Large Hadron Collider (engleză 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 formă de cerc cu circumferinţa de 27 km, situat 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 la 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. După greutăţi tehnice importante a fost repus în funcţiune în noiembrie 2009.
Deşi în mass-media au fost exprimate unele temeri referitoare la siguranţa experimentului, în comunitatea ştiinţifică există un consens despre coliziunile de particule efectuate de LHC, în sensul că ele nu prezintă niciun pericol pentru om/omenire.
Proiectarea
LHC este cel mai mare accelerator de particule din lume, şi cel care atinge cele mai mari energii. Coliderul 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. El trece graniţa dintre Elveţia şi Franţa în patru puncte, o parte mai mare din el aflându-se pe teritoriul Franţei. Clădirile de la suprafaţă adăpostesc echipamente auxiliare, cum ar fi compresoare, echipamente de ventilaţie, electronica de control şi uzine de refrigerare.
Tunelul e compus două ţevi inelare adiacente separate care se intersectează în patru puncte, fiecare ţeavă conţinând o conductă de protoni. Aceştia se deplasează în tunel în direcţii contrare. Aproximativ 1.232 dipoli magnetici păstrează fluxurile pe calea lor circulară, şi 392 cuadripoli magnetici sunt utilizaţi pentru a păstra fluxurile focalizate, pentru a maximiza şansele de interacţiune între particule în cele patru puncte de intersecţie a celor două fluxuri. În total sunt instalaţi peste 1.600 magneţi supraconductori, majoritatea cântărind peste 27 tone. Pentru a păstra magneţii la temperatura lor de operare de 1,9 K sunt necesare aproximativ 96 tone de heliu lichid, făcând din LHC cea mai mare uzină criogenică la temperatura heliului lichid.
O dată sau de două ori pe zi, în timp ce protonii sunt acceleraţi de la 450 GeV până la cel mult 7 TeV, câmpurile magnetice ale dipolilor electromagnetici supraconductori sunt mărite de la 0,54 la 8,3 tesla (T). Protonii pot ajunge fiecare până la o energie de 7 TeV, energia totală de coliziune ajungând astfel până la 14 TeV (2,2 μJ). La acest nivel de energie protonii au un factor Lorentz de aproximativ 7.500 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 unghiulară putând atinge 11.000 revoluţii pe secundă. Fluxurile nu sunt continue, protonii fiind adunaţi în 2.808 grupuri sau pachete, 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, intervalul între grupurile de protoni fiind de cel puţin 75 ns.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 (timp 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 (păstraţi în această stare) timp de 10–24 ore, timp în care au loc coliziunile în cele patru puncte de intersecţie.
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
LHC dispune de şase detectoare; acestea se află sub pământ, în excavaţii din dreptul punctelor de intersecţie ale sale. Două dintre ele,Experimentul ATLAS şi Compact Muon Solenoid (CMS), sunt detectoare de particule mari şi au roluri generice. A Large Ion Collider Experiment (ALICE) şi LHCb au roluri mai specifice, iar 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:ATLAS – unul dintre cele două detectoare generice. ATLAS va fi folosit pentru a căuta semne pentru găsirea 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 – La Big Bang au fost create cantităţi egale de materie şi antimaterie. LHCb va încerca să investigheze ce s-a întâmplat cu antimateria acum dispărută.
Scop
În timpul funcţiunii, aproximativ şapte mii de oameni de ştiinţă din optzeci de ţări vor avea acces la LHC. Teoretic, coliderul va produce bosoni Higgs, ultima particulă încă 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 particule prezise de diverse extensiii ale Modelului Standard. În general fizicienii speră că LHC îi va ajuta să găsească răspunsul la următoarele întrebări:
Oare mecanismul Higgs de generare a maselor particulelor elementare din Modelul Standard este cu adevărat aplicat în natură? Dacă e aşa, câte feluri de bosoni Higgs există, şi care sunt masele lor?Electromagnetismul, forţa nucleară tare şi forţa nucleară slabă sunt oare 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?
Există în natură supersimetrie, adică au particulele din Modelul Standard câte un partener supersimetric?
Măsurările mai precise ale maselor şi ale dezagregărilor quarkurilor vor continua să mai fie reciproc consistente 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, după cum prezic diferitele modele inspirate din teoria corzilor, şi pot fi detectate?
Dintre descoperirile posibile pe care le-ar putea face LHC, doar descoperirea particulei Higgs este relativ necontroversată, dar nici aceasta nu este sigură. Stephen Hawking a spus într-un interviu acordat BBC-ului: „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.”
Colider 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. 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, imediat după Big Bang.
Decursul testelor
După punerea în funcţiune a supercoliderului, oamenii de ştiinţă de la CERN estimează că dacă Modelul Standard este corect, atunci la fiecare câteva ore va fi produs câte un boson Higgs. În acest ritm ar putea dura aproximativ trei ani până se vor aduna suficiente statistici pentru a dovedi cu certitudine existenţa bosonului 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.Primul flux de protoni a circulat prin colider în dimineaţa zilei de 10 septembrie 2008. CERN a reuşit trimiterea protonilor prin tunel în etape de câte trei kilometri. Particulele au fost trimise în sens orar în accelerator şi au efectuat primul înconjur complet la ora 10:28 ora locală. 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 coliderului. Ghidarea particulelor pe parcursul de inaugurare a durat mai puţin de o oră. 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.
