Experimente în curs: Large Hadron Collider, pentru studiul particulelor

(Experimente LHC)

• Experimente LHC
  • ATLAS: Un aparat LHC toroidal
  • CMS: Solenoid compact de muoni
  • LHCb: LHC-beauty
  • ALICE: Un experiment de coliziuni puternice de ioni
  • TOTEM: Secțiune transversală totală, împrăștiere elastică și disociere prin difracție
  • LHCf: LHC-forward
  • MoEDAL: Detector monopol și exotice la LHC
  • F- ASER: ForwArd Search ExpeRiment
• Preacceleratoare LHC
  • p și Pb: Acceleratoare liniare pentru protoni (Linac 2) și plumb (Linac 3)
  • (nemarcat): Booster pentru sincrotronul de protoni
  • PS: Sincrotron de protoni
  • SPS: Sincrotron super proton
• Colliderele de hadroni
  • Inele de depozitare intersectate: CERN, 1971–1984
  • Collider proton-antiproton (SPS): CERN, 1981–1991
  • ISABELLE: BNL, anulat în 1983
  • Tevatron: Fermilab, 1987–2011
  • Super collider supraconductor: Anulat în 1993
  • Collider relativistic pentru ioni grei: BNL, 2000 – prezent
  • Collider mare de hadroni: CERN, 2009 – prezent
  • Viitorul collider circular: Propus

(Complexul accelerator CERN)

• Complexul accelerator CERN – Lista acceleratoarelor curente de particule la CERN
  • Linac 3: Accelerează ioni
  • AD: Decelerează antiprotoni
  • LHC: Ciocnește protoni sau ioni grei
  • LEIR: Accelerează ioni
  • PSB: Accelerează protoni sau ioni
  • PS: Accelerează protoni sau ioni
  • SPS: Accelerează protoni sau ioni

Large Hadron Collider (LHC) este colliderul de particule cel mai mare și cu energiile cele mai mari din lume, și cel mai mare utilaj din lume. A fost construit de Organizația Europeană pentru Cercetare Nucleară (CERN) între 1998 și 2008 în colaborare cu peste 10.000 de oameni de știință și sute de universități și laboratoare, precum și peste 100 de țări. Se află într-un tunel cu o circumferință de 27 de kilometri și adâncime de până la 175 de metri sub granița Franța-Elveția, lângă Geneva.

Primele coliziuni au fost realizate în 2010 la o energie de 3,5 teraelectronvolți (TeV) per fascicul, de aproximativ patru ori mai mare decât recordul mondial anterior. După actualizări a ajuns la 6,5 ​​TeV pe fascicul (13 TeV energie totală de coliziune, record mondial actual). La sfârșitul anului 2018, a intrat într-o perioadă de închidere de doi ani pentru îmbunătățiri.

Colliderul are patru puncte de trecere, în jurul cărora sunt poziționate șapte detectoare, fiecare conceput pentru anumite tipuri de cercetare. LHC ciocnește în primul rând fluxurile de protoni, dar poate folosi și fluxuri de ioni grei: ciocnirile plumb-plumb și ciocnirile proton-plumb se fac de obicei timp de o lună pe an. Scopul detectoarelor LHC este de a permite fizicienilor să testeze predicțiile diferitelor teorii ale fizicii particulelor, inclusiv măsurarea proprietăților bosonului Higgs și căutarea familiei mari de particule noi prezise de teoriile supersimetrice, precum și alte întrebări nerezolvate ale fizică.

Termenul de hadron se referă la particule compozite subatomice compuse din quarci, ținute împreună de forța puternică (deoarece atomii și moleculele sunt ținute împreună de forța electromagnetică). Cei mai cunoscuți hadroni sunt barionii precum protoni și neutroni; hadronii includ și mezonii precum pionul și kaonul, care au fost descoperiți în timpul experimentelor cu raze cosmice la sfârșitul anilor 1940 și începutul anilor 1950.

Un collider este un tip de accelerator de particule cu două fascicule direcționate de particule. În fizica particulelor, colliderul este folosit ca instrument de cercetare: accelerează particulele la energii cinetice foarte mari și le lasă să aibă impact asupra altor particule. Analiza subproduselor acestor coliziuni oferă oamenilor de știință dovezi bune despre structura lumii subatomice și legile naturii care o guvernează. Multe dintre aceste produse secundare sunt produse numai prin coliziuni cu energie mare și se descompun după perioade foarte scurte de timp. Astfel, multe dintre ele sunt greu sau aproape imposibil de studiat în alte moduri.

