Suur hadronipõrguti

Suur hadronipõrguti ("Large Hadron Collider", lühend LHC) on Euroopa Tuumauuringute Keskuse osakestekiirendi Prantsusmaa ja Šveitsi piiril Genfi lähedal. Kiirendi paikneb keskmiselt 100 meetri sügavusel asuvas rõngakujulises umbes 27-kilomeetrise ümbermõõduga tunnelis. See on maailma suurim ja võimsaim kiirendi ning üks suuremaid ja kallimaid inimese loodud rajatisi. Selle peamine ülesanne on tuvastada ülisuure energiani kiirendatud laetud osakeste (prootonite ja raskete ioonide) kokkupõrkel tekkivaid senitundmatuid osakesi.
Kiirendi otsustati rajada 1994. aastal. Eesmärgiks seati lahenduste otsimine seni mõistatuseks jäänud füüsika ja kosmoloogia probleemidele, sealhulgas eelkõige standardmudeli ennustatud Higgsi bosoni avastamine. Loodetakse leida ka muu hulgas teadaolevate osakeste võimalikke supersümmeetrilisi partnereid ja märke tumeaine olemusest, taasluua universumi sünnijärgse seisundi kvark-gluuonplasma, otsida seletust aine ja antiaine ebasümmeetriale, täheldada stringiteooria ennustatavaid lisamõõtmeid.
Ehitust alustati 1998. aastal ja põrguti lülitati esimest korda tööle 10. septembril 2008.
Põrgutis kiirendatakse kahes kõrvuti asuvas vaakumtorus vastassuundades liikuvaid hadronikimpe raadiosageduslikus elektromagnetväljas. Prootonite maksimaalseks energiaks saadakse täisvõimsusel töötava kiirendi korral 7 TeV ja kiiruseks 99,9999991 protsenti valguse kiirusest. Pliituumade maksimaalne energia on 574 TeV. Ringkiirendi torud ristuvad neljas kohas, kus vastassuunas liikuvatel osakestel lastakse kokku põrgata ja põrke saadused registreeritakse detektorite abil. Osakesi kiirendatakse mitmes etapis, kasutusel on neli eelkiirendit. Hadronikimpe juhitakse võimsate ülijuhtidest mähistega magnetite abil, mis jahutatakse vedela heeliumi abil absoluutse nulltemperatuuri lähedase temperatuurini.
Veebruaris 2013 peatati põrguti umbes kaheks aastaks, et see täisvõimsusel töötamiseks ümber seadistada.
Ajalugu.
Euroopa Tuumauuringute Keskus CERN tegi plaane võimsama põrguti rajamiseks juba 1980. aastate alguses, kui Suurt Elektronide-Positronide Põrgutit (LEP) alles rajama hakati. 1984. aastal Lausanne'is korraldatud sümpoosioniga algasid põhjalikumad ettevalmistused ja LHC-st sai üks CERNi prioriteete. Detsembris 1994 kiitis CERNi nõukogu heaks LHC rajamise olemasolevasse LEPi tunnelisse. Heakskiit anti tingimusel, et ehitus toimub kindlaksmääratud eelarve raames. Projekti plaaniti esialgu kaheetapilisena. Et aga Ameerika Ühendriikides Texasesse juba rajamisel olnud superpõrguti projekt 1993. aasta oktoobris katkestati, hakkas ka USA LHC projekti vastu suurt huvi tundma, ja osaleda soovisid ka teised mitteliikmed, sealhulgas Jaapan, Venemaa, Kanada Hiina, Brasiilia ja India, otsustati 1995. aastal ühe etapi kasuks. Aastatel 1996–1998 kiideti heaks neli eksperimenti (ALICE, ATLAS, CMS ja LHCb) ning 1998. aastal alustati ATLASe ja maapealsete rajatiste ehitust. Hiljem on lisandunud veel kolm suuremat eksperimenti. CMSi juures tegutseb TOTEM ja ATLASe juures LHCf. Aastal 2010 kiideti heaks LHCb juures tegutsev MoEDAL.
