Ο LHC: μια ματιά μέσα του Understand article

Μεταφράστηκε από τον Βαγγέλη Κολτσάκη (Vangelis Koltsakis). Στο δεύτερο από τα δυο άρθρα του, Rolf Landua από το Κέντρο Πυρηνικών Μελετών και Ερευνών (CERN) μας οδηγεί βαθιά κάτω…

Ο επιταχυντής

Καθώς κατασκευαζόταν ο LHC,
οι τεχνικοί χρησιμοποίησαν
διάφορα μέσα συγκοινωνίας για
να κινηθούν μέσα στη σήραγγα
των 27 km. Δίπλα στον τεχνικό,
φαίνονται δύο μαγνήτες του
LHC, οι οποίοι δεν έχουν ακόμη
συνδεθεί μεταξύ τους. Οι μπλε
κύλινδροι περιέχουν το μαγνητικό
ζυγό και το πηνίο των διπόλων
μαγνητών, μαζί με το σύστημα
υγρού ηλίου που απαιτείται για
να ψύχει το μαγνήτη έτσι ώστε
αυτός να είναι υπεραγώγιμος

Η εικόνα διατέθηκε από το CERN

Ο LHC w1 του CERN είναι ένα γιγαντιαίο επιστημονικό όργανο, στα ελβετογαλλικά σύνορα, κοντά στη Γενεύη της Ελβετίας. Είναι ο μεγαλύτερος και ισχυρότερος επιταχυντής σωματιδίων στον κόσμο και χρησιμοποιείται από σχεδόν 10.000 φυσικούς, από περισσότερες από 80 χώρες, για την αναζήτηση των σωματιδίων που θα διευκρινίσουν τη σειρά των γεγονότων που διαμόρφωσαν το Σύμπαν μόλις ένα κλάσμα του δευτερολέπτου αμέσως μετά από τη Μεγάλη Έκρηξη (Big Bang). Θα μπορούσε να επιλύσει γρίφους σχετικούς με τις ιδιότητες των μικρότερων σωματιδίων ως και με αυτές των πιο μεγάλων δομών στην απεραντοσύνη του Σύμπαντος.

Ο σχεδιασμός και η κατασκευή του LHC διάρκεσαν περίπου 20 έτη, με συνολικό κόστος 3,6 δισεκατομμυρίων €. Ο LHC στεγάζεται σε μια σήραγγα μήκους 27 km και πλάτους 3,8 m, περίπου 100 m κάτω από την επιφάνεια του εδάφους. Σε αυτό το βάθος, υπάρχει ένα γεωλογικά σταθερό στρώμα και, αυτό το βάθος δεν επιτρέπει να διαφύγει οποιαδήποτε ακτινοβολία. Έως το 2000, στη σήραγγα βρισκόταν ο επιταχυντής Large Electron-Positron (LEP), ο οποίος κατασκευάστηκε το 1989. Σε αυτόν τον παλιότερο επιταχυντή συγκρούονταν ηλεκτρόνια με τα αντισωματίδιά τους, τα ποζιτρόνια (για μια εξήγηση της αντιύλης δείτε Landua & Rau, 2008), για να μελετηθούν με μεγάλη ακρίβεια οι ιδιότητες και οι αλληλεπιδράσεις των σωματιδίων που παράγονταν.

Υπάρχουν οκτώ ανελκυστήρες που οδηγούν κάτω στη σήραγγα και αν και η κάθοδος έχει μόνο μια στάση, διαρκεί ένα ολόκληρο λεπτό. Για να κινηθούν μεταξύ των οκτώ σημείων πρόσβασης, οι εργαζόμενοι στη συντήρηση και ασφάλεια χρησιμοποιούν ποδήλατα για να κινηθούν μέσα στη σήραγγα, διανύοντας -μερικές φορές- αρκετά χιλιόμετρα. Ο χειρισμός του LHC γίνεται αυτόματα από ένα κεντρικό κέντρο ελέγχου και έτσι, μόλις αρχίσουν τα πειράματα, οι μηχανικοί και οι τεχνικοί θα πρέπει να έχουν πρόσβαση στη σήραγγα μόνο για διαδικασίες συντήρησης.

Το πραγματικό πείραμα είναι μια μάλλον απλή διαδικασία: στον LHC θα συγκρουστούν δύο αδρόνια -είτε πρωτόνια είτε πυρήνες μολύβδου- με ταχύτητες κοντά στην ταχύτητα του φωτός. Τα πολύ υψηλά επίπεδα ενέργειας που μπορούν να επιτευχθούν, θα επιτρέψουν τη μετατροπή της κινητικής ενέργειας των συγκρουόμενων σωματιδίων σε ύλη, σύμφωνα με το νόμο E=mc2, του Einstein, και όλα τα σωματίδια που θα δημιουργηθούν κατά τη σύγκρουση θα ανιχνευθούν και θα μετρηθούν. Αυτό το πείραμα θα επαναλαμβάνεται μέχρι 600 εκατομμύριο φορές ανά δευτερόλεπτο, για πολλά έτη. Στον LHC θα πραγματοποιηθούν κυρίως συγκρούσεις πρωτονίου-πρωτονίου, οι οποίες θα μελετηθούν από τους τρεις από τέσσερις ανιχνευτές του (ATLAS, CMS, και LHCb). Εντούτοις, για αρκετές εβδομάδες το χρόνο, αντί για πρωτόνια θα επιταχύνονται και θα συγκρούονται βαριά ιόντα (πυρήνες μολύβδου), για να μελετηθούν κυρίως από τον –φτιαγμένο για το σκοπό αυτό- ανιχνευτή ALICE.

