Penumbuk Hadron Raksasa

Penubruk Hadron Raksasa ( 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 Prancis-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 dianalisis 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.

Tujuan 

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:
 Apakah massa partikel elementer sebenarnya dihasilkan dari mekanisme Higgs melalui pemecahan simetri elektrolemah? Diperkirakan bahwa percobaan tumbukan akan mendemonstrasikan atau menyingkirkan eksistensi Higgs boson, sehingga memungkinkan fisikawan untuk menilai apakah Model Standar atau alternatif Higgsless yang lebih benar. Percobaan menemukan sebuah partikel yang tampaknya boson Higgs, bukti kuat bahwa Model Standar memiliki mekanisme yang benar dalam memberikan massa ke partikel elementer.
 Apakah supersimetri, sebuah perluasan dari Model Standar dan simetri Poincaré, ada di alam, mengisyaratkan bahwa semua partikel yang diketahui memiliki partner supersimetri?
 Apakah ada dimensi ekstra, seperti yang diprediksi oleh berbagai model dengan basis dari teori dawai, dan dapatkah kita mendeteksinya?
 Bagaimana sifat alami dari materi gelap yang kelihatannya berkontribusi 27% terhadap massa-energi dari alam semesta?

Pertanyaan terbuka lainnya yang mungkin dapat digali dengan tumbukan partikel energi-tinggi:
 Telah diketahui bahwa elektromagnetisme dan gaya nuklir lemah adalah manifestasi yang berbeda dari sebuah gaya tunggal yang disebut gaya listrik lemah. LHC mungkin dapat menjelaskan apakah gaya listrik lemah dan gaya nuklir kuat adalah mirip hanya manifestasi yang berbeda dari sebuah gaya penyatuan semesta, seperti diprediksi oleh Teori Penyatuan Besar.
 Mengapa gaya fundamental keempat (gravitasi) banyak kelipatannya lebih lemah daripada ketiga gaya fundamental lainnya? Lihat juga masalah hirarki.
 Apakah ada sumber tambahan dari pencampuran flavour kuark, lebih dari yang saat ini ada di dalam Model Standar?
 Mengapa ada pelanggaran jelas dalam simetri antara materi dan antimateri? Lihat juga pelanggaran CP.
 Bagaimana sifat alami dan karakteristik plasma kuark–gluon, yang sebelumnya diperkirakan eksis pada awal alam semesta dan pada beberapa benda astronomi kompak dan aneh saat ini? Hal ini akan dicari tahu dengan tumbukan ion berat, utamanya di ALICE, namun juga di CMS, ATLAS dan LHCb. Pertama kali diamati pada tahun 2010, penemuan dipublikasikan tahun 2012 dan mengonfirmasi fenomena jet quenching pada tumbukan ion-berat.

Desain 

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 Prancis di 4 titik, namun sebagian besar ada di Prancis. 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 1034 cm−2s−1, 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.

Referensi

Pranala luar 
 Situs web resmi
 . Full documentation for design and construction of the LHC and its six detectors (1600 p).
 Official Timeline of LHC Milestones 
 TED talks (video) - Brian Cox: What really goes on at the Large Hadron Collider
 Overview of the LHC at CERN's public webpage
 ATLAS Experiment  - Virtual Reality photography panoramas

CERN
Fasilitas fisika partikel
Pemercepat partikel