Põrguti töötas tunnelis kuni 2000. aastani. Enne suure hadronipõrguti kasutuselevõttu suurim olnud kiirendi Tevatron lõpetas tegevuse 2011. aasta septembris.
Rahastamine.
CERN-il kulus ehitamisele ja seadmetele umbes kolm miljardit eurot, millele lisandusid nii CERN-i kui ka teiste osalejate tehtud kulutused detektoritele ja arvutustehnikale.
Iga eksperiment on iseseisev üksus, mida rahastavad selles osalejad. CERN on üks osalejatest; ta maksab umbes 20 protsenti CMSi ja LHCb eelarvest, 16 protsenti ALICE-i eelarvest, 14 protsenti ATLASe eelarvest ja 30 protsenti TOTEMi eelarvest.
Asukoht.
Põrguti asub Prantsusmaa ja Šveitsi piiril Genfist vahetult loodes Genfi järve ja Juura mägede vahel. Tunnel ületab riigipiiri neljas kohas. Suurem osa sellest paikneb Prantsusmaal. Ainult kaks eksperimenti (ATLAS ja selle juures paiknev LHCf) viiakse läbi Šveitsi territooriumil.
Tunneli geograafilised koordinaadid on .
Põrguti territooriumil on eristaatus ning seal ringi liikudes ei pea täitma näiteks piiriületus- ja tolliprotseduure. See ei allu ei Prantsuse ega Šveitsi võimudele, näiteks ei pea ka CERNis töötavad teadlased kummaski riigis makse maksma.
LHC rajati aastatel 1983–1988 elektroni-positronipõrguti jaoks kaevatud 26 659 meetri pikkusesse tunnelisse. Tunnel asub keskmiselt 100 meetri sügavusel allpool maapinda, Juura mägede kohal on see kuni 175 m sügavusel ja Genfi järve poolses osas umbes 50 m sügavusel. Tunneli kalle on 1,4 protsenti.
Ehitus.
Betoonvooderdusega tunnelisse on paigaldatud kaks kõrvutiasuvat vaakumtoru vastassuunaliste osakestekimpude kiirendamiseks. Torusid majutava tunneli läbimõõt on keskmiselt 3,8 meetrit. Magnetitest ümbritsetud kiirenditoru kõrval on kitsas juurdepääsutee, mida mööda vajadusel elektrisõidukitega liigutakse. Tunnelit ühendab maapealsete rajatistega kuus šahti, mille kaudu seadmeid transporditakse ja hooldatakse. Neli šahti asub põrkekohtades.
Kiirenditoru ümbritsevad osakesi suunavad ülijuhtivast materjalist dipoolmagnetid. Osakestekimpude fokuseerimiseks enne kokkupõrkekohti kasutatakse kvadrupoolmagneteid. Osakeste kiirendamiseks ja hilisemaks energiataseme hoidmiseks kasutatakse õõsresonaatoreid.
Lisaks umbes 27-kilomeetrise ümbermõõduga põhikiirendile kuuluvad põrgutikompleksi prootonite lineaarkiirendi Linac 2, buustersünkrotron ("Proton Synchrotron Booster"; PSB), prootonisünkrotron ("Proton Synchotron"; PS), superprootonisünkrotron ("Super Proton Synchotron"; SPS), ioonide lineaarkiirendi Linac 3, ioonide kiirendi Low Energy Ion Ring (LEIR) ning paljude põrguti tööga otseselt mitteseotud projektidega seotud seadmed, sealhulgas antiprootonite aeglusti ja süsteem, mis varustab Gran Sasso laborit müüneutriinodega.
Põhikiirendi ei moodusta tegelikult päris ringjoont. See koosneb kaheksast sektorist. Osa sektorist on kaarekujuline ning seda ümbritseb 154 kiirt suunavat dipoolmagnetit. Osa sektorist on aga sirgjooneline – selles osas leiavad aset eksperimendid, osakeste laadimine ja mahalaadimine ning kiire puhastamine. Iga sektor on osaliselt iseseisva varustusega (elektrienergia, jahutus jms) üksus.