Η αρχή λειτουργίας ενός
επιταχυντή σωματιδίων με τα
τρία κύρια μέρη του: οι σωλήνες
δεσμών, οι δομές επιτάχυνσης
και οι μαγνήτες κάμψης

Η εικόνα προσφέρθηκε από το
DESY (Deutsches Elektronen
Synchrotron, “German Electron
Synchrotron”)

Όπως και κάθε άλλος επιταχυντής σωματιδίων, ο LHC αποτελείται από τρία κύρια μέρη: τους σωλήνες των δεσμών, τις δομές επιτάχυνσης και το σύστημα μαγνητών (δείτε το διάγραμμα). Μέσα στους δύο σωλήνες δεσμών, καθένας διαμέτρου 6,3 cm, δέσμες πρωτονίων (ή βαριών ιόντων) ταξιδεύουν σε αντίθετες κατευθύνσεις (μια κατεύθυνση σε κάθε σωλήνα) σε ένα υπερυψηλό κενό 10-13 bar, συγκρίσιμο με την πυκνότητα της ύλης στο μακρινό διάστημα. Αυτή η χαμηλή πίεση είναι απαραίτητη για να ελαχιστοποιήσει τις συγκρούσεις με τα εναπομείναντα σωματίδια αερίων και τις επακόλουθες απώλειες των επιταχυνόμενων σωματιδίων.

Τα πρωτόνια παρέχονται από μια φιάλη αερίου υδρογόνου. Κάθε άτομο υδρογόνου αποτελείται από ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο. Οι επιστήμονες αφαιρούν τα ηλεκτρόνια χρησιμοποιώντας μια ηλεκτρική εκφόρτιση, μετά από την οποία τα πρωτόνια οδηγούνται προς τον επιταχυντή με τη βοήθεια ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων. Για τη δέσμη του LHC, απαιτούνται 300 τρισεκατομμύρια πρωτόνια, αλλά καθώς σε ένα (μόνο) κυβικό εκατοστόμετρο αερίου υδρογόνου σε θερμοκρασία δωματίου περιέχονται περίπου 60 εκατομμύρια τρισεκατομμύρια πρωτόνια, ο LHC μπορεί να ξαναγεμιστεί 200.000 φορές μόνο με ένα κυβικό εκατοστόμετρο του αερίου – και χρειάζεται να ξαναγεμίσει μόνο δύο φορές την ημέρα!

Το δεύτερο μέρος ενός επιταχυντή αποτελείται από τις δομές επιτάχυνσης. Προτού εισαχθούν τα πρωτόνια (ή τα βαριά ιόντα) στους δύο σωλήνες δεσμών του LHC, επιταχύνονται σε μικρότερους επιταχυντές (οι οποίοι συνδέονται με τον LHC) ως περίπου το 6% της τελικής ενέργειάς τους. Μέσα στον LHC, τα σωματίδια αποκτούν την τελική ενέργειά τους από οκτώ δομές επιτάχυνσης (κοιλότητες επιταχυντών).

Κάθε φορά που τα σωματίδια περνούν μέσα από αυτές τις κοιλότητες, επιταχύνονται από ένα ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο έντασης περίπου 5 MV/m. Η λειτουργία των επιταχυντών είναι συγκρίσιμη με τα κύματα στη θάλασσα (δείτε το διάγραμμα): μια ομάδα πρωτονίων, περίπου 100 δισεκατομμύρια από αυτά -οι surfers- ταξιδεύει μαζί με ένα τεράστιο ηλεκτρομαγνητικό κύμα κερδίζοντας κινητική ενέργεια. Κάθε κύμα επιταχύνει μια ομάδα πρωτονίων, και κάθε μια από τις δύο δέσμες αποτελείται από 2.800 διακριτές ομάδες, μια κάθε επτά μέτρα. Μετά από 20 λεπτά, αποκτούν την τελική ενέργειά τους, έχοντας κάνει 11.245 φορές το γύρο του LHC ανά δευτερόλεπτο. Σε αυτά τα 20 λεπτά, τα πρωτόνια διανύουν μια απόσταση μεγαλύτερη από όση να πάνε από τη Γη στον Ήλιο και να επιστρέψουν.

Η υπεραγώγιμη κοιλότητα επιτάχυνσης ενεργεί όπως ο κυματισμός της θάλασσας
Η εικόνα διατέθηκε από το CERN

Μπαίνουν στον LHC με ταχύτητα ίση με το 99.9997828 % της ταχύτητας του φωτός. Μετά από την επιτάχυνσή τους, η ταχύτητά τους φθάνει το 99.9999991 % της ταχύτητας του φωτός. Αυτή είναι περίπου η μέγιστη δυνατή ταχύτητα που μπορεί να επιτευχθεί, δεδομένου ότι τίποτα δεν μπορεί να κινηθεί γρηγορότερα από το φως, σύμφωνα με τη θεωρία της σχετικότητας. Αν και φαίνεται σα μια πολύ μικρή αύξηση στην ταχύτητα, για ταχύτητες κοντά στην ταχύτητα του φωτός, ακόμη και μια μικρή επιτάχυνση οδηγεί σε μια πολύ μεγάλη αύξηση της μάζας, κάτι που είναι το σημαντικό μέρος. Ένα ακίνητο πρωτόνιο έχει μάζα 0.938 GeV (εκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτς). Οι επιταχυντές τα φέρνουν σε μια τελική μάζα (ή ενέργεια, που σε αυτήν την περίπτωση είναι ουσιαστικά το ίδιο πράγμα) 7000 δισεκατομμυρίων ηλεκτρονιοβόλτς (7 tera-eV ή 7 TeV). Εάν θα μπορούσατε – υποθετικά – να επιταχύνετε έναν άνθρωπο 100 κιλών στον LHC, η μάζα του/της θα κατέληγε να είναι 700 τόνων.

