Veliki hadronski trkalnik (LHC) – CERN-ov največji pospeševalnik delcev

Veliki hadronski trkalnik (LHC) je največji in najmočnejši pospeševalnik delcev na svetu. Zgradila ga je Evropska organizacija za jedrske raziskave (CERN). Gre za velikanski krožni predor, zgrajen pod zemljo; obseg njegovega oboda znaša približno 27 kilometrov (17 milj). Predor leži od 50 do 175 metrov pod površjem in poteka delno pod mejo med Švico in Francijo. Pri gradnji je sodelovalo okoli 10.000 znanstvenikov, inženirjev in tehnikov iz več kot 100 držav, strošek izgradnje pa je bil približno 10,4 milijarde švicarskih frankov (okoli 10 milijard dolarjev). Danes je LHC eden največjih in tehnološko najzahtevnejših eksperimentalnih raziskovalnih objektov na svetu.

Kaj trkamo in zakaj

Kot je razvidno iz imena, raziskave na LHC vključujejo trke hadronov. Hadron je delec, sestavljen iz več kvarkov, ki jih skupaj drži subatomska močna sila. Primeri hadrona so proton in nevtron. LHC v svojih poskusih najpogosteje trka protone, saj so ti stabilni in enostavni za pripravo. Protoni so sestavni deli atomov s pozitivnim nabojem in jih pospešujemo v nasprotnih smereh skozi obroč, dokler ne dosežejo hitrosti blizu svetlobne hitrosti. Ob trkih se sprostijo energije, ki vzpostavijo pogoje, podobne zelo zgodnjemu vesolju, kar raziskovalcem omogoča preučevanje osnovnih gradnikov snovi in sil, ki jih povezujejo.

Kako deluje LHC

LHC sestavlja več ključnih komponent:

Magneti: v obroču je okoli 1.232 velikih supravodnih dipolnih magnetov, ki usmerjajo žarki delcev po krožni poti. Magneti delujejo pri temperaturah okoli 1,9 K, kar je hlajenje s tekočim helijem na skoraj absolutno ničlo.
RF-kavitete: poskrbijo za energijsko povečanje delcev (pospeševanje) in stabilizacijo žarka.
Vakuumski sistem: cevi, po katerih potujejo delci, so v skoraj popolnem vakuumu, da se prepreči trk z atomsko snovjo in ohrani trajektorija žarka.
Detektorji: nameščeni so na vozliščih ob obodu, kjer se žarki križajo; zaznavajo nastale delce in merijo njihove lastnosti.

V obratovanju LHC običajno pospešuje dva žarka, ki se usmerjata v nasprotnih smereh. Vsak žarek lahko vsebuje več tisoč skupkov (»packetov«) protonov. Ko se ti paketki križajo v točkah trka, detektorji zajamejo ogromno količino podatkov za analizo.

Glavni eksperimenti in odkritja

Ob LHC delujejo največji in najpomembnejši eksperimentalni detektorji:

ATLAS – splošno zasnovan detektor za širok spekter meritev.
CMS – še en univerzalni detektor, ki deluje neodvisno od ATLAS-a.
ALICE – specializiran za preučevanje kvark-gluonske plazme in fizike težkih ionov.
LHCb – zasnovan za preučevanje asimetrije med materijo in antimaterijo (CP-kršitve).

Ena najpomembnejših odkritij LHC je bilo potrditev obstoja Higgsovega bozona leta 2012, kar sta neodvisno objavila eksperimenta ATLAS in CMS. To odkritje je potrdilo mehanizem, ki po Standardnem modelu daje delcem maso. Poleg tega LHC prispeva k iskanju sledi novih pojavov, kot so delci, ki bi lahko predstavljali temno snov, preverjanje teorij nadsimetrij (supersimetrije), ter študij visokoenergetskih stanj snovi (kvark-gluonska plazma).