Vaakumsüsteemid.
LHC-l on kolm eraldi isoleeritud vaakumsüsteemi – ülijuhtivate magnetite, heeliumijaotussüsteemi ja kiiretorude jaoks. Kiiretorudes on rõhk 10−13 atm.
Magnetid.
Osakestekimpude juhtimiseks ja fokuseerimiseks on põrgutis kasutusel rohkem kui 50 tüüpi elektromagnetid. Kokku on magneteid 9593. Kiire "painutamiseks" ja ringtrajektooril hoidmiseks kasutatakse 1232 ülijuhtiva mähisega dipoolmagnetit. Need tekitavad magnetvälja, mille magnetiline induktsioon on 8,33 teslat. See on üle 100 000 korra tugevam kui Maa magnetväli. Sellise magnetvälja tekitamiseks kasutavad dipoolid voolu tugevusega 11 850 amprit. Dipoolmagnetite mähised on valmistatud nioobiumtitaanist, mis muutub 10 kelvini juures ülijuhiks. Magnetid jahutatakse vedela heeliumi abil temperatuurini 1,9 K, mis on madalam isegi kosmoses valitsevast temperatuurist (2,7 K). Ühe dipoolmagneti pikkus on 15 meetrit ja mass umbes 35 tonni.
Vahetult enne kokkupõrkekohti osakestekimbud fokuseeritakse, et suurendada kokkupõrke tõenäosust. Selleks kasutatakse kokku 392 kvadrupoolmagnetit. Need suruvad kiire ristõike kokku umbes 0,2 millimeetrilt 16 mikromeetrile. Pärast põrget suunavad dipoolmagnetid kummagi kiire taas oma rajale.
Kasutusel on ka üle 6000 korrigeeriva magneti. Dipoolide juures paiknevad kuue, kaheksa ja kümne poolusega magnetid, mille abil magnetvälja tugevust ja suunda peenhäälestatakse.
Enne kiiretoru tühjendamist kasutatakse spetsiaalseid magneteid osakeste aeglustamiseks. Eraldi magnetid on ka juhuslikult teelt kõrvale sattunud osakeste püüdmiseks, et vältida tundliku aparatuuri kahjustamist.
Õõsresonaatorid.
Õõsresonaatorid kiirendavad osakesed lõpliku energiani ning hoolitsevad seejärel ringorbiidile kallutamisest tingitud energiakaotuse kompenseerimise eest ja selle eest, et kimbud koos püsiksid. Kummalgi kiirel on kaheksa õõsresonaatorit, mis asetsevad kummagi toru ümber neljakaupa kahes krüomoodulis, mis tagavad töötemperatuuri 4,5 kelvinit. Õõsresonaatorid on paigutatud kiirenditoru sirgele osale ning nende juures on vastassuunaliste kiirte vahelist kaugust suurendatud tavapäraselt 195 millimeetrilt 420 millimeetrile. Nende kiirenduspinge on 2 MV ja välja võnkumise sagedus 400,8 MHz.
Välja suuna muutumine on sünkroonis osakeste liikumisega, nii et see mõjub kiirendavalt osakestele, mis on kimbust maha jäänud, ja aeglustavalt neile, mis on ette jõudnud. Kiirendamine maksimaalse energiani võtab aega umbes 15 minutit ning selle aja jooksul läbivad kimbud õõsresonaatoreid umbes miljon korda.
Jahutussüsteem.
Süsteemi jahutamiseks 1,9 kelvinini kulub mitu nädalat. Jahutussüsteemis voolab 120 tonni heeliumi. Jahutatavaid magneteid on kokku umbes 36 000 tonni. Jahutamine toimub kolmes etapis. Kõigepealt jahutatakse heelium 80 kelvinini. Selleks kasutatakse vedelat lämmastikku. Seejärel jahutatakse heelium turbiinide abil temperatuurini 4,5 K ning juhitakse magnetitesse, kus see jahutatakse lõpliku temperatuurini 1,9 K. Sellel temperatuuril on heelium ülivoolavas olekus. Õõsresonaatorite jahutussüsteemis kasutatakse heeliumi, mille temperatuur on 4,5 K.