Scop

Mulți fizicieni speră că Large Hadron Collider va ajuta să răspundă la unele dintre întrebările fundamentale deschise în fizică, care se referă la legile de bază care guvernează interacțiunile și forțele dintre obiectele elementare, structura profundă a spațiului și timpului și, în special, relația dintre mecanica cuantică si relativitatea generala.

De asemenea, sunt necesare date din experimentele cu particule de mare energie pentru a sugera ce versiuni ale modelelor științifice actuale sunt mai susceptibile de a fi corecte – în special pentru a alege între modelul standard și modelul Higgsless, și pentru a valida predicțiile lor și a permite dezvoltarea teoretică suplimentară.

Problemele explorate de coliziuni LHC includ:

• Masa particulelor elementare este generată de mecanismul Higgs prin ruperea simetriei electrodebole? Se aștepta ca experimentele de coliziune să demonstreze sau să excludă existența bosonului Higgs evaziv, permițând astfel fizicienilor să ia în considerare dacă Modelul standard sau alternativele sale Higgsless sunt mai susceptibile de a fi corecte.
• Supersimetria, o extensie a modelului standard și a simetriei Poincaré, este realizată în natură, implicând faptul că toate particulele cunoscute au parteneri supersimetrici?
• Există dimensiuni suplimentare, așa cum se prezice prin diferite modele bazate pe teoria corzilor, și le putem detecta?
• Care este natura materiei întunecate care pare să reprezinte 27% din energia-masa universului?

Alte întrebări deschise care pot fi explorate folosind coliziuni de particule de mare energie:

• Se știe deja că electromagnetismul și forța nucleară slabă sunt manifestări diferite ale unei singure forțe numită forță electroslabă. LHC poate clarifica dacă forța electroslabă și forța nucleară puternică sunt, în mod similar, doar manifestări diferite ale unei forțe unificate universale, așa cum se prezice prin diferite teorii ale Marii Unificări.
• De ce este a patra forță fundamentală (gravitația) cu atât de multe ordine de mărime mai slabă decât celelalte trei forțe fundamentale?
• Există surse suplimentare de amestecare a aromelor de quarc, dincolo de cele deja prezente în cadrul modelului standard?
• De ce există încălcări aparente ale simetriei dintre materie și antimaterie?
• Care sunt natura și proprietățile plasmei de quarc-gluon, despre care se crede că a existat în universul timpuriu și în anumite obiecte astronomice compacte și ciudate de astăzi? Acest lucru va fi investigat prin coliziuni grele de ioni, în principal în ALICE, dar și în CMS, ATLAS și LHCb. Observate pentru prima dată în 2010, descoperirile publicate în 2012 au confirmat fenomenul de stingere a jetului în cazul coliziunilor cu ioni grei.

Proiectarea

Colliderul este conținut într-un tunel circular, cu o circumferință de 26,7 kilometri, la o adâncime cuprinsă între 50 și 175 de metri sub pământ. Variația adâncimii a fost deliberată, pentru a reduce cu cantitatea de tunel care se află sub Munții Jura, pentru a evita să fie nevoie să se excaveze un arbore de acces vertical acolo. A fost ales un tunel pentru a evita achiziționarea de terenuri scumpe la suprafață, care ar avea un impact asupra peisajului, și pentru a profita de protecția împotriva radiațiilor de fundal pe care le oferă scoarța terestră.

(Harta Large Hadron Collider la CERN.)

Tunelul lat de 3,8 metri, căptușit cu beton, construit între 1983 și 1988, a fost folosit anterior pentru a adăposti colliderul mare electroni-pozitroni. Tunelul traversează granița dintre Elveția și Franța în patru puncte, majoritatea în Franța. Clădirile de suprafață dețin echipamente auxiliare, cum ar fi compresoare, echipamente de ventilație, electronice de comandă și instalații frigorifice.