Αυτή η (φτιαγμένη με υπολογιστή)
εικόνα ενός διπολικού μαγνήτη του
LHC παρουσιάζει μερικά από τα
μέρη βασικής σημασίας για τη
λειτουργία αυτών των δομών.
Οι μαγνήτες πρέπει να ψυχθούν
σε θερμοκρασία 1,9 Κ, έτσι ώστε
οι υπεραγώγιμες σπείρες να
μπορούν να παραγάγουν το
απαραίτητο μαγνητικό πεδίο
των 8 Τ. Κάντε κλικ για μεγέθυνση

Η εικόνα διατέθηκε από το CERN

Χωρίς εξωτερικές δυνάμεις, τα πρωτόνια θα κινούνταν σε μια ευθεία γραμμή. Για να τους δώσουμε μια κυκλική τροχιά, οι σωλήνες περιβάλλονται από ένα μεγάλο σύστημα μαγνητών που εκτρέπει την πορεία των πρωτονίων – αυτοί οι μαγνήτες είναι το τρίτο μέρος κάθε επιταχυντή σωματιδίων. Όσο μεγαλύτερη γίνεται η μάζα ενός σωματιδίου, τόσο ισχυρότεροι πρέπει να είναι οι μαγνήτες για να το κρατήσουν στην επιθυμητή καμπύλη τροχιά. Σε αυτό το σημείο υπάρχουν περιορισμοί στους επιταχυντές σωματιδίων, δεδομένου ότι σε μια ορισμένη μαγνητική ενέργεια, το υλικό των μαγνητικών σπειρών δεν μπορεί πλέον να αντισταθεί στις δυνάμεις του δικού τους μαγνητικού πεδίου. Οι μαγνήτες που χρησιμοποιούνται στον LHC έχουν ειδικό σχεδιασμό: το κύριο μέρος του συστήματος των μαγνητών αποτελείται από 1.232 διπολικούς μαγνήτες, κάθε ένας μήκους περίπου 16 m και βάρους 35 τόνων, το οποίο δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο μέγιστης έντασης 8,33 T (tesla) – 150.000 φορές ισχυρότερο από το γήινο μαγνητικό πεδίο.

Οι μαγνήτες έχουν έναν ειδικό δύο-σε-ένα σχεδιασμό: περιέχουν δύο μαγνητικά πηνία στο εσωτερικό τους, που το καθένα τους περιβάλει τους δυο σωλήνες δεσμών. Τα πηνία διαρρέονται από ηλεκτρικό ρεύμα για να δημιουργηθούν δυο μαγνητικά πεδία, με κατεύθυνση προς τα κάτω στον έναν σωλήνα και προς τα πάνω στον άλλο. Έτσι καθίσταται δυνατό δύο σωματίδια (πρωτόνια ή πυρήνες μολύβδου) του ίδιου φορτίου να μπορούν να ακολουθήσουν την ίδια διαδρομή με αντίθετες κατευθύνσεις – μια σε κάθε έναν από τους δυο σωλήνες δεσμών.

Εκτός από τους διπολικούς μαγνήτες, υπάρχουν και οι τετραπολικοί μαγνήτες (με τέσσερις μαγνητικούς πόλους) για την εστίαση των δεσμών, καθώς και χιλιάδες επιπρόσθετοι εξαπολικοί και οκταπολικοί μαγνήτες (με έξι ή οκτώ μαγνητικούς πόλους ο καθένας αντίστοιχα) για τη ρύθμιση του εύρους και της θέσης της δέσμης.

Όλα τα μαγνητικά πηνία και οι κοιλότητες των επιταχυντών έχουν κατασκευαστεί από ειδικά υλικά (νιόβιο και τιτάνιο), τα οποία γίνονται υπεραγώγιμα σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, έτσι ώστε από το ηλεκτρικό ρεύμα να παράγονται ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία χωρίς αντίσταση. Για να φτάσουν τη βέλτιστη απόδοσή τους, οι μαγνήτες πρέπει να ψυχθούν στους -271,3°C (1.9K) -μια θερμοκρασία χαμηλότερη και από αυτή του διαστήματος. Για να ψύχονται οι μαγνήτες, ένα μεγάλο μέρος του επιταχυντή είναι συνδεμένο με ένα σύστημα κυκλοφορίας υγρού αζώτου και ηλίου (δείτε το ένθετο). Μόλις το ένα όγδοο του συστήματος κατανομής ψύξης του LHC θα μπορούσε να αποτελεί το μεγαλύτερο ψυγείο στον κόσμο.

Κατά μήκος του δακτυλίου υπάρχουν τέσσερα σημεία στα οποία η σειρά των μαγνητών διακόπτεται: στα σημεία αυτά υπάρχουν οι τέσσερις τεράστιες κοιλότητες για τα πειράματα LHC και τους ανιχνευτές τους. Εδώ, οι τροχιές των εσωτερικών και εξωτερικών δεσμών διασταυρώνονται μεταξύ τους και ανταλλάσουν τις θέσεις στους ειδικούς (σχήματος-Χ) διαμορφωμένους σωλήνες δεσμών. Και στους τέσσερις αυτούς σωλήνες, οι δέσμες σχηματίζουν μεταξύ τους γωνία 1,5 μοίρας, έτσι που οι δέσμες να συγκρούονται μεταξύ τους.

