LHC

Izvor: Vidipedija
Skoči na: orijentacija, traži
Prsten velikog hadronskog sudarača sa obilježenim položajima detektora.
Veliki hadronski sudarač (eng. Large Hadron Collider, LHC) je akceleratorsko postrojenje smješteno u Europskom centru za nuklearna istraživanja (CERN) u Ženevi. Sastoji se od podzemnog prstena opsega 26 659 metara smještenog na dubini između 75 i 150 metara i akceleratorskih struktura koje ubrzavaju čestice tijekom njihovog kruženja kroz cijev. Za usmjeravanje snopa čestica kroz cijevi akceleratora koriste se tisuće magneta različitih karakteristika i veličine. Snopovi čestica vode se kroz cijevi akceleratorskog prstena pomoću jakog magnetskog polja koje se postiže upotrebom supravodljivih elektromagneta. Supravodljivi magneti sastavljeni su od posebnih vodiča ohlađenih pomoću tekućeg helija na -271 stupanj celzija da bi se postiglo stanje supravodljivosti. U tom stanju električna struja teče kroz vodiče bez otpora i gubitaka energije što omogućava stvaranje iznimno jakih magnetskih polja. Duž prstena akceleratora, na mjestima gdje se snopovi sudaraju, smješteni su detektori čestica koji prikupljaju informacije o česticama nastalim u sudarima i uvjetima koji su tada vladali. Nakon više od deset godina izgradnje i utrošenih više milijardi eura, veliki hadronski sudarač pušten je u pogon 10. rujna 2008. a prvi sudari čestica planirani su u listopadu 2008. godine. Nakon inicijalnog pokretanja došlo je do kvara jednog od supravodljivih magneta pa su eksperimenti odgođeni za proljeće 2009. godine.

Istraživanja

Veliki hadronski sudarač izgrađen je da doprinese rasvjetljavanju neriješenih pitanja u fizici elementarnih čestica. Standardni model fizike elementarnih čestica je najuspješniji teorijski model u povijesti koji objašnjava strukturu i interakcije elementarnih čestica i čija su gotovo sva predviđanja eksperimentalno potvrđena ali koji i dalje ne opisuje cjelokupnu strukturu univerzuma. Popunjavanje praznina u Standardnom modelu zahtijeva nove, detaljnije eksperimentalne podatke i očekuje se da ih pruži upravo LHC.

Sudaranjem atomskih čestica ubrzanih gotovo do brzine svjetlosti u komorama sudarača stvorit će se područja iznimno visoke energije, 14 TeV, i reproducirati uvjeti koji su vladali tek nekoliko milijarditih dijelova sekunde nakon Velikog praska. Znanstvenici očekuju da će se analiziranjem ogromne količine podataka prikupljenih tijekom eksperimenata dobiti odgovori na fundamentalna pitanja u fizici ili barem smjernice za daljnje istraživanje. Neka od pitanja na koja se očekuju odgovori su:

  • Što je masa i odakle potječe?
  • Imaju li čestice superimstrične partnere?
  • Zbog čega je došlo do narušavanja simetrije između materije i antimaterije?
  • Postoje li u svemiru dodatne dimenzije?
  • Kakva je priroda tamne materije i tamne energije?
  • Zašto je gravitaciona sila toliko slabija od ostalih fundamentalnih sila?
  • Kako su izgledale elementarne čestice neposredno nakon Velikog praska i u kakve su interakcije stupale?

Tehnički dizajn

Veliki hadronski sudarač najveći je i najmoćniji akcelerator čestica na svijetu. Sagrađen je u blizini Ženeve u Švicarskoj i sastoji se uglavnom od podzemnog akceleratorskog prstena opsega 26 659 metara smještenog na dubini između 50 i 175 metara. U tunelu prstena nalaze se dvije paralelne cijevi kroz koje se u suprotnim smjerovima kreću snopovi protona. Oko cijevi raspoređena su 9593 magneta, od kojih su 1232 glavna dvopolna magneta za usmjeravanje snopa i 392 četveropolna magneta za fokusiranje snopa kako bi se maksimizirale šanse za interakciju čestica u četiri točke u kojima se putanje snopova presjecaju. Ukupno je instalirano preko 1600 supravodljivih magneta ohlađenih na radnu temperaturu od 1,9 K (-271,25 C) pomoću 96 tona tekućeg helija.

