Suur Elektronide-Positronide Põrguti

Suur Elektronide-Positronide Põrguti (inglise keeles "Large Electron-Positron Collider"; lühend LEP) oli aastatel 1989–2000 tegutsenud Euroopa Tuumauuringute Keskuse osakestekiirendi Prantsusmaa ja Šveitsi piiril Genfi lähedal. See paiknes umbes 100 meetri sügavusel asuvas rõngakujulises ligi 27-kilomeetrise ümbermõõduga tunnelis, kus praegu töötab suur hadronipõrguti.
LEPist suuremat ega võimsamat leptonite kiirendit ei ole siiani ehitatud. Tunnelit hakati ehitama veebruaris 1985 ja see valmis kolm aastat hiljem. Kuni Eurotunneli rajamiseni oli see Euroopa kõigi aegade suurim tsiviilehitusprojekt.
Lõpuks saavutatud suurim põrkeenergia (104,5 GeV osakese kohta) oli üle 200 000 korra suurem elektroni/positroni seisumassist (0,511 MeV). Seda näitajat ei ole ületanud ükski teine kiirendi.
Asukoht.
Põrguti asus Prantsusmaa ja Šveitsi piiril Genfist vahetult loodes Genfi järve ja Juura mägede vahel. Tunnel ületab riigipiiri neljas kohas. Suurem osa sellest paikneb Prantsusmaal. Tunneli geograafilised koordinaadid on .
LEP-i jaoks rajatud tunnel on 26 659 meetri pikkune. See 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.
Planeerimine ja käivitamine.
Suure leptonite kiirendi ehitamine kiideti ametlikult heaks 22. mail 1981. Prantsusmaa president François Mitterrand ja Šveitsi president Pierre Aubert panid rajatisele nurgakivi 13. septembril 1983. Tunneli kaevamisega jõuti lõpule 8. veebruaril 1988. Tunneli otsad said kokku vaid ühesentimeetrise nihkega.
Samas paigas tegutses juba 1959. aastast prootonisünkrotron, 1972. aastast lineaarkiirendi Linac 2 ja 1976. aastast superprootonisünkrotron. Need võeti eelkiirenditena kasutusele ka leptonipõrgutis ja hiljem suures hadronipõrgutis.
Eksperimendid planeeriti kahes etapis. Esialgu keskenduti Z-bosonite tekitamisele ja nende lagunemise uurimisele ning kasutati osakeste kiirendamiseks tollal kättesaadavaid vasest õõsresonaatoreid. Teise faasi käivitamiseks oodati ära uute ülijuhtivate nioobiumresonaatorite valmimine. Nende kasutuselevõtt võimaldas osakeste energiat kuni rohkem kui kaks korda suurendada.
Põrguti käivitati 14. juulil 1989. Esimese põrke registreeris 13. augustil 1989 OPAL; peagi asusid põrkeid registreerima ka teised detektorid. Kui LEP 13. novembril 1989 ametlikult avati, oli katsetulemustest juba selgunud, et eksisteerib täpselt kolm põlvkonda leptoneid.
LEP lülitati lõplikult välja 2. novembril 2000. Seejärel see lammutati ja rajati samasse tunnelisse suur hadronipõrguti.
Kiirendi ehitus.
Kiirendi asus 3,8-meetrise läbimõõduga tunnelis.
Kiirenditoru koosnes kaheksast kaarekujulisest ja kaheksast sirgjoonelisest elemendist. Sirgjoonelises osas toimusid muu hulgas eksperimendid ja osakeste kiirendamine õõsresonaatorites.
Kasutusel oli umbes 3400 dipoolmagnetit, 800 kvadrupoolmagnetit, 500 kuue poolusega magnetit ja üle 600 orbiiti korrigeeriva magneti.
Eksperimendid.