Τα πειράματα LHC. Κάντε
κλικ για μεγέθυνση

Η εικόνα διατέθηκε από
την Nicola Graf

Οι τεράστιοι ανιχνευτές – που περιγράφονται παρακάτω – περιβάλλουν τα σημεία σύγκρουσης. Για να αυξηθεί η πιθανότητα να συγκρουστούν τα σωματίδια, οι δέσμες των σωματιδίων συμπυκνώνονται από ειδικούς πρόσθετους μαγνήτες που βρίσκονται ακριβώς πριν από κάθε θάλαμο σύγκρουσης, σε μια διάμετρο 16 µm –μικρότερη και από αυτή μιας ανθρώπινης τρίχας – και σε μήκος 80 mm. Οι δέσμες είναι τόσο μικροσκοπικές που ο στόχος του να συγκρουστούν μοιάζει σα να εκτοξεύουμε δυο βελόνες από απόσταση 10 km μεταξύ τους με τέτοια ακρίβεια ώστε αυτές να συναντηθούν στο μέσο της διαδρομής τους! Όμως, η τεχνολογία του LHC καταφέρνει αυτόν τον περίπλοκο στόχο. Όμως, ακόμη και σε αυτές τις εστιασμένες δέσμες των σωματιδίων, η πυκνότητα είναι ακόμα πολύ μικρή -100 εκατομμύριο φορές μικρότερη από την πυκνότητα του νερού, έτσι που τα περισσότερα από τα σωματίδια περνούν μέσα από την άλλη δέσμη των σωματιδίων χωρίς να συγκρουστούν, ούτε καν να επιβραδυνθούν. Κατά συνέπεια, αν και υπάρχουν 100 δισεκατομμύριο πρωτόνια σε κάθε δέσμη, όταν δύο δέσμες συγκρούονται, επιτυγχάνονται μόνο περίπου 20 συγκρούσεις σωματιδίων. Δεδομένου ότι οι συγκρούσεις μεταξύ δύο δεσμών συμβαίνουν 31 εκατομμύρια φορές σε κάθε δευτερόλεπτο (2.800 δέσμες x 11.245 στροφές στο δακτύλιο του LHC ανά δευτερόλεπτο), έχουμε περίπου 600 εκατομμύρια συγκρούσεις πρωτονίων ανά δευτερόλεπτο όταν λειτουργεί ο LHC στη μέγιστη ένταση.

Κάθε πακέτο πρωτονίων που ταξιδεύουν με πλήρη ταχύτητα έχει την ίδια κινητική ενέργεια με έναν ελέφαντα ένας τόνου που τρέχει με 50 km/h, και όλη η ενέργεια που περιέχεται στη δέσμη είναι ίση με 315 megajoules (MJ), αρκετή για να λειώσει σχεδόν 500 kg χαλκού. Επομένως, ιδιαίτερες προσπάθειες έχουν γίνει για την ασφάλεια στον LHC. Εάν γίνει ασταθής η δέσμη, αυτό θα ανιχνευθεί αμέσως από τους αισθητήρες δεσμών, και μέσα στις επόμενους τρεις γύρους γύρω από τον δακτύλιο (δηλ. σε λιγότερο από ένα χιλιοστό ενός δευτερολέπτου) η δέσμη θα εκτραπεί σε ένα είδος εξόδου κινδύνου, όπου απορροφάται από πλάκες γραφίτη και σκυρόδεμα πριν να μπορέσει να προκαλέσει περαιτέρω ζημιά (δείτε την εικόνα και το διάγραμμα στα αριστερά).

Τα πειράματα

Στον LHC θα συγκρούονται δύο πρωτόνια με μια συνολική κινητική ενέργεια 7 + 7 = 14 TeV (ή δύο ιόντα μολύβδου με μια συνολική ενέργεια 1.140 TeV), ώστε να ανιχνευθούν και να μετρηθούν τα νέα σωματίδια που παράγονται όταν μετατρέπεται η κινητική ενέργεια σε ύλη.

Σύμφωνα με τη κβαντομηχανική, από αυτές τις συγκρούσεις θα παραχθούν όλα τα σωματίδια του καθιερωμένου πρότυπου (όπως περιγράφεται στο Landua & Rau, 2008) με συγκεκριμένες πιθανότητες. Όμως, η πιθανότητα να παραχθούν τα βαριά σωματίδια που αναζητούν οι επιστήμονες, είναι πολύ μικρή. Λίγες από τις συγκρούσεις θα είναι τόσο ισχυρές ώστε να παραχθούν νέα, βαριά σωματίδια. Η θεωρία προβλέπει ότι τα μποζόνια Higgs (για να μάθετε περισσότερα σχετικά με το μποζόνιο Higgs, δείτε στο Landua & Rau, 2008) ή άλλα, εντελώς νέα φαινόμενα, που αναζητούνται, θα παράγονται πολύ σπάνια (τυπικά σε μια από κάθε 1012 collisions), συγκρούσεις). Έτσι, είναι απαραίτητο να μελετούνται πολλές συγκρούσεις για να βρεθεί «η βελόνα στα άχυρα». Για αυτό ο LHC θα λειτουργεί για πολλά χρόνια, 24 ώρες την ημέρα.

Τα γεγονότα (ένα γεγονός είναι μια σύγκρουση με όλα τα προκύπτοντα σωματίδια) μελετώνται χρησιμοποιώντας γιγαντιαίους ανιχνευτές που είναι σε θέση να αναδημιουργήσουν το τι συνέβη κατά τη διάρκεια των συγκρούσεων – και να συμβαδίζουν με τους τεράστιους ρυθμούς των συγκρούσεων. Οι ανιχνευτές μπορούν να συγκριθούν με τις τεράστιες τρισδιάστατες ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές που μπορούν να πάρουν μέχρι 40 εκατομμύριο στιγμιότυπα (με ψηφιοποιημένες πληροφορίες από δεκάδες εκατομμύρια αισθητήρες) ανά δευτερόλεπτο. Οι ανιχνευτές χτίζονται κατά στρώματα και κάθε στρώμα έχει μια διαφορετική λειτουργία (δείτε το διάγραμμα Τα εσωτερικά είναι λιγότερο πυκνά, ενώ τα εξωτερικά είναι πυκνότερα και συμπαγέστερα.

