Wielki Zderzacz Hadronów i pytania o wszechświat

CERN

Kolizje

Jak już wiemy, w LHC będą zderzane cząstki, a wyniki kolizji będą obserwowane przez naukowców. Wielokrotnie słyszeliśmy też, że hadrony będą przyspieszane do prędkości bliskich prędkości światła. Musimy pamiętać, że, zgodnie z obecnym stanem wiedzy, żadna cząstka nie może się poruszać szybciej niż wynosi prędkość światła w próżni (299 792 458 m/s). Jednak w akceleratorach wysokich energii, a takim akceleratorem jest Wielki Zderzacz Hadronów, cząstki poruszają się bardzo blisko prędkości światła. Zmiany ich prędkości są stosunkowo niewielkie. Trudno więc byłoby precyzyjnie o nich mówić. Jednak istnieje rozwiązanie tego problemu. Otóż cząstki te mogą znacząco zwiększać swoją energię. Dlatego też fizycy zamiast o prędkości cząstek mówią o ich energii. I tak na przykład cząstki trafią do LHC gdy osiągną prędkość 0,999997828 prędkości światła, a ich energia będzie wówczas równa 450 GeV (gigaelektronowoltów). Do zderzenia dojdzie, gdy osiągną prędkość 0,999999991 prędkości światła, a ich energia będzie równa 7000 GeV.

Protony uzyskiwane z atomów wodoru rozpoczną swoją drogę w akceleratorze Linac 2, w którym uzyskają energię 50 MeV. Następnie trafią do urządzenia, które przyspieszy je do 1,4GeV, a stamtąd do synchrotronu protonowego, gdzie ich energia zostanie zwiększona do 25 GeV. Później ich droga będzie wiodła przez supersynchrontron protonowy, dzięki któremu cząstki trafią do LHC mając energię 450 GeV. W głównym akceleratorze w ciągu 20 minut zostaną przyspieszone do 7 TeV i rozpoczną się zderzenia. Każda wiązka będzie składała się z 2808 paczek, a w każdej z nich znajdzie się 1,1x1011 protonów. Pojedyncza paczka, znajdująca się daleko od punktu zderzenia, będzie miała długość kilku centymetrów i szerokość jednego milimetra. Jednak gdy zbliży się do miejsca, gdzie ma się zderzyć, jej szerokość zostanie zmniejszona do 16 mikrometrów (trzykrotnie mniej niż grubość ludzkiego włosa) po to, by, poprzez zmniejszenie odległości pomiędzy protonami zwiększyć prawdopodobieństwo zderzenia protonu z protonem. Mimo to jest ono niezwykle małe.

Jak już wspomnieliśmy, każda z wiązek będzie składała się około 2808 paczek po 100 miliardów protonów każda. Gdy pędzące naprzeciwko siebie paczki będą się mijały, wśród 200 miliardów mijających się cząstek dojdzie do zaledwie 20 zderzeń. Wiązka poruszając się niemal z prędkością światła w ciągu jednej sekundy okrąży LHC 11 245 razy. Z równania 2808 x 11245 wynika, że paczki miną się niemal 31,6 miliona razy, tak więc w ciągu jednej sekundy będzie dochodziło do około 600 milionów zderzeń, z czego naprawdę interesujących będzie około 100. Będą miały one miejsce w czterech punktach, w których znajdują się cztery główne instrumenty naukowe. Pojedyncza wiązka może krążyć w LHC nawet przez 10 godzin, przebywając w tym czasie ponad 10 miliardów kilometrów.

Oprócz protonów w LHC będą przyspieszane też jony ołowiu. Są one uzyskiwane z wysoko oczyszczonego ołowiu podgrzanego do temperatury 550 stopni Celsjusza. Opary ołowiu są jonizowane przez prąd elektryczny i powstają jony Pb29+. Najpierw są one przyspieszane do 4,2 MeV/u (energia przez nukleon) i przepuszczane przez specjalny filtr węglowy, dzięki któremu powstają jony Pb54+. Te są przyspieszane do 72 MeV/u przez urządzenie LEIR (Low Energy Ion Ring) i wysyłane do synchrotronu protonowego, gdzie ich energia zwiększa się do 5,9 GeV. Następnie, po przejściu przez kolejny filtr jony Pb82+ trafiają do supersynchrotronu protonowego, a stamtąd, gdy ich prędkość wzrośnie do 177 GeV/u wędrują do LHC, gdzie są przyspieszane do 2,76 TeV/u.

Gdy zderzą się dwa protony, których energia wynosi 7 TeV energia zderzenia wyniesie 14 TeV. Jeszcze lepszy wynik uzyskamy ze zderzenia jonów ołowiu, z których każdy ma wiele protonów. W tym wypadku możemy spodziewać się energii zderzenia rzędu 1150 TeV. Dotychczas w żadnym z laboratoriów nie uzyskano tak wysokich energii ani dla protonów, ani dla jonów ołowiu. Tym, co czyni te zderzenia tak wyjątkowymi, jest koncentracja energii na niezwykle małej przestrzeni. Jak czytamy w dokumentach CERN-u, energia 1 TeV to mniej więcej energia zużywana przez lecącego komara. Nie jest to więc wartość imponująca. Jednak dzięki skupieniu jej na małym obszarze otrzymujemy imponujący wynik - temperatura powstająca podczas zderzenia jonów ołowiu jest 100 000 razy wyższa, niż temperatura wnętrza Słońca. Tak więc LHC będzie jednocześnie najzimniejszym i najgorętszym miejscem na Ziemi. Dzięki niezwykle wysokim temperaturom powstanie pierwotna "zupa" kwarkowo-gluonowa i uczeni będą w stanie zbadać jej właściwości.

Jak to wszystko zmierzyć?

Jak już wspominaliśmy, do zderzeń będzie dochodziło w czterech miejscach, w których znajdują się instrumenty badawcze dla czterech dużych eksperymentów. Te eksperymenty i instrumenty to ALICE (A Large Ion Collider Experiment), ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS), CMS (the Compact Muon Solenoid), LHCb (the Large Hadron Collider beauty). Dodatkowo przy detektorze ATLAS ustawiono mniejszy detektor LHCf (the Large Hadron Collider forward) a przy CMS znajduje się TOTEM (the TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement).

ALICE to detektor wyspecjalizowany w badaniu kolizji jonów ołowiu. Jego zadaniem będzie badanie właściwości plazmy kwarkowo-gluonowej. ALICE waży 10 000 ton, a jego wymiary to 26x16x16 (długość x wysokość x szerokość) metrów. W pracach nad nim bierze udział ponad 1500 naukowców ze 104 instytucji i 31 krajów, w tym Polacy.

ATLAS jest detektorem ogólnego przeznaczenia, który będzie prowadził najszerzej zakrojone badania w LHC. To właśnie on ma szukać bozonów Higgsa, dowodów na istnienie supersymetrii i dodatkowych wymiarów. Ten potwór o wymiarach 46x25x25 metrów waży 7000 ton. Współpracuje przy nim ponad 1900 osób ze 164 instytucji i 35 krajów, wśród których nie zabrakło też Polski.

1 2 3

Wielki Zderzacz Hadronów LHC akcelerator cząstek CERN ALICE CMS ATLAS LHCb LHCf TOTEM bozon Higgsa boska cząsteczka