Veľký hadrónový urýchľovač

Veľký hadrónový urýchľovač (Large Hadron Collider, LHC) je urýchľovač častíc nachádzajúci sa v CERNe. Je projektovaný na urýchľovanie buď dvoch protibežných zväzkov protónov s následnou zrážkou pri ťažiskovej energii približne 14 TeV alebo urýchľovanie dvoch protibežných zväzkov jadier olova s následnou zrážkou pri ťažiskovej energii 1146 TeV. V miestach zrážok sú umiestnené detektory ALICE, ATLAS, LHCb, CMS, TOTEM a LHCf. Výsledky experimentov prispievajú k lepšiemu pochopeniu základných fyzikálnych interakcií. Jedným zo základných cieľov LHC je experimentálne preverenie existencie Higgsovho bozónu a prípadné zmeranie jeho vlastností.
Pôvodne bol spustený 10. septembra 2008. Po nečakaných problémoch bol 19. septembra 2008 odstavený a opätovne spustený 30. marca 2010 pri celkovej energii 7 TeV, čo predstavovalo dosiaľ najväčší výkon akéhokoľvek človekom postaveného urýchľovača častíc. Projektovaná energia zrážok protónov (14 TeV) dosiaľ (december 2011) nebola dosiahnutá a vyžiada si v budúcnosti ďalšie odstavenie urýchľovača.

Poloha

Samotný urýchľovač je umiestnený v podzemnom tuneli v tvare kruhu s obvodom 26,5 km v hĺbke 50-150 m pod zemou. Nachádza sa na území medzi pohorím Jura vo Francúzsku a Ženevským jazerom vo Švajčiarsku. Tunel bol postavený v roku 1980, pôvodne v ňom bol umiestnený LEP. Zaujímavosťou je, že tunel nie je umiestnený vodorovne, ale má mierny sklon, pretože vtedajšie technológie neboli schopné zaistiť hĺbenie tunelu cez niektoré horniny. Tunel prechádza medzi hranicami Francúzska a Švajčiarska v štyroch miestach, ale jeho väčšia časť leží vo Francúzsku. Napriek tomu, že je tunel pod zemou, na povrchu sa nachádzajú niektoré budovy umožňujúce jeho funkčnosť (napr. kompresory, ventilácia, chladiace zariadenia a ovládacia stanica).

Princíp fungovania a opis zariadení

LHC je projektovaný na produkciu viac ako 20 zrážok na každých 200 miliárd častíc. Z dôvodu veľkej luminozity (veľký počet jednotlivých častíc vo zväzkoch) je celkový počet zrážok predpokladaný na približne 600 miliónov za jednu sekundu. Pri rýchlostiach blízkych rýchlosti svetla urobí protón v LHC 11 245 obehov tunela za sekundu. Pred samotnou zrážkou bude jeden zväzok cirkulovať približne 10 hodín, pričom prejde dráhu viac než 10 miliárd kilometrov (viac ako dĺžka cesty na planétu Neptún a späť).
Po dosiahnutí energie 0,45 TeV na jednu časticu sa zo sústavy urýchľovačov vstreknú častice do LHC, kde urobia milióny obehov. Pri každom obehu častice dostanú ďalší impulz od elektrického poľa vytváranom v špeciálnych dutinách, až pokiaľ nedosiahnu konečnú energiu 7 TeV. Zväzok, ktorého častice majú takú obrovskú energiu, je v LHC udržovaný sústavou 1800 supravodivých magnetov. Tieto magnety udržiavané pri nízkych teplotách môžu viesť elektrický prúd s nulovým odporom, preto môžu vytvoriť silnejšie magnetické pole. Vodiče elektromagnetov sú vyrobené z nobiotitánovej zliatiny a pracujú pri teplote 1,9 K (−271 °C). Keby LHC používal bežné elektromagnety namiesto supravodivých, prstenec by musel mať obvod 120 km a pre dosiahnutie rovnakých výsledkov by spotreboval 40x viac energie.
LHC pracuje s magnetickými poľami približne 8 tesla, pričom bežné tepelné elektromagnety sú schopné vytvoriť magnetické pole len okolo 2 tesla.
CERN v súčasnej dobe pracuje na vývoji technológie počítačových sietí zvaných GRID. Tie majú spojovať desiatky a neskôr až stovky PC pre vytvorenie prostriedkov pre spracovanie dát zaznamenaných na detektoroch LHC. Experimenty LHC budú produkovať enormné množstvo dát. Každý rok to bude dostatok informácií na naplnenie kapacity toľkého počtu CD, že by z nich dal postaviť 20 km vysoký stĺp (cca 15 petabajtov = 15 miliónov GB).
Úlohou časticového detektora je zaznamenávať a vizualizovať explózie častíc, ktoré sú dôsledkom zrážky. Informácie o rýchlosti, hmotnosti a elektrickom náboji častice pomôžu fyzikom zistiť identitu danej častice. Úloha to ale nebude ľahká. Predpokladáme, že LHC pomôže objaviť nové častice. Tie však nebudú voľne poletovať a čakať, až si ich niekto všimne. Všetky dôkazy o existencie častice budú nepriame. Niektoré môžu existovať len nepatrný zlomok sekundy a preto uvidíme len produkty ich rozpadu.