S-a aşteaptat ca primele coliziuni de protoni cu energii mari să aibă loc la 6-8 săptămâni după intrarea în funcţiune a LHC la 10 septembrie 2008. În anul 2008, însă, LHC a operat la o energie redusă, de doar 10 TeV. Perioada de oprire de iarnă (spre sfârşitul lui noiembrie) a fost folosită pentru antrenarea magneţilor superconductor, astfel încât rularea din 2009 să înceapă la energia maximă proiectată de 14 TeV, ceeace însă încă nu a reuşit.
După reluarea în funcţiune în noiembrie 2009, nu după mult timp, accelerarea maximă a protonilor a atins nivelul de 1,18 TeV, un nou "record mondial".
Desigur că atingerea maximei teoretice de 2 x 7 TeV = 14 TeV şi a frecvenţei ciocnirilor de 600 MHz va avea nevoie de încă mult timp şi eforturi. Se apreciază că aceasta se va întâmpla după pauza prevăzută în anul 2012.
La 30 martie 2010 s-a anunţat reuşita primelor experimente de coliziuni a două jeturi de protoni cu energia de câte 3,5 TeV pe particulă pe sens, în total deci 7 TeV, cu o frecvenţă de ciocniri de circa 100 Hz, iar la 21 aprilie 2010 s-a publicat reuşita primei reconstrucţii a unui mezon B, tot la această energie.
Toate experimentele de până acum arată că acceleratorul şi instrumentele sale de măsură funcţionează acum extrem de precis. La LHC s-au "redescoperit" şi confirmat deja aproape toate fenomenele deja cunoscute de la alţi acceleratori, nu aşa de puternici (de ex. existenţa perechilor quark-antiquark, mezonului, pionului, kaonului, baryonilor, bozonul W şi altele).
În martie 2011 s-a relatat că folosirea LHC-ului la nivelul de 3,5 TeV pe sens va fi prelungită cu un an, până la sfârşitul lui 2012. Abia după aceea se vor face modificările necesare pentru atingerea energiei maxime prevăzute de 7 TeV pe sens. Pentru aceste modificări acceleratorul va trebui oprit din funcţionare pentru o durată de circa un an.
Propunere de upgrade
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, 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. 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.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.
Resursele de putere de calcul
Reţeaua de calculatoare LHC Computing Grid este construită pentru a manevra cantităţile masive de date produse de Large Hadron Collider. Aceasta incorporează atât legături private prin cablu de fibră optică, cât şi porţiuni de mare viteză ale Internetului public, permiţând legătura de date cu 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 populaţiei că ciocnirile de particule ar putea crea şi fenomene periculoase, cum ar fi găuri negre microscopice şi materie stranie. 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, o concluzie susţinută şi de American Physical Society, a doua organizaţie de fizicieni din lume ca număr de membri.Probleme operaţionale
Dimensiunile LHC cer o ambiţie inginerească excepţională de a rezolva problemele operaţionale unice datorate energiilor uriaşe stocate în magneţi şi în fluxurile de protoni. În timpul funcţionării, energia totală stocată în magneţii superconductori este de ordinul a 10 GJ (echivalent cu 2,4 t de TNT), iar energia totală transportată de cele două fluxuri atinge 724 MJ (aproximativ jumătate din energia descărcată printr-un fulger).Pierderea unei zecimi de milionimi din energia fluxului (1 / 107) este de ajuns pentru a supraîncălzi un magnet superconductor, iar sistemele de absorbţie a fluxului trebuie să absoarbă 362 MJ pentru fiecare din cele două fluxuri, o energie echivalentă cu arderea a opt kilograme de petrol. Aceste energii imense sunt şi mai impresionante dacă se ia în consideraţie şi cât de puţină materie le transportă: în condiţii normale de funcţionre (2.808 grupuri pe flux, conţinând 1,15×1011 protoni pe grup), ţevile conţin numai 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.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. Analiza a arătat că suportul structurii interne, făcut cât de subţire se putea pentru izolaţie mai bună[necesită citare], nu a fost suficient de tare să reziste la forţele generate în timpul testelor de presiune. Detaliile sunt disponibile într-o declaraţie a Fermilab, cu care CERN are un acord.
Repararea magnetului defect şi reîntărirea celorlalte opt ansambluri identice folosite de LHC au dus la amânarea începerii experimentelor, planificate atunci pentru noiembrie 2007, cu câteva săptămâni.
Probleme datorate supraîncălzirii unui magnet superconductor la 19 septembrie 2008 au cauzat scurgerea unei tone de heliu lichid. Întrucât investigarea problemelor ar fi durat până după închiderea planificată pe perioada iernii, repunerea în funcţiune a acceleratorului a fost amânată până în 2009. Investigaţiile au arătat că incidentul a fost cauzat de o legătură electrică defectă între doi dintre magneţii acceleratorului.LHC a putut fi reluat în funcţiune în noiembrie 2009.
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.[33] 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.[34]
„Large Hadron Rap”, un clip muzical realizat de angajata CERN Katherine McAlpine[35] a depăşit trei milioane de accesări pe YouTube la 15 septembrie 2008.[36][37][38]
BBC Radio 4 a marcat momentul pornirii LHC la 10 septembrie 2008 cu „Ziua Big Bang”.[39] 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).[40] 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.”
