoretic, colliderul va produce bosoni Higgs, ultima particulă neobservată dintre cele prevăzute teoretic de Modelul Standard. Verificarea existenţei bosonului Higgs va aduce lumină asupra mecanismului ruperii simetriei electroslabe, prin care se consideră că particulele Modelului Standard capătă masă. În plus faţă de bosonul Higgs, la LHC ar putea fi produse şi alte noi particul prezise de diverse extensiii ale Modelului Standard. În general, fizicienii speră ca LHC îi va ajuta să răspundă la următoarele întrebări:

• Este cu adevărat aplicat în natură mecanismul Higgs de generare a maselor particulelor elementare din Modelul Standard?^[7] Dacă e aşa, câţi bosoni Higgs există, şi care sunt masele lor?
• Electromagnetismul, forţa nucleară tare şi forţa nucleară slabă sunt doar manifestări diferite ale unei singure forţe unificate, după cum prezic multiplele teorii ale unificării?
• De ce este gravitaţia cu atâtea ordine de mărime mai slabă decât celelalte trei interacţiuni fundamentale?
• Se realizează în natură Supersimetria, adică au particulele din Modelul Standard câte un partener supersimetric?
• Măsurările mai precise ale maselor şi ale dezagregărilor quarkurilor vor continua să mai fie consistente mutual în Modelul Standard?
• De ce pare că există violări ale simetriei între materie şi antimaterie?
• Care este natura materiei întunecate şi a energiei întunecate?
• Există dimensiuni superioare,^[8] după cum prezic diferitele modele inspirate din teoria corzilor şi le putem detecta?

Dintre descoperirile posibile pe care le-ar putea face LHC, doar descoperirea particulei Higgs este relativ necontroversată, dar nici aceasta nu este considerată o certitudine. Stephen Hawking a spus într-un interviu acordat BBC că "cred că va fi mult mai interesant dacă nu găsim Higgsul. Aceasta va arăta că am greşit undeva, şi că trebuie să regândim. Am pus un pariu pe o sută de dolari că nu găsim Higgsul." În acelaşi interviu, Hawking aduce în discuţie posibilitatea găsirii de superparteneri şi adaugă că "orice ar găsi sau nu ar găsi LHC, rezultatele ne vor spune multe despre structura universului."^[9]

Collider de ioni

Programul de LHC se bazează mai ales pe coliziuni proton–proton. Totuşi, sunt incluse în program şi perioade de rulare mai scurte, de regulă o lună pe an, cu coliziuni de ioni grei. Deşi şi ionii mai uşori sunt luaţi în considerare, scopul principal al acestor perioade de rulare îl reprezintă ionii de plumb.^[10] Aceasta va permite un progres al programului experimental care se desfăşoară la Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC). Scopul programului cu ioni grei este observarea unei stări a materiei numită plasmă quark-gluon, care caracteriza etapa iniţială a existenţei Universului.

Efectuarea testelor

Primul flux de protoni a circulat prin collider în dimineaţa zilei de 10 septembrie 2008.^[11] CERN a reuşit trimiterea protonilor prin tunel în etape de câte trei kilometr. Particulele au fost trimise în sens orar în accelerator şi au efectuat o curbură completă la ora 10:28 ora locală.^[12] LHC a încheiat cu succes primul său test major: după o serie de rulări de test, două puncte albe au apărut pe ecranul unui monitor, arătând că protonii au traversat toată lungimea colliderului. Ghidarea particulelor pe parcursul de inaugurare a durat mai puţin de o oră.^[13] CERN a trimis apoi un flux de protoni în sens trigonometric, ceea ce a durat puţin mai mult, o oră şi jumătate, din cauza unei probleme cu criogenia, turul complet fiind încheiat la ora 14:59.