Energiatarbimine.
Suure hadronipõrguti tarbitava elektrienergia koguvõimsus on umbes 120 MW. Umbes sama suur on kõigi Genfi kantoni kodumajapidamiste tarbitav võimsus. Kui arvestada 270 tööpäevaga aastas, on põrguti aastane energiatarve umbes 800 000 MWh (andmed on 2009. aasta kohta). Põrgutit varustab elektrienergiaga peamiselt Prantsuse firma EDF. CERNil on tarnijaga kokkulepe, et energiat saadakse soodsamalt juhul, kui ollakse nõus katsed peatama talvekuudeks, mil kohalik tarbimine on kütmisvajaduse tõttu suurenenud.
Osakeste teekond kiirendites.
Osakeste liikumine algab juba eelkiirenditest, millest nende energiat suurendatakse enne, kui osakesed jõuavad põhikiirenditesse. See protsess saab alguse vesinkuballoonist, millest vesinik suunatakse lineaarkiirendisse Linac 2. Selle elektriväljas eemaldatakse vesiniku aatomi elektronid ning prootoneid kiirendatakse energiani kuni 50 MeV ja umbes kolmandiku valguse kiiruseni. Buustersünkrotronis ("Proton Syncrotron Booster", PSP) – see on 157-meetrise ümbermõõduga ringkiirendis, toimub uus kiirendamine, milles osakesed kiirendatakse elektriväljas energiani 1,4 GeV kiiruseni 0.916c. Sellest omakorda suunatakse 628-meetrise prootonsünkrotroni ("Proton Syncrotron", PS), mille kiirendus tase on 1,2 sekundi jooksul 99,6 protsendini valguse kiirusest. Alates sellest enam prootonite kiirus väga suureneda ei saa ning seetõttu suureneb mass. Etapi lõpuks on energia jõudnud 25 GeV-ni. Viimane ja ühtlasi suurim eelkiirenditest on 7-kilomeetrise ümbermõõduga superprootonsünkrotron ("Super Proton Syncrotron", SPS), kus saavutatakse energiatase 450 GeV-d.
Plii-ioonid saadakse umbes 500 °C juures aurustatud pliist. Pliiaur ioniseeritakse elektriväljas ning saadakse segu erinevate laengutega ioonidest (kuni umbes +29) Ioonid alustavad teekonda lineaarkiirendis Linac 3, kus need kiirendatakse energiani 4,2 MeV nukleoni kohta. Pärast kiirendit juhitakse ioonid läbi süsiniklehe, mis eemaldab veel osa elektrone, jättes iooni laenguks keskmiselt +54. Kimp akumuleeritakse. Seejärel suunatakse ioonid kiirendisse Low Energy Ion Ring (LEIR), kus pikad kimbud (impulsid) koondatakse neljaks lühemaks kimbuks, millest igaüks koosneb 2,2×108 ioonist.; LEIRis kiirendatakse ioone 2,5 sekundi vältel kuni energiani 72 MeV. Järgmisena läbivad ioonid prootonisünkrotroni, kus kiirendatakse kuni 5,9 GeV-ni, ning seejärel süsinikukihi, kus eemaldatakse kõik allesjäänud elektronid. Pliituumad laenguga +82 suunatakse superprootonisünkrotroni, kus need kiirendatakse energiani 117 GeV nukleoni kohta ning saadetakse lõpuks põhikiirendisse. Täisvõimsusel töötava süsteemi korral on kokkupõrkavate ioonide energia 2,76 TeV nukleoni kohta.
Pliituumade põrgatamiseks tehakse igal aastal prootonikatsetes umbes kuuajaline paus. Sel ajal töötab ainult ALICE'i eksperiment.