ALICE

Pre experiment ALICE sa budú v LHC zrážať ióny olova, aby sa tak vytvorili podmienky zhodné s tými po veľkom tresku. Získané dáta umožnia fyzikom študovať stav hmoty nazývaný kvark-gluónová plazma, ktorá pravdepodobne existovala po veľkom tresku. Protóny a neutróny sú tvorené kvarkami (protón: 2 kvarky up a 1 kvark down, neutrón: 2 kvarky down a 1 kvark up), ktoré držia pohromade vďaka iným časticiam, ktoré nazývame gluóny (od anglického slova glue – lepidlo). Gluóny pôsobia na kvarky tak veľkou silou, že samostatný kvark ešte nebol objavený. Kolízia v LHC spôsobí teploty vyššie než 100 tisíc násobok teploty v jadre Slnka. Fyzici dúfajú, že pri týchto podmienkach sa protóny a neutróny roztavia a uvoľnia tak kvarky. Tým vznikne kvark-gluónová plazma. Experiment ALICE bude študovať kvark-gluónovú plazmu a jej vznik.

ATLAS

ATLAS je jedným z viacúčelových detektorov v LHC. Ide o veľký a komplexný súbor detektorov v tvare valca s priemerom 25 m a dĺžkou 45 m. Je umiestnený v podzemnej hale približne 100 m pod povrchom zeme. Skúma fyzikálne procesy vo väčšom rozsahu než napríklad ALICE. Výskumný program ATLASu je orientovaný na časticovú fyziku, vrátane pátrania po Higgsovom bozóne. Ďalej je výskum orientovaný na na pátranie po extra dimenziách a časticiach, ktoré by mohli tvoriť temnú hmotu.
ATLAS, podobne ako CMS, bude zaznamenávať trajektórie pri kolíziách. Oba experimenty ale používajú radikálne odlišné technické riešenia pre systém magnetov vo svojich detektoroch. Systém magnetov použitých pre ATLAS je štandardný. Tvorí ho 8 obrovských magnetov, poskladaných na dĺžku do kruhu tak, aby magnetické pole bolo najsilnejšie v strede detektora. Každý z týchto magnetov meria 25 metrov a je zložený zo supravodivých cievok. ATLAS váži 7 000 ton – rovnako ako Eiffelova veža v Paríži.
Na konštrukcii detektora ATLAS sa podieľala aj Slovenská republika zastúpená košickými vedcami a inžiniermi. V pracovnej skupine doc. RNDr. Dušana Bruncka, CSc. sa sústredili na príspevok ku kalorimetrickému detektoru, ktorým sa merajú energie častíc. Prispeli tiež do elektronickej kalibrácie kalorimetra na báze kvapalného argónu. V spolupráci so zahraničnými pracoviskami vyvinuli špeciálne, veľmi rýchle elektronické zosilňovače, ktoré pracujú pri teplote kvapalného argónu. Tieto snímače slúžia na snímanie signálov z kalorimetra. Košická skupina prispela aj dodávkami komponentov detektora a podieľala sa na inštalácii aparatúry experimentu ATLAS pod povrchom.