Tehnični podatki in zmogljivosti

LHC je bil zasnovan za trke z energijo sredi masnega sistema do 14 TeV (teraelektronvoltov). V obratovalnih fazah so žarki dosegali po približno 6,5 TeV na žarek (skupna energija v središču trka ~13 TeV). Z nadaljnimi nadgradnjami (High-Luminosity LHC – HL-LHC) se pričakuje večja skupna svetlost (več trkov na sekundo) in izboljšana občutljivost za redke pojave.

LHC proizvaja ogromne količine podatkov: petabajti in več letno. Za obdelavo teh podatkov uporablja globalno omrežje računalnikov, znano kot Worldwide LHC Computing Grid, ki povezuje računalniške centre po vsem svetu.

Varnost in napačne predstave

Ob nastanku LHC so se pojavile različne skrbi in teorije o nevarnostih (npr. ustvarjanje mikroskopskih črnih lukenj). V strokovnih študijah in ocenah tveganja so znanstveniki dokazali, da so takšni dogodki bodisi nemogoči v pogojih LHC bodisi popolnoma neškodljivi — celo če bi nastale mikroskopske črne luknje, bi se zaradi kvantnih učinkov zelo hitro izparele. LHC ne predstavlja nevarnosti za okolico in deluje z večslojno varnostno infrastrukturo ter strogimi protokoli.

Organizacija, sodelovanje in prihodnost

LHC je primer mednarodnega sodelovanja na največjem možnem nivoju: v projekt je vključenih na tisoče raziskovalcev, inštitucij in držav. Poleg znanstvenega dela velik del denarja in časa namenjajo vzdrževanju, modernizaciji in izobraževanju novih generacij raziskovalcev.

V prihodnjih letih se načrtujejo velike nadgradnje (HL-LHC), ki bodo omogočile še večje število trkov in globlji vpogled v redke fizikalne procese. Cilji vključujejo natančnejše merjenje lastnosti Higgsovega bozona, iskanje novih delcev in razumevanje temne snovi ter drugih nepojasnjenih pojavov v fiziki osnovnih delcev.

Kje najdete več informacij

Več informacij o LHC in posameznih eksperimentih nudijo spletne strani CERN-a, znanstvene publikacije ter izobraževalni materiali, ki pojasnjujejo tako tehnične vidike kot pomembnost odkritij za naše razumevanje vesolja. Opazovanja iz LHC nam pomagajo rekonstruirati dogajanje v milisekundah po velikem poku in poglabljajo razumevanje strukture prostora in časa.

Zemljevid velikega hadronskega trkalnika v CERN-u

Kako deluje

LHC ionizira atome vodika, da bi pridobil njihove protone. Vodikov atom je sestavljen iz enega protona in enega elektrona. Ko ionizirajo atome, odstranijo en elektron, da dobijo neto pozitivni naboj. Vodikovi protoni se nato z elektromagneti usmerjajo skozi krog. Da bi bili magneti dovolj močni, mora biti zelo hladno. Notranjost predora se hladi s tekočim helijem. Temperaturo vzdržujejo na ravni malo nad absolutno ničlo. Protoni udarjajo drug v drugega s hitrostjo, ki je blizu svetlobne hitrosti, in se s pomočjo E=mc2 pretvorijo v energijo. Ta se nato obrne in ustvari maso. Na mestu trka so štiri plasti detektorjev. Eksplozija gre skozi vsak sloj in vsak detektor zabeleži drugo fazo reakcije.

Ko delci trčijo drug ob drugega, se njihova energija pretvori v različne delce, občutljivi detektorji pa spremljajo nastale delce. Z natančnim pregledovanjem podatkov detektorjev lahko znanstveniki preučujejo, iz česa so delci sestavljeni in kako medsebojno delujejo. To je edini način za zaznavanje nekaterih delcev, saj je za njihov nastanek potrebna zelo visoka energija. Trki delcev v LHC imajo potrebno energijo.