Τα βαριά σωματίδια που οι επιστήμονες ελπίζουν να παραχθούν στις συγκρούσεις στον LHC αναμένεται να είναι πολύ βραχύβια και να διασπώνται γρήγορα σε ελαφρύτερα και γνωστά σωματίδια. Μετά από μια τέτοια σύγκρουση, εκατοντάδες από αυτά τα ελαφρύτερα σωματίδια, όπως ηλεκτρόνια, μιόνια, φωτόνια αλλά και πρωτόνια, νετρόνια και άλλα, κινούνται μέσα στον ανιχνευτή με ταχύτητες κοντά στην ταχύτητα του φωτός. Οι ανιχνευτές χρησιμοποιούν αυτά τα ελαφρύτερα σωματίδια για να επιβεβαιώσουν τη σύντομη ύπαρξη των νέων βαριών σωματιδίων.

Μια (φτιαγμένη με υπολογιστή)
εικόνα του ανιχνευτή ATLAS,
που παρουσιάζει τα διαφορετικά
στρώματα και το πέρασμα των
διαφόρων τύπων σωματιδίων
μέσα από τα στρώματα. Κάντε
κλικ για μεγέθυνση

Η εικόνα διατέθηκε από το CERN

Οι τροχιές του κάθε φορτισμένου σωματιδίου καμπυλώνονται από μαγνητικά πεδία, και η ακτίνα καμπυλότητας χρησιμοποιείται για να υπολογιστεί η ορμή τους: όσο μεγαλύτερη είναι η κινητική ενέργεια, τόσο πιο μικρή είναι η καμπυλότητα. Έτσι, για τα σωματίδια με μεγάλη κινητική ενέργεια, πρέπει να μετρηθούν μεγάλου μήκους τροχιές προκειμένου να καθοριστεί ακριβώς η ακτίνα καμπυλότητας. Άλλα σημαντικά μέρη ενός ανιχνευτή είναι οι θερμιδομετρητές (καλορίμετρα) για τη μέτρηση της ενέργειας των σωματιδίων (φορτισμένων και μη). Οι θερμιδομετρητές πρέπει επίσης να είναι αρκετά μεγάλοι ώστε να απορροφούν όσο το δυνατόν περισσότερη από την ενέργεια των σωματιδίων. Αυτοί είναι οι δύο βασικοί λόγοι που οι ανιχνευτές στον LHC είναι τόσο μεγάλοι.

Οι ανιχνευτές έχουν κατασκευαστεί έτσι που να κλείνουν ερμητικά τις περιοχές στις οποίες πραγματοποιούνται οι συγκρούσεις, έτσι ώστε να μπορεί να καταγραφεί λεπτομερώς η διατήρηση της ενέργειας και της ορμής σε κάθε γεγονός (σύγκρουση) και να μπορεί να αναπαραχθεί λεπτομερώς το κάθε γεγονός. Συνδυάζοντας τις πληροφορίες από τα διαφορετικά στρώματα του ανιχνευτή, είναι δυνατό να καθοριστεί ο τύπος σωματιδίου που έχει αφήσει το κάθε ίχνος.

Φορτισμένα σωματίδια – ηλεκτρόνια, πρωτόνια και μιόνια – αφήνουν ίχνη μέσω του ιονισμού. Τα ηλεκτρόνια είναι πολύ ελαφριά και επομένως χάνουν την ενέργειά τους γρήγορα, ενώ τα πρωτόνια διαπερνούν περισσότερα στρώματα του ανιχνευτή. Τα φωτόνια δεν αφήνουν κανένα ίχνος, αλλά μέσα στους θερμιδομετρητές, κάθε φωτόνιο μετατρέπεται σε ένα ηλεκτρόνιο και ένα ποζιτρόνιο, οι ενέργειες των οποίων μετριούνται στη συνέχεια. Η ενέργεια των νετρονίων μετριέται έμμεσα: τα νετρόνια μεταφέρουν την ενέργειά τους στα πρωτόνια, και αυτά τα πρωτόνια ανιχνεύονται στη συνέχεια. Τα μιόνια είναι τα μόνα σωματίδια που φθάνουν (και ανιχνεύονται) στα πιο ακραία στρώματα του ανιχνευτή (δείτε το διάγραμμα παρακάτω).

Κάθε υποσύστημα ενός ανιχνευτή συνδέεται με ένα ηλεκτρονικό σύστημα ανάγνωσης, μέσω χιλιάδων καλωδίων. Μόλις καταχωρείται ένας παλμός, το σύστημα καταγράφει τον ακριβή τόπο και χρόνο και στέλνει τις πληροφορίες σε έναν υπολογιστή. Μερικές εκατοντάδες υπολογιστές συνεργάζονται για να συνδυάσουν τις πληροφορίες. Στην κορυφή της ιεραρχίας των υπολογιστών είναι ένα πολύ γρήγορο σύστημα που αποφασίζει – σε κλάσμα του δευτερόλεπτου – το εάν ένα γεγονός είναι ενδιαφέρον ή όχι. Υπάρχουν πολλά διαφορετικά κριτήρια για να επιλεχθούν τα ενδεχομένως σημαντικά γεγονότα, έτσι που η τεράστια ποσότητα δεδομένων που προέρχονται από 600 εκατομμύρια γεγονότων μειώνεται σε μερικές εκατοντάδες γεγονότα ανά δευτερόλεπτο, τα οποία πλέον ερευνώνται λεπτομερώς.

