11
Large Hadron Collider De la Wikipedia, enciclopedia liberă Harta LHC Large Hadron Collider (engleză pentru „Mare Accelerator de Hadroni ”; pe scurt LHC) este un accelerator de particule , construit la Centrul European de Cercetări Nucleare CERN , între Munții Alpi și Munții Jura , lângă Geneva . Construcția a fost finalizată în mai 2008 și a costat peste trei miliarde de lire sterline. Are o formă de cerc cu circumferința de 27 km, situat la 100 m sub pământ. LHC este considerat cel mai performant accelerator de particule din lume. Scopul LHC este de a explora validitatea și limitările Modelului Standard , modelul teoretic de bază din domeniul fizicii particulelor. Teoretic, acceleratorul ar trebui să confirme existența bosonului Higgs , acoperind elemente lipsă ale Modelului Standard și explicând felul în care particulele elementare capătă anumite proprietăți, cum ar fi masa . Acceleratorul a fost pus în funcțiune la 10 septembrie 2008 . A fost construit în colaborare cu peste opt sute de fizicieni din peste optzeci și cinci de țări precum și în parteneriat cu sute de universități și laboratoare importante. După greutăți tehnice importante a fost repus în funcțiune în noiembrie 2009. Deși în mass-media au fost exprimate unele temeri referitoare la siguranța experimentului, în comunitatea științifică există un consens despre coliziunile de particule efectuate de LHC, în sensul că ele nu prezintă niciun pericol pentru om/omenire. Cuprins

Large Hadron Collider

Embed Size (px)

DESCRIPTION

txt

Citation preview

Large Hadron ColliderDe la Wikipedia, enciclopedia liber

Harta LHCLarge Hadron Collider(englez pentru Mare Accelerator deHadroni; pe scurt LHC) este unaccelerator de particule, construit la Centrul European de Cercetri NucleareCERN, ntreMunii AlpiiMunii Jura, lngGeneva. Construcia a fost finalizat nmai2008i a costat peste trei miliarde de lire sterline. Are o form de cerc cu circumferina de 27km, situat la 100m sub pmnt. LHC este considerat cel mai performant accelerator de particule din lume. Scopul LHC este de a explora validitatea i limitrileModelului Standard, modelul teoretic de baz din domeniul fizicii particulelor. Teoretic, acceleratorul ar trebui s confirme existenabosonului Higgs, acoperind elemente lips ale Modelului Standard i explicnd felul n care particulele elementare capt anumite proprieti, cum ar fimasa.Acceleratorul a fost pus n funciune la10 septembrie2008. A fost construit n colaborare cu peste opt sute de fizicieni din peste optzeci i cinci de ri precum i n parteneriat cu sute de universiti i laboratoare importante. Dup greuti tehnice importante a fost repus n funciune n noiembrie 2009.Dei nmass-mediaau fost exprimate unele temeri referitoare la sigurana experimentului, n comunitatea tiinific exist un consens despre coliziunile de particule efectuate de LHC, n sensul c ele nu prezint niciun pericol pentru om/omenire.Cuprins[ascunde] 1Proiectarea 1.1Detectoare 2Scop 2.1Colider de ioni 3Decursul testelor 4Propunere de upgrade 5Costuri 6Resursele de putere de calcul 7Securitatea coliziunilor de particule 8Probleme operaionale 9Accidente n construcie i ntrzieri 10n cultura popular 11Note 12Legturi externeProiectarea[modificare|modificare surs]LHC este cel mai mareaccelerator de particuledin lume, i cel care atinge cele mai mari energii.[1][2]Coliderul se afl ntr-un tunel circular, cu o circumferin de 27km, aflat la o adncime ntre 50175m sub pmnt.Tunelul, nvelit ntr-un strat de 3,8mgrosime de beton, construit ntre 1983 i 1988, a fost folosit anterior ca gazd pentruLarge Electron-Positron Collider.[3]El trece grania dintreElveiaiFranan patru puncte, o parte mai mare din el aflndu-se pe teritoriul Franei. Cldirile de la suprafa adpostesc echipamente auxiliare, cum ar fi compresoare, echipamente de ventilaie, electronica de control i uzine de refrigerare.Tunelul e compus din dou evi inelare adiacente separate care se intersecteaz n patru puncte, fiecare eav coninnd o conduct deprotoni. Acetia se deplaseaz n tunel n direcii contrare. Aproximativ 1.232dipoli magneticipstreaz fluxurile pe calea lor circular, i 392cuadripoli magneticisunt utilizai pentru a pstra fluxurile focalizate, pentru a maximiza ansele de interaciune ntre particule n cele patru puncte de intersecie a celor dou fluxuri. n total sunt instalai peste 1.600magnei supraconductori, majoritatea cntrind peste 27tone. Pentru a pstra magneii la temperatura lor de operare de 1,9Ksunt necesare aproximativ 96tone deheliu lichid, fcnd din LHC cea mai mare uzincriogenicla temperatura heliului lichid.