Osakesed liiguvad kiirendis kimpudena. Selle tingib eelkõige kiirendamiseks kasutatav raadiosageduslik elektromagnetväli. Kiirendamine leiab aset ainult siis, kui õõsresonaatori väli on seda läbivate hadronite suhtes sobivalt orienteeritud, seega peab välja faas olema täpselt ajastatud. Kimbu suurus ei ole kõikjal ühesugune – enne põrkekohti surutakse kimp kokku. Põrkekohtadest kaugemal on kimbu pikkus paar sentimeetrit ja läbimõõt umbes üks millimeeter, enne põrget on ristlõike läbimõõt aga 16 mikromeetrit. Täisheledusega töötava põrguti korral on kahe järjestikuse kimbu kaugus umbes 25 nanosekundit ehk umbes 7 meetrit. Seega on põrgete sagedus igas põrkekohas 40 MHz. Põrkekohtades satub vastamisi umbes 200 miljardit osakest, kuid toimub vaid maksimaalselt 20 mitteelastset põrget. Sekundis ristuvad kiired umbes 30 miljonit korda, seega toimub sekundis umbes 600 miljonit põrget.
Kummaski prootonkiires on prootonid koondatud 2808 kimpu; eksperimendi alguses on prootoneid igas kimbus 1,1×1011. Osakeste tiirlemissagedus on 11 245 ringi sekundis. Kiire heledus on 1034 cm−2 s−1.
Korraga kiirendis olevate prootonite seisumass on kokku vaid umbes miljardik grammi.
Kahe prootoni kokkupõrke massikeskme energia on täisvõimsusel 14 TeV. Tavaelus ei ole see muljetavaldav energiahulk (suurusjärgus 10−6 J), kuid et see energia on kontsentreeritud väga väikesse ruumiossa, on sellel tohutu jõud.
Andurid hoiavad kiirte teekonnal silma peal ning vähimagi kõrvalekalde korral juhitakse kiir spetsiaalsetesse energiat summutavatesse grafiitplokkidesse.
Eksperimendid.
Suure hadronipõrguti juures viiakse läbi kokku seitse suuremat eksperimenti. CMS, ATLAS, ALICE ja LHCb on põhieksperimendid, mille detektorid asuvad neljas põrkekohas. Kahe esimese detektorid on üldotstarbelised ning eksperimentide käigus püütakse tuvastada kõiki prootonite põrgetel tekkivaid seninägematuid protsesse. ALICE uurib pliituumade põrgete saadusi, eelkõige kvark-gluuonplasmat; LHCb b-kvarke sisaldavaid hadroneid.
TOTEM, LHCf ja MoEDAL on väiksemad suure kiirendusringi juures läbi viidavad eksperimendid.
Prootonisünkrotron varustab prootonitega muu hulgas antiprootonite aeglustit (AD), kus antiprootonite kiirus vähendatakse umbes kümne protsendini valguse kiirusest. Aeglustist saadavaid antiprootoneid kasutatakse antiaine uurimise eksperimentide (AEGIS, ALPHA, ASACUSA, ATRAP ja ACE) juures.
Detektorid.
Kõik põrkel tekkivad vähegi huvipakkuvad osakesed on väga lühikese elueaga ning lagunevad praktiliselt kohe stabiilseteks osakesteks ehk elektronideks, prootoniteks, neutroniteks, footoniteks ja neutriinodeks. Detektori jaoks on tuvastatav ka müüon, sest see jõuab enne lagunemist detektorisse jälje jätta.
Detektor koosneb kontsentrilistest kihtidest, mis on ette nähtud erinevate osakeste tuvastamiseks. Laetud osakeste puhul jääb detektorisse jälg tema trajektoorist, ülejäänud osakeste puhul talletub üksnes energia. Detektori sisemise osa moodustab träkker, mis võimaldab määrata laetud osakeste trajektoorid. Magnetväljas aset leidva kõrvalekalde järgi on võimalik leida osakeste elektrilaeng ja impulss. Träkker koosneb omakorda mitmest eriotstarbelisest kihist. Träkkerid valmistatakse valdavalt pooljuhtmaterjalidest, näiteks CMSi ja ATLASe puhul ränist.
