Penumbuk Hadron Raksasa
Penumbuk Hadron Raksasa (Inggris: Large Hadron Collider atau LHC) adalah pemercepat partikel berenergi tinggi terbesar di dunia, fasilitas percobaan paling kompleks yang pernah dibangun, dan mesin tunggal terbesar di dunia. LHC dibangun oleh Organisasi Eropa untuk Penelitian Nuklir (CERN) antara tahun 1998 sampai 2008 dengan kolaborasi dengan lebih dari 10.000 fisikawan dan insinyur dari 100 negara, serta ratusan universitas dan laboratorium. LHC terletak dalam sebuah terowongan dengan panjang sedalam dibawah perbatasan Perancis-Swiss dekat Jenewa, Swiss. Riset pertamanya dilakukan tanggal 30 Maret 2010 sampai 13 Februari 2013 dengan energi awal 3.5 teraelektronvolt (TeV) per sinar ("beam") (total 7 TeV), hampir 4 kali lebih besar daripada rekor dunia sebelumnya untuk sebuah penumbuk, dinaikkan menjadi 4 TeV per sinar (total 8 TeV) mulai 2012. Tanggal 13 Februari 2013, percobaan pertama LHC resmi berakhir dan kemudian dimatikan untuk direncanakan untuk ditingkatkan. Uji tumbukan kedua dimulai lagi pada 5 April 2015, mencapai 6.5 TeV per sinar pada tanggal 20 Mei 2015 (total 13, rekor dunia saat ini). Percobaan keduanya dimulai tepat waktu, 3 Juni 2015.
Tujuan LHC adalah memungkinkan fisikawan untuk menguji prediksi beberapa teori fisika partikel yang berbeda, termasuk mengukur karakteristik boson Higgs dan mencari kelompok partikel baru yang diprediksi oleh teori supersimetri, juga menyelesaikan pertanyaan tak terjawab dalam fisika.
Penumbuk ini memiliki 4 titik persilangan, dimana masing-masing diletakkan 7 detektor, tiap detektor didesain untuk penelitian tertentu. LHC utamanya menabrakkan sinar proton, namun juga dapat digunakan untuk nukleus timbal. Tumbukan timbal-proton pernah dilakukan pada tahun 2013 dan 2016, tumbukan timbal-timbal dilakukan tahun 2010, 2011, 2013, dan 2015.
Komputasi grid LHC merupakan pemegang rekor dunia. Data tabrakan dihasilkan dengan kecepatan yang belum pernah terjadi sebelumnya, puluhan petabita per tahun (tantangan utama saat itu), untuk kemudian dianalisa oleh infrastruktur jaringan komputer yang menghubungkan 140 pusat komputasi di 35 negara – per 2012 Komputasi grid LHC sedunia juga merupakan distribusi komputasi grid terbesar sedunia yang terdiri dari 170 fasilitas komputasi melintasi 36 negara.
Fisikawan berharap bahwa LHC akan membantu menjawab beberapa pertanyaan mendasar dalam fisika, berkenaan tentang hukum dasar yang mengatur interaksi dan gaya di antara objek elementer, struktur dalam ruang dan waktu, dan utamanya hubungan antara mekanika kuantum dan relativitas umum, dimana teori dan pengetahuan yang ada saat ini masih belum jelas sepenuhnya. Data juga diperlukan dari percobaan partikel energi-tinggi untuk membuktikan versi model ilmiah mana yang saat ini lebih kemungkinan benar - secara khusus memilih antara Model Standar dan Model Higgsless dan untuk memvalidasi prediksi mereka dan memungkinkan pengembangan teoretis lebih lanjut. Banyak pakar memperkirakan fisika baru diatas Model Standar akan muncul pada tingkat energi TeV, karena Model Standard terlihat kurang memuaskan. Beberapa masalah yang mungkin digali dengan tumbukan LHC diantaranya:
Pertanyaan terbuka lainnya yang mungkin dapat digali dengan tumbukan partikel energi-tinggi:
LHC adalah pemercepat partikel terbesar sedunia. Penumbuk ini terletak dalam sebuah terowongan berbentuk lingkaran, dengan total panjang , dan kedalaman bervariasi antara di bawah tanah.