(Electro-magneții supraconductori sunt folosiți pentru a direcționa fasciculele către patru puncte de intersecție, unde vor avea loc interacțiunile dintre protonii accelerați. )

Tunelul de coliziune conține două fluxuri liniare de fascicul paralele adiacente (sau conducte de fascicul) care conțin fiecare un fascicul, care circulă în direcții opuse în jurul inelului. Grinzile se intersectează în patru puncte în jurul inelului, care este locul în care au loc coliziunile de particule. Aproximativ 1.232 magneți dipolari păstrează fasciculele pe traseul lor circular, în timp ce alți 392 magneți quadrupolari sunt folosiți pentru a menține focalizarea fasciculelor, cu magneți quadrupolari mai puternici aproape de punctele de intersecție pentru a maximiza șansele de interacțiune în care cele două fluxuri se încrucișează. Magneții cu ordine multipolare superioare sunt folosiți pentru a corecta imperfecțiuni mai mici în geometria câmpului. În total, sunt instalați aproximativ 10.000 de magneți supraconductori, magneții dipoli având o masă de peste 27 de tone. Aproximativ 96 de tone de heliu-4 superfluid sunt necesare pentru a menține magneții, realizați din niobiu-titan îmbrăcat în cupru, la temperatura lor de funcționare de -271,25 °C, ceea ce face ca LHC să fie cea mai mare instalație criogenică din lume cu lichide temperatura heliului. LHC folosește 470 de tone de supraconductor Nb-Ti.

În timpul operațiunilor LHC, site-ul CERN consumă aproximativ 200 MW de energie electrică din rețeaua electrică franceză, care, pentru comparație, reprezintă aproximativ o treime din consumul de energie al orașului Geneva; acceleratorul și detectoarele LHC consumă aproximativ 120 MW din acesta. Fiecare zi de funcționare generează 140 de terabytes de date.

Când funcținează la energia actuală înregistrată de 6,5 TeV per proton, o dată sau de două ori pe zi, deoarece protonii sunt accelerați de la 450 GeV la 6,5 ​​TeV, câmpul magneților dipol supraconductori este crescut de la 0,54 la 7,7 tesla (T ). Protonii au fiecare o energie de 6,5 TeV, oferind o energie totală de coliziune de 13 TeV. La această energie, protonii au un factor Lorentz de aproximativ 6.930 și se mișcă cu aproximativ 0.999999990 c, sau cu aproximativ 3.1 m/s (11 km/h) mai lent decât viteza luminii (c). Este nevoie de mai puțin de 90 de microsecunde (μs) pentru ca un proton să parcurgă 26,7 km în jurul inelului principal. Acest lucru are ca rezultat 11.245 de rotații pe secundă pentru protoni, indiferent dacă particulele sunt la energie scăzută sau mare în inelul principal, deoarece diferența de viteză între aceste energii depășește cea de-a cincea zecimală.

În loc să aibă fluxuri continue, protonii sunt grupați împreună, în până la 2.808 mănunchiuri, cu 115 miliarde de protoni în fiecare mănunchi, astfel încât interacțiunile dintre cele două fluxuri să aibă loc la intervale discrete, în principal la 25 nanosecunde (ns), asigurând o rată de coliziune a mănunchiului. de 40 MHz. A fost operat cu mai puține mănunchiuri în primii ani. Luminozitatea de proiectare a LHC este de 10³⁴ cm⁻²s⁻¹, care a fost atinsă pentru prima dată în iunie 2016. Până în 2017, s-a atins de două ori această valoare.

(Protonii LHC provin din micul rezervor roșu de hidrogen. )

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 50-MeV, care alimentează Proton Synchrotron Booster (PSB). Acolo, protonii sunt accelerați la 1,4 GeV și injectați în sincrotronul de protoni (PS), unde sunt accelerați la 26 GeV. În cele din urmă, Super Proton Synchrotron (SPS) este folosit pentru a crește energia la 450 GeV înainte de a fi în cele din urmă injectate (pe o perioadă de câteva minute) în inelul principal. Aici, mănunchiurile de protoni sunt acumulate, accelerate (pe o perioadă de 20 de minute) până la vârful lor de energie și, în cele din urmă, circulă timp de 5 până la 24 de ore, în timp ce coliziile apar la cele patru puncte de intersecție.