Οι ανιχνευτές LHC σχεδιάστηκαν, κατασκευάστηκαν και επιβλέπονται από διεθνείς συνεργασίες, φέρνοντας κοντά επιστήμονες από ιδρύματα από όλον τον κόσμο. Συνολικά, υπάρχουν τέσσερεις μεγάλα (ATLAS, CMS, LHCb και ALICE) και δύο μικρά (ΤΟΤΈΜ, LHCf) πειράματα στον LHC. Λαμβάνοντας υπόψη ότι ο σχεδιασμός και η κατασκευή των ανιχνευτών διάρκεσε 20 έτη και ότι αυτοί προορίζονται να λειτουργήσουν για περισσότερο από 10 έτη, η συνολική διάρκεια των πειραμάτων είναι σχεδόν ίση με τη διάρκεια ολόκληρης της σταδιοδρομίας ενός φυσικού.

Η κατασκευή αυτών των ανιχνευτών είναι το αποτέλεσμα αυτού που θα μπορούσε να ονομάζεται «νοημοσύνη ομάδας»: ενώ οι επιστήμονες που εργάζονται σε έναν ανιχνευτή καταλαβαίνουν τη λειτουργία του γενικά, κανένας επιστήμονας δεν είναι εξοικειωμένος με τις λεπτομέρειες και την ακριβή λειτουργία κάθε υποσυστήματος του ανιχνευτή. Σε μια τέτοια συνεργασία, κάθε επιστήμονας συμβάλλει με την πείρα του/της στη γενική επιτυχία.

ATLAS και CMS

Ο ανιχνευτής ATLAS θα είναι ο
μεγαλύτερος του τύπου του στον
κόσμο όταν θα ολοκληρωθεί η
κατασκευή του – οι άνθρωποι
στο διάγραμμα είναι για την
κλίμακα. Κάντε κλικ για να
μεγεθυνθεί η εικόνα

Η εικόνα διατέθηκε από το CERN

Τα δύο μεγαλύτερα πειράματα, ATLASw2 (A Toroidal LHC ApparatuS) και CMSw3 (Compact Muon Solenoid), είναι ανιχνευτές γενικής χρήσης, βελτιστοποιημένοι για την αναζήτηση των νέων σωματιδίων. Ο ATLAS και ο CMS βρίσκονται σε αντιδιαμετρικές θέσεις στο δακτύλιο του LHC, απέχοντας μεταξύ τους 9 χλμ (δείτε το διάγραμμα των πειραμάτων). Η ύπαρξη δύο ανεξάρτητα σχεδιασμένων ανιχνευτών είναι βασικής σημασίας για τη διασταύρωση των όποιων νέων ανακαλύψεων. Για καθέναν από τον ATLAS και τον CMS συνεργάζονται περισσότεροι από 2.000 φυσικοί από 35 χώρες.

Ο ανιχνευτής ATLAS έχει κυλινδρικό σχήμα, διαμέτρου 25 m και μήκους 45 m, έχοντας σχεδόν το μισό μέγεθος του καθεδρικού ναού Νοτρ Νταμ στο Παρίσι και ζυγίζοντας όσο και ο πύργος του Άιφελ (7.000 τόνοι). Το μαγνητικό του πεδίο παράγεται από ένα σωληνοειδές στο εσωτερικό του μέρος και από ένα τεράστιο τοροειδή μαγνήτη στο εξωτερικό του, ο οποίος έχει σχήμα ντόνατ (δείτε το διάγραμμα στα δεξιά).

Ο ανιχνευτής CMS έχει επίσης κυλινδρικό σχήμα (διαμέτρου 15 m και μήκους 21 m) και έχει «χτιστεί» γύρω από έναν υπεραγώγιμο σωληνοειδή μαγνήτη που παράγει ένα πεδίο έντασης 4 Τ, ο οποίος περιορίζεται από έναν χαλύβδινο ζυγό που διαμορφώνει το βάρος του ανιχνευτή στους 12.500 τόνους. Ενώ ο ATLAS κατασκευάστηκε επί τόπου, ο CMS κατασκευάστηκε στην επιφάνεια, κατέβηκε υπόγεια σε 15 τμήματα και στη συνέχεια συναρμολογήθηκε.

LHCb

Το πείραμα LHCbw4 θα μας βοηθήσει να καταλάβουμε γιατί ζούμε σε ένα σύμπαν που φαίνεται να αποτελείται σχεδόν εξ ολοκλήρου από ύλη, αλλά όχι από αντιύλη. Εξειδικεύεται στη διερεύνηση των μικρών διαφορών μεταξύ ύλης και αντιύλης, μελετώντας ένα είδος σωματιδίου που ονομάζεται bottom κουάρκ, ή b κουάρκ (βλ. Landua & Rau, 2008, για μια εξήγηση της αντιύλης και των τύπων των κουάρκς). Για τον προσδιορισμό και τη μέτρηση των b κουάρκς και των αντισωματίων τους, των η αντι-b κουάρκς, ο LHCb έχει εξελιγμένους κινητούς ανιχνευτές εντοπισμού κοντά στις κυκλικές τροχιές στον LHC.

Τα επικεφαλής μέλη του προγράμματος μαγνητών LHCb. Είναι επίσης ορατές οι σπείρες του τεράστιουδιπολικού μαγνήτη του ανιχνευτή. Απρίλιος 2004
Η εικόνα διατέθηκε από το CERN

ALICE

Ολοκλήρωση του εσωτερικού
ανιχνευτή του πειράματος ALICE

Η εικόνα διατέθηκε από το CERN

Ο ALICEw5 (A Large Ion Collider Experiment) είναι ένας ανιχνευτής εξειδικευμένος στην ανάλυση των συγκρούσεων ιόντων μολύβδου. Για μερικές εβδομάδες κάθε έτος θα συγκρούονται στον LHC ιόντα μολύβδου, αντί για πρωτόνια. Σε χώρο διαστάσεων ενός ατομικού πυρήνα, θα δημιουργηθούν συνθήκες που επικρατούσαν ένα εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, όταν η θερμοκρασία του Σύμπαντος ήταν περίπου 100.000 φορές ψηλότερη από αυτές που σήμερα επικρατούν στο εσωτερικό του Ήλιου. Στις συνθήκες αυτές, μπορεί να δημιουργηθεί μια κατάσταση ύλης που ονομάζεται πλάσμα κουάρκ-γλουονίων, τα χαρακτηριστικά της οποίας ελπίζουν να μελετήσουν οι φυσικοί (για μια περαιτέρω εξήγηση του πλάσματος κουάρκ-γλουονίων, δείτε στο Landua, 2008).