Se aşteaptă ca primele coliziuni de protoni cu energii mari să aibă loc la 6-8 săptămâni după intrarea în funcţiune a LHC la 10 septembrie. În anul 2008, însă, LHC operează la o energie redusă, de doar 10 TeV. Perioada de oprire de iarnă (care va avea loc probabil spre sfârşitul lui noiembrie) va fi folosită pentru antrenarea^[14] magneţilor superconductor, astfel încât rularea din 2009 să înceapă la energia maximă proiectată de 14 TeV.^[4]

Rezultatele aşteptate

După punerea în funcţiune a supercolliderului, oamenii de ştiinţă de la CERN estimează că, dacă Modelul Standard este corect, o dată la fiecare câteva ore va fi produs un boson Higgs. În acest ritm, ar putea dura aproximativ trei ani până se vor aduna suficiente statistici pentru a descoperi cu certitudine bosonul Higgs. Similar, ar dura un an sau mai mult până când vor fi adunate destule rezultate privind particulele supersimetrice pentru a trage concluzii în privinţa acestora.^[1]

Propunere de upgrade

Detectorul CMS de la LHC

După câţiva ani de funcţionare, orice experiment de fizica particulelor începe să sufere o degradare a rezultatelor; în fiecare an de funcţionare se descoperă mai puţin decât în anul anterior. Calea de a evita această degradare este upgrade-ul echipamentului, fie pentru mărirea energiei, fie pentru mărirea luminozităţii. S-a propus să se facă un upgrade al luminozităţii LHC, numit Super LHC,^[15] după zece ani de funcţionare a LHC. Calea optică pentru un upgrade de luminozitate pentru LHC cuprinde o mărire a curentului de protonu (numărul de protoni din flux) şi modificarea celor două regiuni de interacţiune de mare luminozitate, ATLAS şi CMS. Pentru a realiza aceste creşteri, energia fluxurilor la punctul în care sunt injectate în (Super) LHC ar trebui să fie şi ea mărită la 1 TeV. Aceasta va impune un upgrade al întregului sistem pre-injector, modificările necesare din Super Proton Synchrotron fiind cele mai costisitoare.

Costuri

Costul total al proiectului se aşteaptă a fi 3,2–6,4 miliarde de €.^[2] Construcţiei LHC i-a fost aprobat în 1995 un buget de 2,6 miliarde de franci elveţieni (1,6 miliarde euro), cu încă 210 milioane de franci (140 milioane de euro) reprezentând costul experimentelor. Totuşi, depăşirile de buget, estimate în 2001 la aproximativ 480 milioane franci (300 milioane de euro) pentru accelerator, şi 50 milioane de franci (30 milioane de euro) pentru experimente, împreună cu o reducere a bugetului CERN, a împins data terminării din 2005 până în aprilie 2007.^[16] Magneţii superconductori au fost responsabili pentru o creştere a costurilor de 180 milioane de franci (120 milioane de euro). Au apărut şi alte dificultăţi în construcţia locaşului subteran pentru Compact Muon Solenoid, în parte din cauza unor componente defecte împrumutate de CERN de la laboratoarele Argonne National Laboratory şi Fermilab.^[17]

David King, fostul director ştiinţific din partea Regatului Unit, a criticat LHC pentru că a primit prioritate mai mare la fonduri decât rezolvarea principalelor probleme ale Pământului, în principal schimbările climatice, dar şi creşterea demografică şi sărăcia din Africa.^[18]

Resursele de putere de calcul

LHC Computing Grid este construit pentru a manevra cantităţile masive de date produse de Large Hadron Collider. Acesta incorporează atât legături private prin cablu de fibră optică cât şi porţiuni de mare viteză ale Internetului public, activând transferul de date de la CERN către instituţii academice din toată lumea.

Proiectul de calcul distribuit LHC@home a fost demarat cu scopul de a ajuta la construcţia şi calibrarea LHC. Proiectul utilizează platforma BOINC pentru a simula felul în care particulele călătoresc prin tunel. Cu această informaţie, oamenii de ştiinţă pot determina cum să calibreze magneţii pentru a obţine cea mai stabilă "orbită" a fluxurilor de protoni din inel.

Securitatea coliziunilor de particule

Experimentele ce vor fi rulate la Large Hadron Collider au declanşat temeri în rândul publicului de eventualitatea în care coliziunile de particule ar crea fenomene periculoase, cum ar fi găuri negre microscopice şi materie stranie.^[19] Două analize de siguranţă cerute de CERN au examinat aceste temeri şi au concluzionat că experimentele de la LHC nu prezintă niciun pericol şi că nu există niciun motiv de îngrijorare,^[20][21][22] o concluzie susţinută şi de American Physical Society, a doua organizaţie de fizicieni din lume.^[23]