Terowongan sepanjang berlapis beton, dibangun tahun 1983-1988, sebelumnya pernah digunakan menjadi rumah Penumbuk Elektron-Positron Besar. Terowongan ini memotong perbatasan antara Swiss dan Perancis di 4 titik, namun sebagian besar ada di Perancis. Bangunan di permukaan memegang perlatan pendukung seperti kompresor, peraltan ventilasi, kontrol elektronik, dan pendinginan.
Terowongan penumbuk berisi 2 "beamline" (atau "beam pipes") yang diletakkan sejajar dan berpotongan di 4 titik, masing-masing berisi sebuah "beam", yang melintas dengan arah berlawanan disekitar cincin. Ada sejumlah yang menjaga agar "beam" tetap pada lintasan melingkarnya (lihat gambar), dan ada tambahan yang digunakan untuk menjaga "beam" tetap fokus, dan kuadrupol magnet yang dekat dengan titik perpotongan dibuat lebih kuat agar memaksimalkan kemungkinan interaksi diamana kedua "beam" berpotongan. Magnet dengan kelipatan multikutub yang lebih tinggi digunakan untuk memperbaiki ketidaksempurnaan kecil pada geometri medan. Total, ada sekitar yang terpasang, dengan dipol magnet memiliki massa total lebih dari 27 ton. Sekitar 96 ton superfluida helium-4 diperlukan untuk menjaga magnet, yang terbuat dari niobium-titanium berlapis tembaga, agar tetap pada suhu operasinya di , menjadikan LHC sebagai fasilitas kriogenik terbesar sedunia.
Dengan beroperasi pada energi saat ini 6.5 TeV per proton, satu atau 2 kali sehari, proton dipercepat dari 450 GeV menjadi 6.5 TeV, medan dipol magnet superkonduktor akan meningkat dari 0,54 menjadi . Tiap proton memiliki energi sebesar 6.5 TeV, sehingga energi total tumbukannya adalah 13 TeV. Dengan energi ini, proton memiliki faktor Lorentz sebesar 6.930 dan bergerak dengan kecepatan , atau sekitar lebih lambat dari laju cahaya ("c"). Dibutuhkan waktu kurang dari untuk sebuah proton untuk sekali mengelilingi cincin utama – sekitar per detik. Tidak menggunakan beam kontinu, melainkan proton dikumpulkan bersama menjadi , dengan pada tiap ikatannya, sehingga interaksi antara kedua "beam" berlangsung dengan interval diskret, sekitar , menghasilkan laju tumbukan 40 MHz. Luminositas desain LHC adalah 10 cms, yang pertama kali dicapai bulan Juni 2016.
Sebelum diinjeksikan ke pemercepat utama, partikel dipersiapkan dengan beberapa sistem untuk meningkatkan energinya. Sistem pertama adalah pemercepat partikel linear LINAC 2 yang menghasilkan proton 50-MeV, yang kemudian masuk ke Proton Synchrotron Booster (PSB). Disini proton dipercepat menjadi 1.4 GeV dan diinjeksikan ke Proton Synchrotron (PS), dimana dipercepat lagi menjadi 26 GeV. Akhirnya Super Proton Synchrotron (SPS) digunakan untuk meningkatkan energinya menjadi 450 GeV sebelum akhirnya diinjeksikan (pada periode waktu beberapa menit) ke cincin utama. Disini proton dikumpulkan, dipercepat (dengan periode ) ke puncak energinya, dan akhirnya disirkulasi selama 5 sampai dan tumbukan terjadi pada 4 titik perpotongan.
Program fisika LHC utamanya adalah tumbukan proton–proton. Namun, selama periode waktu pendek, biasanya sebulan dalam setahun, ada juga percobaan tumbukan ion-berat. Meski ion ringan juga dipergunakan, skema dasarnya menggunakan ion timbal (lihat Percobaan Tumbukan Ion Berat). Ion timbal pertama dipercepat dengan pemercepat linear LINAC 3, dan Low Energy Ion Ring (LEIR) digunakan sebagai penyimpan ion dan unit pendingin. Ion ini kemudian dipercepat lagi dengan PS dan SPS sebelum diinjeksikan ke cincin LHC, dimana energi yang dicapai adalah 2.3 TeV per nukleon (atau 522 TeV per ion), lebih tinggi daripada energi yang dicapai oleh Penumbuk Ion Berat Relativistik. Tujuan program ion-berat adalah untuk meneliti plasma kuark–gluon, yang pernah eksis pada waktu awal alam semesta.