|
LHC zmieni nasze postrzeganie Wszechświata. Wyjątkowe urządzenie LHC (Large Hadron Collider -Wielki Zderzacz Hadronów) jest akceleratorem cząsteczek budowanym przez CERN (European Organization for Nuclear Research) - największe na świecie fizyczne laboratorium. Kiedy w 2007 roku budowa zostanie zakończona, LHC będzie najpotężniejszym instrumentem kiedykolwiek zbudowanym w celu zbadania właściwości cząstek. LHC montoway jest w tunelu, w którym przedtem był LEP (przeciwbieżny akcelerator wiązek elektonów i pozytonów) należącym do CERNu. Usytuowany będzie w 27km tunelu, na głębokości 100 metrów. Będzie przyśpieszać dwie oddzielne wiązki protonów do energii 7 TeV, i sprowadzi je na kurs "kolizyjny". W wyniku zderzenia, energia protonów wzroście dwukrotnie. LHC jednak nie będzie ograniczony do poznawania zderzeń pomiędzy dwoma wiązkami protonów, będzie mógł również przeprowadzić zderzenia ciężkich jonów np. ołowiu, które dadzą energię 1148TeV  Wygląd LHC Przed dostarczeniem do LHC, strumień protonów będzie przygotowany w istniejącym już, należącym do CERN, "kompleksie akceleratorów" . Jest to szereg urządzeń, które dostarczą strumieniowi dodatkową porcję energii.  Kompleks akceleratorów CERN By zakrzywić trajektorię wiązki posiadającej energię 7eV, LHC posiada dipole zdolne do wytworzenia pola magnetycznego o wartości 8.36 Tesli, wartość ta możliwa jest dzięki nadprzewodnictwu. Jest to zdolność kilku materiałów, zwykle w bardzo niskich temperaturach, by przewodzić prąd elektryczny bez oporu ani strat mocy, przy jednoczesnym wytwarzaniu silnego pola magnetycznego. LHC będzie działać w temperaturze o 300st C mniejszej od pokojowej (zimniej niż w Kosmosie), by umożliwić użycie najbardziej zaawansowanych nadprzewodzących magnesów oraz technologi wcześniej nie użytej w akceleratorach. 1,296 nadprzewodzących dipoli i więcej niż 2,500 magnesów poprowadzi oraz zderzy w LHC strumienie cząstek. W konstrukcji znajdą się różne typy magnesów - od zwyczajnych, dwubiegowych magnesów, aż po duże, nadprzewodzące, ogniskowe, czterobiegunowe magnesy. LHC będzie największą nadprzewodnikową instalacją na świecie. Dlaczego potrzebujemy LHC? Gdyż nasza wiedza o Wszechświecie jest niepełna. Teorie i odkrycia tysięcy fizyków przez ponad wiek stworzyły niepowtarzalny obraz fundamentalnej struktury materii, zwanej Standardowym Modelem Cząsteczek i Sił. Model ten, jest uważany za dobrze przetestowaną teorię, używaną do wyjaśnienia i dokładnego przewidzenie ogromnej ilości zjawisk. Bardzo dokładne eksperymenty dowiodły jej poprawności. Jednak naukowcy wiedzą, że nie jest to koniec historii, gdyż wciąż pozostało wiele pytań bez odpowiedzi.  Jednym z tych pytań jest powód, dla którego elementarne cząsteczki posiadają masę, oraz dlaczego są od siebie różne, jest najbardziej kłopotliwym. Tak znane pojęcie, a mało zrozumiana. Odpowiedś nie jest prawdopodobnie związana ze Standardowym Modelem, należy jej szukać w idei Higgsa. Zakłada one, że cała przestrzeń wypełniona jest "polem Higgsa", przez oddziaływanie na te pole, cząsteczki nabierają swoją masę. Cząsteczki które silniej oddziałują na pole Higgsa - są cięższe, natomiast te które słabiej wchodzą w reakcję - są lżejsze. Pole Higsa ma co najmniej jedną, nową cząstkę związaną z polem - zwaną "bozon Higgsa". Jeśli taka cząstka istnieje LHC będzie w stanie ją wykryć. Kolejną zagadką jest istnienie czterech, różnych sił. (grawitacyjne, elektromagnetyczne, silne i słabe )W młodym Wszechświecie, dużo gorętszym od