Η πρόκληση των δεδομένων

Ο LHC θα παράγει σχεδόν 15 petabytes (15 εκατομμύρια gigabytes) δεδομένων ετησίως – αρκετά να γεμίσουν περισσότερα από 3 εκατομμύρια DVDs. Καθώς χιλιάδες επιστήμονες σε όλον τον κόσμο θέλουν να έχουν πρόσβαση και να αναλύσουν αυτά τα στοιχεία, το CERN συνεργάζεται με ιδρύματα σε 33 χώρες για να υπάρξει μια κατανεμημένη υποδομή υπολογισμού και αποθήκευσης στοιχείων: το πλέγμα (Grid) υπολογιστών του LHC (LHC Computing Grid , LCG).

Το LCG θα επιτρέψει τη διανομή σε όλη την υδρόγειο όλων των δεδομένων από τα πειράματα στον LHC, κρατώντας ένα αρχικό αντίγραφο (backup) στο CERN. Μετά από την αρχική επεξεργασία, τα δεδομένα θα διανέμονται σε έντεκα μεγάλα κέντρα υπολογιστών. Αυτά τα πρώτης γραμμής κέντρα θα διαθέτουν τα δεδομένα σε περισσότερα από 120 δεύτερης γραμμής κέντρα για συγκεκριμένες αναλύσεις. Ανεξάρτητοι επιστήμονες θα μπορούν έπειτα να έχουν από τη χώρα τους πρόσβαση στα δεδομένα του LHC, χρησιμοποιώντας τοπικές νησίδες υπολογιστών ή ακόμα και τους προσωπικούς τους υπολογιστές.

 

Ποιος εργάζεται στον LHC?

Η Liz Gregson από το Imperial College London, μιλά σε μερικούς εργαζόμενους στο CERN.

Katharine Leney
Η εικόνα διατέθηκε από
τον Mike Flowerdew

Katharine Leney, φυσικός του ATLAS

Η Katharine κάνει διδακτορικό στη φυσική, στην αναζήτηση του σωματιδίου Higgs, εργαζόμενη στον ανιχνευτή ATLAS. Αναπτύσσει επίσης ένα εργαλείο για να εξετάσει τις συνθήκες μέσα στον ανιχνευτή, ώστε να εξασφαλιστεί ότι τα δεδομένα που θα λαμβάνονται θα είναι χρησιμοποιήσιμα. «Είναι πραγματικά συναρπαστικό να είσαι εδώ, εργαζόμενη δίπλα σε μερικούς από τους κορυφαίους φυσικούς στον κόσμο». Εκτός από την έρευνά της, έχει γίνει πρόσφατα ξεναγός στο CERN, παρουσιάζοντας στους επισκέπτες τα πειράματα και εξηγώντας τι κάνουν οι επιστήμονες εκεί.

Dr Marco Cattaneo, συντονιστής προγράμματος

Δρ Marco Cattaneo
Η εικόνα διατέθηκε
από το CERN

Ο Marco γεννήθηκε στην Ιταλία και μετακινήθηκε στη Βρετανία σε ηλικία δέκα ετών. Σήμερα ζει στη Γαλλία, εργάζεται στην Ελβετία, και έχει ελβετο-βρετανή σύζυγο και δύο παιδιά που μπορούν να μιλήσουν άνετα τρεις γλώσσες. «Όταν με ρωτούν τι είμαι, μπορώ μόνο να απαντήσω: Ευρωπαίος!» λέει. Είναι στο CERN από το 1994. Είναι αναπληρωτής υπεύθυνος προγράμματος στο πρόγραμμα λογισμικού και υπολογιστών για το πείραμα LHCb. Η κύρια εργασία του είναι να συντονίζει την εργασία περίπου 50 φυσικών που αναπτύσσουν το λογισμικό που επιτρέπει τις αναδημιουργίες των αρχικών τροχιών των συγκρούσεων των σωματιδίων που καταγράφονται από τον ανιχνευτή. Αυτό στη συνέχεια ενσωματώνεται σε ένα ενιαίο πρόγραμμα αναδημιουργίας, έτσι ώστε οι υπόλοιποι να μπορούν να μελετήσουν τα χαρακτηριστικά των γεγονότων των συγκρούσεων.

Ο Marco απολαμβάνει το περιβάλλον εργασίας στο CERN: «Προσελκύει περίπου το 50% της παγκόσμιας κοινότητας των φυσικών σωματιδίων, που σημαίνει ότι η πλειονότητα των ανθρώπων που εργάζονται στο CERN είναι πολύ καλά καταρτισμένοι στους τομείς τους και πολύ παρακινημένοι από την εργασία τους. Δεν είναι ασυνήθιστο να είσαι δίπλα σε βραβευμένους με Νομπέλ».Αυτό το κείμενο δημοσιεύθηκε αρχικά στο Imperial College London alumni magazine, Imperial Matters.