Probleme operaţionale

Dimensiunea LHC constituie o provocare inginerească excepţională cu probleme operaţionale unice datorate energiilor uriaşe stocate în magneţi şi în fluxurile de protoni.^[5][24] În timpul funcţionării, energia totală stocată în magneţii superconductori este de ordinul a 10 GJ (echivalent cu 2,4 t de TNT) şi energia totală transportată de cele două fluxuri atunge 724 MJ (aproximativ jumătate din energia descărcată printr-un fulger).^[25]

Pierderea a unei zecimi de milionimi din energia fluxului (10⁻⁷) din flux este de ajuns pentru a supraîncălzi un magnet superconductor, iar sistemele de absorbţie a fluxului trebuie să absoarbă 362 MJ, o energie echivalentă cu arderea a opt kilograme de petrol, pentru fiecare din cele două fluxuri. Aceste energii imense sunt şi mai impresionante, dacă se ia în consideraţie şi cât de puţină materie o transportă: în condiţii normale de funcţionre (2,808 grupuri pe flux, 1,15×10¹¹ protoni pe grup), ţevile conţin 1,0×10^-9 grame de hidrogen, care, în condiţii normale de presiune şi temperatură, ar umple volumul unui grăunte de nisip fin.

Accidente în construcţie şi întârzieri

La 25 octombrie 2005, un tehnician a murit în tunelul LHC când încărcătura unei macarale a fost scăpată accidental.^[26] La 27 martie 2007, suportul unui magnet criogenic s-a defectat în timpul unui test de presiune, implicând unul dintre magneţii tripletului interior, furnizat de Fermilab şi KEK. Nimeni nu a fost rănit. Directorul Fermilab Pier Oddone a declarat "În acest caz suntem stupefiaţi de faptul că am greşit un echilibru simplu de forţe". Această defecţiune a fost prezentă în proiectul original, şi a persistat de-a lungul a patru analize inginereşti efectuate în anii următori.^[27] Analiza a arătat că proiectul, făcut cât de subţire se putea pentru izolaţie mai bună, nu a fost suficient de tare să reziste la forţele generat în timpul testelor de presiune. Detaliile sunt disponibile într-o declaraţie a Fermilab, cu care CERN are un acord.^[28][29] Repararea magnetului defect şi reîntărirea celorlalte opt ansambluri identice folosite de LHC au dus la amânarea începerii experimentelor,^[30] planificate atunci pentru noiembrie 2007, cu câteva săptămâni. Problemele datorate supraîncălzirii unui magnet superconductor pe 19 septembrie 2008 au cauzat scurgerea unei tone de heliu lichid. Întrucât investigarea problemelor ar dura până după închiderea planificată pe perioada iernii, repunerea în funcţiune a acceleratorului a fost amânată până în 2009.^[31]

În cultura populară

Large Hadron Collider a apărut în Îngeri şi demoni de Dan Brown, unde era legat de crearea de antimaterie periculoasă la LHC şi utilizată ca armă împotriva Vaticanului. CERN a publicat o pagină intitulată „Fapt sau ficţiune?”(în engleză "Fact or Fiction?") care discută acurateţea prezentării din carte a LHC, CERN, şi a fizicii particulelor în general.^[32] Filmul realizat după carte are imagini filmate chiar la CERN, la unul din experimentele de la LHC; regizorul, Ron Howard, s-a consultat cu experţii CERN încercând să facă elementele ştiinţifice din poveste mai exacte.^[33]

"Large Hadron Rap", un clip muzical realizat de angajata CERN Katherine McAlpine^[34] a depăşit trei milioane de accesări pe YouTube la 15 septembrie 2008.^[35][36][37]

BBC Radio 4 a marcat momentul pornirii LHC la 10 septembrie 2008 cu "Ziua Big Bang".^[38] Acest eveniment a inclus un episod radio al serialului TV Torchwood, cu o acţiune care implica LHC, episod intitulat Lost Souls (în română Suflete pierdute).^[39] Directorul de comunicare al CERN, James Gillies, a comentat: "CERN din realitate nu prea seamănă cu cel din episodul de Torchwood al lui Joseph Lidster."^[40]

Note

Legături externe

• en Sit oficial
• en BBC NEWS, 'Big Bang machine' fires up

Acest articol din domeniul fizicii este un ciot. Puteţi ajuta Wikipedia prin dezvoltarea lui.