obecnego, prawdopodobnie siły te zachowywały się jak jedna. Naukowcy mają nadzieję na znalezienie rozwiązania tego problemu, i już poczynili postęp. Dwie siły, elektromotoryczna i słaba, zostały podporządkowane jednej teorii w 1970 roku, za co została przyznana nagroda Nobla. Natomiast najsłabsza i najsilniejsza siła - grawitacja i silna - pozostają oddzialnie. Popularną ideą stałą się ich unifikacja zwana Supersymetrią. Według Supersymetrii wszystkie znane dziś cząstki elementarne, z których składa się zarówno materia (fermiony), jak i kwanty promieniowania we Wszechświecie (bozony), mają swoje bliśniacze kopie (nie chodzi tu o antymaterię). Jeśli teoria Supersymetri jest prawidłowa, LHC wykryje bliśniacze kopie cząsteczek. Antymateria jest kolejną zagadką , które LHC pozwoli rozwiązać. Dawniej uważąno, że antymateria była perfekcyjnym odbiciem materii - jeśli zastąpisz materię antymaterią i obejrzysz wynik w lustrze, nie będziesz mógł zobaczyć różnicy. Teraz wiemy, że antymateria nie jest perfekcyjnym odbiciem, i to może prowadzić do braku równowagi pomiędzy materią a antymaterią. LHC będzie bardzo dobrym "lustrem antymaterii" co umożliwi poddać standardowy model najcięższym testom dotychczas zrobionym. Są to tylko niektóre pytania, na które LHC powinno znaleść odpowiedś. Jedno jest pewne, LHC zmieni nasze postrzeganie Wszechświata. Praca LHC LHC ma za zadanie przyśpieszenia jednocześnie dwóch strumieni w tym samym czasie. Możnaby stwierdzić że są to dwa urządzenia w jednym. LHC będzie składać się z dwóch "nadprzewodzących magnetycznych tuneli" usytuowanych w tym samym miejscu w jednej "obejmie" - co pozwoli zaoszczędzi ponad 25% w porównaniu z oddzielnymi okręgami. 
Dwa "tory" będą wypełnione protonami dostarczonymi z SPS oraz z jego przed-akceleratora z energią o wartości 0,45 TeV, następnie zostaną przyśpieszone do prędkości niewiele mniejszej od prędkości światła, z energią około 7 TeV.  Strumień protonów to szereg ściśniętych grup protonów zwanych "wiązkami". Każda z dwóch wiązek w LHC będą zawierały 2836 wiązek, każda po 1011 cząsteczek. Gdy zostanie osiągnięta energia rzędu 7TeV, strumienie będą obracać się w przeciwnych kierunkach przez parę godzin. Przez ten czas zrobią setki milionów okrążeń dookoła okręgu. Podczas każdego okrążenia, strumienie będą się zderzały w ściśle określonych miejscach, tam gdzie znajdują się detektory. Po 10 godzinach, strumień zostanie aż tak zredukowany, że będzie musiał opuścić LHC w celu uzupełnienia cząstek. Wyzwania techniczne Ważne parametry Enegia jako powstaje w LHC przy zderzeniu wiązek protonów wynosić będzie 14 TeV, jest to koło 10 razy więcej niż "możliwości" dawnych i obecnych akceleratorów. Jednak sama energia nie jest ważna. By zapewnić "wysoką jakość eksperymentów" tj. spełnienie oczekiwań fizyków, ważny jest również inny czynnik: "Luminacja" Czynnik ten jest wielkością proporcjonalną do ilość zderzeń na sekundę. Przeszłe i obecne akceleratory osiągają luminację około L=1032 cm -2s-1. LHC osiągnie wartość tą na poziomie L = 1034cm-2 s-1 Osiągnięte to zostanie dzięki wypełnieniu dwóch okręgów 2835 gałęziami z 1011 cząsteczki każda. To właśnie niespotykana dotąd wartość energii i luminacji wymaga nowego i dokładnego wykonania maszyny i jej eksploatowania. Niektóre niepożądane czynniki: W ciągu 4 milionów okrążeń, jakie wykonuje strumień cząsteczek wokół okręgu, występuje kilka czynników, które osłabiają strumień i luminację. Efekt strumień-strumień Gdy dwie gałęzie krzyżują się w