 

Επί του πιεστηρίου: μια διαρροή ηλίου στον LHC

Το μεσημέρι της 19ης Σεπτεμβρίου 2008, εννέα ημέρες μετά από το ξεκίνημα, ένα ατύχημα συνέβη σε έναν από τους οκτώ τομείς (τομέας 3-4) του LHC. Η αιτία ήταν μια ελαττωματική υπεραγώγιμη ηλεκτρική σύνδεση ανάμεσα σε δύο από τους μαγνήτες του LHC. Όταν η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος αυξήθηκε πάνω από 9.000 Α, σε μέρος του καλωδίου αναπτύχθηκε ηλεκτρική αντίσταση που οδήγησε στη δημιουργία μεγάλου ποσού θερμότητας στο καλώδιο. Μέσα σε ένα δευτερόλεπτο, ένα ηλεκτρικό τόξο τρύπησε το περίβλημα του δοχείου του ηλίου, με αποτέλεσμα να διαφύγουν περισσότεροι από ένας τόνοι υγρού ηλίου στον κενό χώρο μόνωσης του συστήματος ψύξης. Καθώς περισσότεροι από ένας μαγνήτες μοιράζονται έναν κοινό κενό χώρο μόνωσης, η μεγάλη αύξηση που προκλήθηκε στην πίεση, προξένησε μηχανική ζημιά ως και σε 24 διπολικούς μαγνήτες, καθώς και σε 4 τετραπολικούς μαγμήντες.

Ο τομέας 3-4 έχει θερμανθεί τόσο που πρέπει να πραγματοποιηθούν επισκευές. Τουλάχιστον 29 μαγνήτες θα πρέπει να βγουν έξω, να μεταφερθούν στην επιφάνεια, να επισκευαστούν και να ελεγχθούν και στη συνέχεια να επανατοποθετηθούν και να επανασυνδεθούν. Οι σωλήνες ακτίνων επίσης θα πρέπει να καθαριστούν προσεκτικά. Ενώ αυτές οι επισκευές δεν θα διαρκούσαν περισσότερο από μερικές εβδομάδες σε έναν συμβατικό επιταχυντή σωματιδίων, η πολυπλοκότητα των υπεραγώγιμων εγκαταστάσεων του LHC απαιτεί αρκετούς μήνες εργασίας, συν περίπου έξι εβδομάδες για να ψυχθούν οι μαγνήτες σε αυτόν τον τομέα πάλι σε μια θερμοκρασία 1.9 Κ. Προβλέπεται ότι ο LHC θα επανεκκινηθεί και θα πραγματοποιηθούν οι πρώτες συγκρούσεις του το 2009.

 


References

Web References

Resources

  • Μια πιο λεπτομερής περιγραφή του καθιερωμένου πρότυπου και των πειραμάτων στον LHC υπάρχει στο (στη Γερμανική γλώσσα) βιβλίο του Rolf Landua:
  • Landua R (2008) Am Rand der Dimensionen. Frankfurt, Germany: Suhrkamp Verlag

  • Boffin H (2008) “Intelligence is of secondary importance in research”. Science in School 10: 14-19. www.scienceinschool.org/2008/issue10/tamaradavis

  • Warmbein B (2007) Κάνοντας τη σκοτεινή ύλη λίγο φωτεινότερη. Science in School 5. www.scienceinschool.org/2007/issue5/jennylist/greek
  • Ο ιστότοπος του CERN αφιερώνει μεγάλο χώρο στον LHC. Δείτε: http://public.web.cern.ch/public/en/LHC
  • Οι ιστοσελίδες του CERN προσφέρουν πλούσιο εκπαιδευτικό υλικό για τη φυσική και τους επιταχυντές σωματιδίων: http://education.web.cern.ch/education/Chapter2/Intro.html
  • Μεταξύ άλλων, στο εκπαιδευτικό υλικό στον ιστότοπο του CERN υπάρχει ένα online παιχνίδι στην Αγγλική, Γαλλική, Γερμανική και Ιταλική γλώσσα: http://microcosm.web.cern.ch/microcosm/LHCGame/LHCGame.html
  • Ο ιστότοπος του UK για τον LHC περιλαμβάνει υλικό για τον LHC, για εκπαιδευτικούς και μαθητές: www.lhc.ac.uk

Institutions

Author(s)

Ο Rolf Landua είναι ο επικεφαλής Εκπαίδευσης στο CERN, όπου εργάζεται από το 1980. Είναι Γερμανός φυσικός σωματιδίων, ο συν-ιδρυτής του Antimatter Factory στο CERN και έχει ηγηθεί του προγράμματος ATHENA το οποίο δημιούργησε εκατομμύρια ατόμων αντι-υδρογόνου το 2002. Είναι κρυφά διάσημος ως το μοντέλο για το χαρακτήρα του Leonardo Vetra, ενός φυσικού αντιύλης από το CERN, ο οποίος δολοφονείται στις πρώτες σελίδες του bestseller του Dan Brown Άγγελοι και Δαίμονες το οποίο γυρίστηκε σε ταινία στο Hollywood η οποία κυκλοφορεί από το Μάιο του 2009. Οργανώνει μαθήματα στο CERN για καθηγητές φυσικής από ολόκληρη την Ευρώπη, είναι τακτικός συνεργάτης σε συνεντεύξεις σε ραδιοφωνικές και τηλεοπτικές εκπομπές και έχει πρόσφατα γράψει ένα βιβλίο στη Γερμανική γλώσσα σχετικά με τη φυσική σωματιδίων στο CERN (Am Rand der Dimensionen, Στο όριο των διαστάσεων, βλ πηγές). Για την αφοσίωσή του στην προώθηση της διδασκαλίας των φυσικών επιστημών στα σχολεία, βραβεύτηκε το 2003 με το βραβείο επικοινωνίας της European Physical Society.


License

CC-BY-NC-ND