CMS

Podobne ako ATLAS aj CMS bude skúmať väčšiu časť časticovej fyziky, vrátane Higgsovho bozónu, extra dimenzií a častíc, ktoré by mohli tvoriť temnú hmotu. Je zrejmé, že CMS skúma rovnaké problémy ako ATLAS, rozdiel je ale v spôsobe akým to robí. Na rozdiel od ATLASu použije CMS iba jeden obrí elektromagnet cylindrického tvaru (solenoid). Solenoid je zložený z cylindrickej cievky supravodivých káblov. Tento gigantický magnet je schopný vytvoriť magnetické pole veľkosti 4 tesla (zhruba 100 tisíckrát väčšie ako magnetické pole Zeme). Toto pole musí byť uchytené oceľovými výstuhami, ktoré tvoria značnú časť celej hmotnosti detektoru (12 500 ton). Zaujímavosťou detektora je, že ako jediný bol najskôr postavený na povrchu a až potom spustený do podzemia.

LHCb

LHCb sa špecializuje na preskúmanie drobných rozdielov medzi hmotnou a antihmotou študovaním častíc zvaných kvark b (b znamená bottom – spodný). Detektor by mal zodpovedať, prečo sa zdá, že vesmír je zložený takmer výhradne z hmoty a nie z antihmoty.

TOTEM

Experiment TOTEM sa zameria na skúmanie javov, ktoré sa nevošli do škály úloh pre viacúčelové detektory ATLAS a CMS. Bude merať veľkosť častíc a presne monitorovať luminozitu LHC. K tomuto musí byť TOTEM schopný detegovať častice produkované veľmi blízko lúčov obiehajúcich v LHC. To vyžaduje detektory v špeciálne navrhnutých vákuových komorách zvaných rímske hrnce (Roman pots), pripojených k rúrkam s lúčmi.

LHCf

LHCf má za úlohu simulovať kozmické žiarenie v laboratórnych podmienkach pomocou častíc vytvorených v LHC. Je to najmenší experiment, čo do počtu vedcov (22). Kozmické žiarenie je spôsobené nabitými časticami z vesmíru, ktoré neustále bombardujú zemskú atmosféru. Narážajú do jadier vo vyššej atmosfére a spôsobujú kaskádu častíc, ktoré dosiahnu zemského povrchu. Získané vedomosti o chovaní kozmického žiarenia, resp. týchto kaskád častíc pomôže vedcom vypracovať veľké experimenty.

Výkonnosť

LHC je prístroj pre koncentráciu energie vo veľmi malom priestore. Častice budú mať energiu rádovo TeV. 1 TeV je energia porovnateľná s energiou letiaceho komára, háčik je v tom, že protón je asi triliónkrát menší ako komár. Každý protón rotujúci v LHC bude mať energiu 7 TeV, takže keď sa zrazia dva protóny, energia zrážky bude 14 TeV. Ióny olova majú 83 protónov a dohromady dávajú energiu okolo 1150 TeV. Pri plnom výkone bude mať každý zväzok energiu 350 MJ, čo je energia akú má vlak, ktorý váži 400 ton, idúci rýchlosťou 200 km/h. Táto energia je dostatočná na roztavenie 500 kg medi. Energia uložená v magnetoch je ešte približne 30x vyššia (11 GJ).

Cena

LHC dostal pôvodne v roku 1995 rozpočet 2,6 miliárd švajčiarskych frankov a k tomu ešte 210 miliónov švajčiarskych frankov na experimenty. Nakoniec však cena narástla a konečná cena predstavuje 8 miliárd amerických dolárov.