środku detektora , tylko kilka cząsteczek zderza się czołowo stwarzając pożądane zjawisko. Pozostałe zbaczają z kursu przez oddziaływanie silnego pola elektromagnetycznego sąsiedniej wiązki. Zbaczania z kursu, które są silniejsze dla gęstszych wiązek, narastają za każdym okrążeniem co może doprowadzić do ewentualnego utracenia cząstki. Efekt ten, strumień-strumień, był badany w poprzednich akceleratorach, co doprowadziło do określenia limitu gęstości wiązki, dla którego efekt s-s nie skraca radykalnie długości życia strumienia. By zachować pożądaną luminacje, LHC musi trzymać się jak najbliżej tego limitu. Wspólna niestabilność Podczas podróży strumienia w 27km okręgu LHC przy szybkość bliskiej szybkość światła , każda z 2838 wiązek protonów powoduje zachwianie pola elektromagnetycznego za sobą, co zakłóca ruch wiązek znajdujących się w jej sąsiedztwie, co może doprowadzić do utracenia strumienia. Niestabilność ta może przydarzyć się w LHC, z powodu dużych rozmiarów strumienia, potrzebnego do uzyskana pożądanej wartości luminacji. Efekt ten może być zminimalizowany przez szczegółową kontrolę pola elektromagnetycznego otaczającego strumień , oraz przez zawansowany system pomocy kontroli. Ocieplenie Pomimo wszelkich starań , strumień nie będzie trwać wiecznie, frakcje cząsteczek oderwą się od strumienia i zderzą się z otoczką w której porusza się strumień. W takich zderzeniach, energia zawarta w cząstkach zamienia się w ciepło, co może wytrącić magnez jego zimnego, nadprzewodnikowe ostaniu. Wzrost temperatury któregokolwiek z 5,000 nadprzewodnikowych magnesów naruszy pracę LHC na kilkanaście godzin. By ustrzec się tego, specjalne urządzenie będzie wyłapywał niestabilne cząsteczki przed ich zderzeniem z ścianą, by zderzyły się z dala od któregoś z nadprzewodnikowych elementów miejscach specjalnie wzmocnionych do tego celu. By stworzyć wydajny system kontroli, inżynierowie bezpieczeństwa używają niezwykle zaawansowanych programów komputerowych do przeprowadzenia analiz mechaniczno-magnetyczno-temicznych analiz zmęczeń materiału spowodowanego uderzeniami cząstek. Chaotyczny Ruch Część pola magnetycznego służącego do kierowania i skupiania strumienia może czasami wprawić strumień w ruch chaotyczny, co po paru zmianach kursu może spowodować utratę strumienia. W LHC, największe zakłócenia powstają miejscach gdzie dostarcza się energię strumieniowi, gdyż strumień zajmuje więcej miejsca w cewce połączenia z polem elektrycznym. Jednym ze sposobów na uniknięcie takiej sytuacji jest długoterminowa symulacja ruchu cząsteczek w strumieniu. Rezultaty tych symulacji określają granicę jakości wykonania magnesów. To właśnie w procesie symulacji cząstek w strumieniu możesz pomóc. Dołącz do rywalizacji SixTrack ściągając klienta CERN@home - w ten sposób pomażesz naukowcom z CERN zapobiec powstaniu efektu chaotycznych ruchów. Przygotowywane są cztery duże programy badawcze wykorzystujące LHC o nazwach ATLAS, CMS,ALICE i LHCb. ATLAS i CMS mają głównie służyć do poszukiwania hipotetycznych cząstek Higgsa, których istnienie przewiduje obecnie obowiązujący Model Standardowy. Detektor ALICE będzie służył do badania zderzeń ciężkich jonów, przede wszystkim do badać właściwości plazmy kwarokowo-gluonowej. Detektor LHCb przeznaczony jest do badań kwarków b. Zobacz także: Akceleratory cząsteczek - znaczenie dla nauki oraz Projekt LHC@home Oryginalny tekst: http://athome.web.cern.ch/athome/ Tłumaczenie: Piotr Zalewski Strona grupy: DistributedComputing@Płock |