Kiirendis suunati kokkupõrkele vastassuundades valguse kiiruse lähedase kiirusega liikuvate elektronide ja positronide kimbud. Kokku põrganud elektroni ja positroni annihileerumisel vabanenud energiast tekkis mitmesuguseid uusi osakesi, mis registreeriti detektorite abil.
Elektrone emiteeriti elektronikahuri kuumutatud hõõgniidist. Neid kiirendati lineaarkiirendis, kus nende teele asetati volframplaat, millega põrkudes tekkinud suure sagedusega footonitest (gammakiirgus) sündisid omakorda elektroni-positroni paarid. Positronid suunati piki lineaarkiirendit edasi, sealt sünkrotroni ja seejärel elektronide-positronide kogujasse. Et elektronil ja positronil on võrdsed massid ja vastasmärgiga laengud, saab neid kiirendada samas magnetväljas eri suundades.
Osakesi kiirendati mitmes eelkiirendis. Kui need saavutasid maksimaalse energia, juhiti alumiiniumist torudes vaakumis liikuvad elektronid ja positronid neljas põrkekohas omavahel kokku. Sekundis toimus igas põrkekohas 22 miljonit põrget.
Osakeste suunamiseks ja fokuseerimiseks kasutati kokku 5176 elektromagnetit. Osakesi kiirendati raadiosageduslikus elektromagnetväljas kahes sektsioonis asuvate õõsresonaatorite abil. Esialgu oli kasutusel 128 õõsresonaatorit, millega saavutati energia 91 GeV, mis oli piisavalt suur selleks, et saaksid tekkida Z-bosonid. Sellel energiatasemel toodeti seitsme aastaga umbes 17 miljonit Z-bosonit. Aastal 1995 lisati 288 ülijuhtiva nioobiumpinnaga õõsresonaatorit, et oleks võimalik tekitada ka W-bosonite paare. Maksimaalne põrkeenergia 209 GeV saavutati 2000. aastaks. Aastatel 1996–2000 toodeti umbes 80 000 W-bosonit.
Katsetest saadi andmeid, mis aitasid paremini mõista elektronõrka vastasmõju. Katsetulemused kinnitasid muu hulgas asjaolu, et aineosakesed eksisteerivad täpselt kolme põlvkonnana, nagu Standardmudel ette näeb. See sai kinnituse Z-bosoni energiajaotuse kõveraid analüüsides.
Detektorid.
Osakeste tuvastamiseks kasutati nelja universaalset detektorit:
Detektorid olid enam-vähem sama tööpõhimõttega ja sarnase konstruktsiooniga. Need on kontsentrilistest kihtidest koosnevad massiivsed kogumisseadmed, mis on paigaldatud osakeste põrkekohtadesse ja mis tuvastavad põrkel tekkinud osakesi ja nende lagunemissaadusi. Suurem osa tekkivatest osakestest on väga lühikese elueaga ja laguneb väga lühikese aja jooksul millekski stabiilsemaks.
Detektori sisemise osa moodustab enamasti träkker, mis valmistatakse tavaliselt ränist. Träkkeris registreeritakse laetud osakeste trajektoor ning osakeste kõrvalekaldumise järgi magnetväljas saab leida nende elektrilaengu ja impulsi. Samuti tuvastatakse osakesed, mis lähtuvad mujalt kui algsest põrkekohast (on lühiealiste osakeste lagunemisproduktid). Osakese kogu trajektoori otseselt ei "näe"; et osakese kulgu võimalikult vähe häirida, registreeritakse vaid tema asukoht täpselt nii paljudes punktides, kui on tarvilik trajektoori kindlaks määramiseks.
Järgmise kihi moodustab tavaliselt elektromagnetiline kalorimeeter, mis salvestab elektronide (positronide) ja footonite energia. Seda ümbritseb hadronikalorimeeter, mis salvestab hadronite energia. Seda omakorda ümbritseb müüonite detektor. Elektromagnetvälja tekitavad detektoreid ümbritsevad võimsad elektromagnetid.