Järgmise kihi moodustavad kalorimeetrid, mis mõõdavad osakeste energiat ja registreerivad selle salvestumise täpse asukoha. Kalorimeetri sisemine osa on elektromagnetiline kalorimeeter, mis peatab footonid ja elektronid/positronid ning salvestab nende energia; välimine aga hadronikalorimeeter, mis tuvastab prootonid, neutronid ja piionid. Elektromagnetiline kalorimeeter võib olla valmistatud pliivolframaadist (PbWO4; näiteks CMSi puhul). Hadronikalorimeeter valmistatakse messingist või terasest. Välimine detektori kiht salvestab detektorist välja lendavate müüonite jälje. Neutriinod läbivad häirimatult kõik detektori kihid.
Suurem osa sündmustest pole huvipakkuvad. Tuleb välja valida potentsiaalselt huvitavad.
Andmetöötlus.
Suurem osa põrkesaaduste kohta registreeritavast infost jäetakse tähelepanuta. Salvestatakse vaid andmed teatud kindlate tunnuste järgi välja valitud sündmuste kohta. Sellegipoolest toodab LHC aastas umbes 25 petabaiti informatsiooni. Andmete jagamiseks, salvestamiseks ja analüüsiks kasutatakse võretehnoloogiat. Ülemaailmne andmetöötlusvõrk ("The Worldwide LHC Computing Grid –" WLCG) ühendab paarisajas arvutikeskuses mitmekümnes riigis üle kogu maailma asuvaid kümneid tuhandeid arvuteid.
Arvutisüsteem loodi 2002. aastal. See annab rohkem kui 8000 füüsikule enam-vähem reaalajas juurdepääsu andmetele.
Eksperimentide käik.
Suur hadronipõrguti pandi tööle 10. septembril 2008. Juba 19. septembril juhtus aga tunnelis õnnetus. Üks magnetite elektrisüsteemi ühendus oli vigane ja kuumenes üle. Temperatuuri tõusu tõttu paisus jahutussüsteemi heelium ning selle plahvatamise tagajärjel paiskus oma kohalt mitu magnetit. Kokku sai vigastada 53 magnetit, mis tuli parandada või asendada. Lekkis umbes kuus tonni heeliumi. Et ennetada õnnetuste kordumist, kontrolliti üle kõik ühendused ja paigaldati uued andurid. Aasta hiljem olid seadmed uuesti töökorras.
Higgsi bosoni avastamine.
4. juulil 2012 teatas CERN, et nii CMSi kui ka ATLASe eksperimendi käigus on leitud uus boson, mis võib tõenäoliselt olla Higgsi boson. 14. märtsil 2013 kinnitas CERN, et seni analüüsitud andmete põhjal võib osakest pidada Higgsi bosoniks, kuid kinnituse saamine sellele, et tegu on standardmudeli Higgsi bosoniga, nõuab täiendavat analüüsi.
Tähelepanu äratanud neutriinoeksperiment.
Muu hulgas toodab suur hadronipõrguti superprootonisünkrotronist saadud prootonitest müüneutriinosid, mis saadetakse otse läbi maakoore Itaaliasse Gran Sasso laborisse neutriinovõnkumiste uurimiseks. Põrgutist 732 km kaugusel kaljus asuvas Gran Sasso laboris püüab kaks töörühma (OPERA ja ICARUSe eksperiment) registreerida müüneutriinode muutumist tauneutriinodeks. Septembris 2011 teatas OPERA töörühm, et on mõõtnud neutriinode kiiruseks valguse kiirusest suurema kiiruse. Hiljem selgus, et tegu oli eksitusega ning mõõtmisviga oli tingitud halvasti kinnitatud optilisest kaablist ja kella liiga kiiresti võnkuvast ostsillaatorist. Märtsis 2013 avastati Genfist saabuvas neutriinovoos kolmas tauneutriino.
Eesti teadlaste osalus.
Põrguti töös osalevad Eesti füüsikud on tegevad CMSi juures. Eestis on oma uurimisrühm ja arvutuskeskus Tallinnas Keemilise ja Bioloogilise Füüsika Instituudis.