LHC ima tri glavne dele. Gre za pospeševalnik delcev, štiri detektorje in mrežo. Pospeševalnik ustvari trk, vendar rezultatov ni mogoče neposredno opazovati. Detektorji jih spremenijo v uporabne podatke in jih pošljejo v mrežo. Mreža je računalniško omrežje, ki ga raziskovalci uporabljajo za interpretacijo podatkov. Na 170 lokacijah v 36 različnih državah so nameščeni običajni namizni računalniki. Vsi ti računalniki so povezani in skupaj delujejo kot superračunalnik. Mreža LHC velja za najzmogljivejši superračunalnik, ki je bil kdaj koli zgrajen. Računalniki si delijo procesorsko moč in prostor za shranjevanje podatkov.

Mreža je zelo zmogljiva, vendar lahko sprejme le približno en odstotek podatkov, ki jih prejme od detektorjev. Njegove omejitve so spodbudile poskuse ustvarjanja kvantnih računalnikov, ki bi za izdelavo hitrejših računalnikov lahko uporabili vse, kar nas je LHC naučil o kvantni mehaniki.

Znanstveniki so z LHC našli Higgsov bozon, delec, katerega obstoj predvideva standardni model.

Nekateri so menili, da bi LHC lahko ustvaril črno luknjo, kar bi bilo zelo nevarno. Za to sta dva razloga, zakaj se ne bi smeli bati. Prvi je, da LHC ni naredil ničesar, česar ne bi naredili kozmični žarki, ki vsak dan udarijo v Zemljo, in ti žarki ne ustvarjajo črnih lukenj. Drugi razlog je, da tudi če bi LHC ustvaril črne luknje, bi bile te zelo majhne. Manjša kot je črna luknja, krajša je njena življenjska doba. Zelo majhne črne luknje bi izhlapele, preden bi lahko škodovale ljudem.

LHC je bil prvič uporabljen 10. septembra 2008, vendar ni deloval, ker se je pokvaril hladilni sistem. Magneti, ki pomagajo premikati nabite delce, morajo biti hladni. Zaradi okvare se je del objekta zrušil. Laboratorij se je za zimo zaprl in trkalnik je bil ponovno uporabljen šele novembra 2009. Med popravilom so znanstveniki Tevatron uporabljali za iskanje Higgsovega bozona. Ko so novembra 2009 ponovno zagnali trkalnik LHC, je postavil nov hitrostni rekord s pospeševanjem protonov na 1,18 TeV (teraelektronvolt ali trilijon elektronvolt). 30. marca 2010 je LHC ustvaril trk pri 3,5 TeV.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je veliki hadronski trkalnik (LHC)?

O: LHC je največji in najmočnejši pospeševalnik delcev na svetu. Zgradila ga je Evropska organizacija za jedrske raziskave (CERN) in je velikanski krožni predor, zgrajen pod zemljo.

V: Kje se nahaja LHC?

O: LHC leži pod švicarsko-francosko mejo, njegov predor pa je dolg 17 milj (27 kilometrov) in se nahaja od 50 do 175 metrov pod zemljo.

V: Kdo je sodeloval pri gradnji projekta?

O: Pri gradnji tega projekta je sodelovalo 10 000 znanstvenikov in inženirjev iz več kot 100 različnih držav.

V: Koliko je stala gradnja?

O: Projekt je stal 10,4 milijarde švicarskih frankov (10 milijard dolarjev).

V: Kateri delci se uporabljajo v poskusih na LHC?

O: V poskusih na LHC se uporabljajo predvsem protoni. Protoni so deli atomov s pozitivnim nabojem, ki se pospešujejo skozi predor, dokler ne dosežejo skoraj svetlobne hitrosti.
V: Kaj si raziskovalci obetajo izvedeti z uporabo te naprave? O: Raziskovalci upajo, da se bodo naučili več o kvantni fiziki in dobili vpogled v to, kakšna sta bila prostor in čas v milisekundah po velikem poku.