Protoni će pomoću magnetskog polja biti ubrzani gotovo do brzine svjetlosti (0,999999991 c) pri čemu će imati energiju od 7 TeV dajući ukupnu energiju sudara od 14 TeV. Pri toj brzini i energiji protoni će obilaziti krug opsega 27 kilometara oko 11 000 puta u sekundi. Protoni će kroz prsten kretati u 2808 skupina a u svakoj skupini bit će oko 100 milijardi čestica. To će osigurati da se sudari između snopova događaju svakih 25 nanosekundi. U svakoj sekundi trajanja eksperimenta dogodit će se oko 600 milijuna sudara čestica.

Detektori

Oko akceleratorskog prstena u četiri velike šupljine na mjestima presjecanja snopova protona postavljeno je ukupno šest detektora elementarnih čestica koji će prikupljati podatke o uvjetima koji vladaju u trenutku sudara, o česticama koje pritom nastaju i o njihovim karakteristikama. U svih šest detektora ugrađeno je oko 150 milijuna senzora koji će prikupljati podatke oko 40 milijuna puta u sekundi. Tok sirovih podataka iz četiri detektora iznosit će ukupno oko 700 MB/s.

Namjena velikih detektora izgrađenoh oko akceleratorskog prstena je identificiranje sekundarnih čestica koje nastaju u sudarima i mjerenje njihovog položaja u prostoru, naboja, brzine, mase i energije. Da bi to mogli, detektori se sastoje od mnogo slojeva “poddetektora” koji imaju specifične uloge u rekonstrukciji sudara. Povrh svega nalazi se magnet čija je uloga razdvajanje čestica prema električnom naboju i omogućavanje mjerenja momenta. Postoje dvije važne kategorije poddetektora:

  • Uređaji za prećenje putanje prate kretanje čestica prema tragu koji ostavljaju ioniziranjem medija kroz koji se kreću. U magnetskom polju tragovi se mogu koristiti za mjerenje zakrivljenosti putanje čestice, a prema tome i njenog momenta. Na temelju tih podataka moguće je identificirati česticu.
  • Kalorimetri su uređaji koji mjere energiju čestica tako što ih zaustavljaju i mjere količinu oslobođene energije. Postoje dvije glavne vrste kalorimetara: elektromagnetski i hadronski. Za njihovu izgradnju koriste se različiti materijali, ovisno o vrsti čestica kojoj su namijenjeni. Elektromagnetski kalorimetri u potpunosti zaustavljaju elektrone i fotone koji stupaju u elektromagnetsku interakciju. Čestice koje stupaju u jaku interakciju (hadroni) mogu početi gubiti energiju u elektrostatičkom kalorimetru, ali će tek u hadronskom biti potpuno zaustavljene. Neke čestice, poput miona i neutrina, uopće neće biti detektirane ni jednom vrstom kalorimetara. Kalorimetri su glavni instrument za za identificiranje neutralnih čestica kao što su fotoni i neutroni. Iako su nevidljive u uređajima a praćenje putanja, otkrivaju se po energiji koju predaju kalorimetru.

Snopovi protona u LHC-u sudarat će se na četiri mjesta na kojima će biti postavljeno ukupno šest detektora:

  • Detektor Alice.
    ALICE (A Large Ion Collider Experiment) je detektor specijaliziran za anliziranje sudara iona olova. Pomoću njega će se proučavati svojstva kvark-gluonske plazme, stanja tvari u kojem kvarkovi i gluoni, u uvjetima visoke temperature, više nisu ograničeni unutar hadrona. Takvo stanje tvari vjerojatno je postojalo neposredno nakon velikog praska, prije nego što su formirane čestice poput protona i neutrona. Detektor je dugačak 26 metara, visok 16 metara i širok 16 metara a težak je 10 000 tona.
  • ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) je općenamjenski detektor porojektiran za najširi mogući opseg fizičkih istraživanja – od Higgsovih bozona do supersimetrije i dodatnih dimenzija. Sastoji se od solenoida superprovodnog magneta dugačkih 25 metara i raspoređenih tako da formiraju cilindar oko cijevi sa snopom čestica koja prolazi kroz središte detektora. ATLAS je detektor najvećeg volumena ikada konstruiran. Dugačak je 46 metara, visok 25 metara i širok 25 metara. Težak je 7 000 tona.
  • Detektor CMS.
    CMS (Compact Muon Solenoid)je također višenamjenski detektor sa istom namjenom kao i ATLAS ali su u njegovoj konstrukciji primijenjena drugačija tehnička rješenja. Izgrađen je oko ogromne superprovodne zavojnice. Ima oblik cilindričnog namotaja superprovodnog kabela koji generira magnetno polje snage 4 T, što je oko 100 000 puta jače od magnetnog polja Zemlje. Detektor je dugačak 21 metar, visok 15 metara i širok 15 metara. Težak je 12 500 tona.
  • Detektor LHCb.
    LHCb (LHC-beauty) je detektor specijaliziran za istraživanje asimetrije između materije i antimaterije koja je pristutna u interakcijama B-čestica (čestica čiji su konstituenti b kvarkovi). Razumijevanje ove asimetrije ključno je u istraživanju materije i antimaterije u svemiru. Detektor je težak 5 600 tona, dugačak je 21 metar, visok 10 metara i širok 13 metara.
  • LHCf (Large Hadron Collider forward) je mali eksperiment koji će mjeriti čestice nastale vrlo blizu smjera snopova u sudarima proton-proton. Njegova primarna svrha je testiranje modela korištenih za procjenu primarne energije ultra jakog kozmičkog zračenja. Njegovi detektori bit će udaljeni 140 metara od mjesta sudara unutar detektora ATLAS. LHCf detektor se sastoji od dva dijela dugačka 30 cm, visoka 10 cm i široka 10 cm. Svaki dio detektora težak je 40 kg.
  • TOTEM (Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation) će mjeriti efektivnu veličinu ili presjek protona u LHC-u. TOTEM mora biti u mogućnosti detektirati čestice nastale vrlo blizu glavnih snopova protona. Sastoji se od detektora smještenih u posebno dizajniranim vakumskim komorama – “rimskim loncima” – povezanim sa glavnim cijevima akceleratora. Osam lonaca bit će raspoređeno u parovima na četiri mjesta u blizini točke sudara detektora CMS. TOTEM je dugačak 440 metara, visok pet metara, širok pet metara i težak 20 tona.

Informatička podrška

Tok sirovih podataka iz detektora velikog hadronskog sudarača iznos enormnih 700 MB/s. Ta količina podataka prikuplja se pomoću više od 150 milijuna senzora raspoređenih u svih šest eksperimenata. Iz ukupnih sirovih podataka izdvajaju se “zanimljivi događaji” pa se tok podataka reducira na samo 300 MB/s. LHC će ukupno godišnje generirati oko 15 petabajta podataka kojima će pristupati i obrađivati ih tisuće znanstvenika širom svijeta.

Podaci prikupljeni u eksperimentima distribuirat će se ustanovama i pojedincima preko četveroslojnog modela. Podaci će se primarno pohranjivati na vrpcama u podatkovnom centru smještenom u samom CERN-u. Ova računala čine nulti sloj distribuiranog sustava. Nakon inicijalne obrade podaci će se redistribuirati u niz cenatara prvog sloja – velike računalne centre sa dovoljnim kapacitetom za pohranu koji će neprekidno stajati na raposlaganju središnjem podatkovnom centru.

Centri iz prvog sloja stavljaće podatke na raspolaganje centrima drugog sloja – kolaboracijskim računalnim centrima koji su u mogućnosti čuvati dovoljno podataka i raspolažu dovoljnom procesorskom snagom za izvođenje specifičnih analitičkih poslova.

Pojedinačni znanstvenici pristupat će tim centrima preko računalnih resursa trećeg sloja. Oni se mogu sastojati od lokalnih klastera na fakultetima ili čak pojedinačnih PC računala.

Vanjske poveznice