Programul de fizică LHC se bazează în principal pe coliziuni proton-proton. Cu toate acestea, perioadele de funcționare mai scurte, de obicei o lună pe an, coliziuni cu ioni grei sunt incluse în program. În timp ce sunt luați în considerare și ioni mai ușori, schema de bază se referă la ioni de plumb. Ionii de plumb sunt mai întâi accelerați de acceleratorul liniar LINAC 3, iar inelul ionic cu energie scăzută (LEIR) este utilizat ca unitate de stocare și răcire a ionilor. Ionii sunt apoi accelerați în continuare de PS și SPS înainte de a fi injectați în inelul LHC, unde ating o energie de 2,3 TeV pe nucleon (sau 522 TeV pe ion), mai mare decât energiile atinse de colliderul relativist de ioni grei. Scopul programului de ioni grei este de a investiga plasma quarc-gluon, care a existat în universul timpuriu.

Detectoare

S-au construit șapte detectoare la LHC, situate sub pământ în caverne mari excavate la punctele de intersecție ale LHC. Două dintre ele, experimentul ATLAS și Compact Muon Solenoid (CMS), sunt detectoare mari de particule de uz general. ALICE și LHCb au roluri mai specifice, iar ultimele trei, TOTEM, MoEDAL și LHCf, sunt mult mai mici și sunt destinate cercetărilor foarte specializate. Experimentele ATLAS și CMS au descoperit bosonul Higgs, o dovadă puternică a faptului că modelul standard are mecanismul corect de a da masă particulelor elementare.

(O vedere a detectorului CMS, un efort experimental al LHC la CERN. )

Rezumatul BBC al principalilor detectori este:

• Detector – Descriere
• ATLAS – Unul dintre cei doi detectoare de uz general. ATLAS studiază bosonul Higgs și caută semne ale unei noi fizici, inclusiv originile masei și dimensiunile suplimentare.
• CMS – Celălalt detector de uz general, precum ATLAS, studiază bosonul Higgs și caută indicii despre fizică nouă.
• ALICE – ALICE studiază o formă „fluidă” de materie numită plasmă quark-gluon, care a existat la scurt timp după Big Bang.
• LHCb – LHCb investighează ce s-a întâmplat cu antimateria „lipsă” din momentul în care au fost create cantități egale de materie și antimaterie în Big Bang.

Facilități de calcul și analiză

Datele produse de LHC, precum și simularile legate de LHC, au fost estimate la aproximativ 15 petabytes pe an (debitul maxim în timpul rulării nu este precizat) – o provocare majoră în sine în acel moment.

Grila de calcul LHC a fost construită ca parte a designului LHC, pentru a gestiona cantitățile masive de date așteptate pentru coliziunile sale. Este un proiect de colaborare internațional care constă dintr-o infrastructură de rețea de calculatoare bazată pe rețea care conectează inițial 140 de centre de calcul în 35 de țări (peste 170 în 36 de țări începând cu 2012). A fost proiectat de CERN pentru a gestiona volumul semnificativ de date produse de experimentele LHC, încorporând atât legături private prin cablu de fibră optică, cât și porțiuni existente de internet de mare viteză pentru a permite transferul de date de la CERN către instituțiile academice din întreaga lume. Open Science Grid este utilizat ca infrastructură primară în Statele Unite și, de asemenea, ca parte a unei federații interoperabile cu LHC Computing Grid.

Proiectul de calcul distribuit LHC@home a fost început pentru a sprijini construcția și calibrarea LHC. Proiectul folosește platforma BOINC, permițând oricui are o conexiune la internet și un computer care rulează Mac OS X, Windows sau Linux să folosească timpul inactiv al computerului pentru a simula modul în care particulele vor călători în conductele fasciculului. Cu aceste informații, oamenii de știință sunt capabili să determine modul în care magneții ar trebui calibrați pentru a obține cea mai stabilă „orbită” a fasciculelor din inel. În august 2011, a fost lansată o a doua aplicație (Test4Theory) care efectuează din nou simulări.

Până în 2012, au fost analizate date de la peste 6 cvadrilioane (6 x 10¹⁵) coliziuni proton-proton LHC, datele de coliziune LHC au fost produse la aproximativ 25 de petabiți pe an, iar LHC Computing Grid a devenit cea mai mare rețea de calcul din lume în 2012, cuprinzând peste 170 de facilități de calcul într-o rețea mondială în 36 de țări.