Cuadripoli electromagnetici superconductori folosii pentru a ndrepta fluxurile de protoni ctre patru puncte de intersecie, unde au loc interaciunile dintre protoni.O dat sau de dou ori pe zi, n timp ce protonii sunt accelerai de la 450GeVpn la cel mult 7TeV, cmpurile magnetice ale dipolilor electromagnetici supraconductori sunt mrite de la 0,54 la 8,3tesla (T). Protonii pot ajunge fiecare pn la o energie de 7TeV, energia total de coliziune ajungnd astfel pn la 14TeV (2,2J). La acest nivel de energie protonii au unfactor Lorentzde aproximativ 7.500 i se deplaseaz cu viteze de 99,999999% dinviteza luminii. Dureaz mai puin de 90sca un proton s efectueze o tur n jurul inelului principal viteza sa unghiular putnd atinge 11.000revoluii pe secund. Fluxurile nu sunt continue, protonii fiind adunai n 2.808grupuri sau pachete, astfel nct interaciunile ntre dou fluxuri s aib loc la intervale discrete niciodat mai scurte de 25ns. Totui, operarea se face cu mai puine grupuri dect era iniial stabilit, intervalul ntre grupurile de protoni fiind de cel puin 75ns.[4]nainte de a fi injectate n acceleratorul principal, particulele sunt pregtite de o serie de sisteme care le mresc succesiv energia. Primul sistem esteacceleratorul liniar de particuleLINAC 2care genereaz protoni de 50MeV, accelerator care alimenteazProton Synchrotron Booster(PSB). Acolo, protonii sunt accelerai pn la energii de 1,4GeV i injectai nSincrotronul de Protoni(nenglezProton Synchrotron, PS), unde sunt accelerai pn la 26GeV. n cele din urmSuper Sincrotronul de Protoni(nenglezSuper Proton Synchrotron, SPS) este utilizat pentru a crete energia protonilor pn la 450GeV nainte de a fi n final injectai (timp de 20 de minute) n inelul principal. Aici grupurile de protoni sunt acumulate, accelerate (pe o perioad de 20minute) pn la energia lor maxim, de 7TeV, i n cele din urm sunt stocai (pstrai n aceast stare) timp de 1024ore, timp n care au loc coliziunile n cele patru puncte de intersecie.[5]LHC va fi folosit i pentru a ciocniionigrei deplumb(Pb) cu o energie de coliziune de 1.150TeV. Ionii de Pb vor fi accelerai de acceleratorul liniarLINAC 3, iarInelul Injector de energie joas(nenglezLow-Energy Injector Ring, LEIR) va fi folosit ca unitate de stocare i rcire a ionilor. Ionii vor fi apoi accelerai de ctre PS i SPS nainte de a fi injectai n inelul LHC, unde vor atinge o energie de 2,76TeV penucleon.Detectoare[modificare|modificare surs]

Instalarea detectoarelorCMSla LHC.LHC dispune de ase detectoare; acestea se afl sub pmnt, n excavaii din dreptul punctelor de intersecie ale sale. Dou dintre ele,Experimentul ATLASiCompact Muon Solenoid(CMS), suntdetectoare de particulemari i au roluri generice.[2]A Large Ion Collider Experiment(ALICE) iLHCbau roluri mai specifice, iar ultimele dou,TOTEMiLHCf, sunt mult mai mici i sunt folosite pentru cercetri foarte specializate. SumarulBBCal principalelor detectoare este dup cum urmeaz:[6] ATLAS unul dintre cele dou detectoare generice. ATLAS va fi folosit pentru a cuta semne pentru gsirea de informaii noi, inclusiv originile masei sau dimensiuni superioare. CMS cellalt detector generic, ca i ATLAS, caut bosonul Higgs i alte indicii cu privire la naturamateriei ntunecate. ALICE studiaz starea de agregare a materiei numitplasm quark-gluon, care a existat la scurt timp dupBig Bang. LHCb La Big Bang au fost create cantiti egale de materie iantimaterie. LHCb va ncerca s investigheze ce s-a ntmplat cu antimateria acum disprut.Scop[modificare|modificare surs]

Odiagram Feynmana felului n care ar putea fi produsbosonul Higgsla LHC. Aici, douquarkuri emit fiecare unboson W sau Z, care se combin pentru a obine un boson Higgs neutru.

Simulare a unui eveniment din detectorul CMS, cu apariiabosonului Higgs.n timpul funciunii, aproximativ apte mii de oameni de tiin din optzeci de ri vor avea acces la LHC. Teoretic, coliderul va producebosoni Higgs, ultima particul nc neobservat dintre cele prevzute teoretic deModelul Standard. Verificarea existenei bosonului Higgs va aduce lumin asupra mecanismuluiruperii simetriei electroslabe, prin care se consider c particulele Modelului Standard captmas. n plus fa de bosonul Higgs, la LHC ar putea fi produse i alte noi particule prezise de diverseextensiii ale Modelului Standard. n generalfizicieniisper c LHC i va ajuta s gseasc rspunsul la urmtoarele ntrebri: Oaremecanismul Higgsde generare a maselorparticulelor elementaredinModelul Standardeste cu adevrat aplicat n natur?[7]Dac e aa, cte feluri de bosoni Higgs exist, i care sunt masele lor? Electromagnetismul,fora nuclear tareifora nuclear slabsunt oare doar manifestri diferite ale unei singure fore unificate, dup cum prezic multiplele teorii ale unificrii? De ce estegravitaiacu attea ordine de mrime mai slab dect celelalte trei interaciuni fundamentale? Exist n natursupersimetrie, adic au particulele din Modelul Standard cte unpartener supersimetric? Msurrile mai precise ale maselor i aledezagregrilorquarkurilorvor continua s mai fie reciproc consistente n Modelul Standard? De ce pare c exist violri ale simetriei ntre materie i antimaterie? Care este naturamateriei ntunecatei aenergiei ntunecate? Existdimensiuni superioare,[8]dup cum prezic diferitele modele inspirate dinteoria corzilor, i pot fi detectate?Dintre descoperirile posibile pe care le-ar putea face LHC, doar descoperirea particulei Higgs este relativ necontroversat, dar nici aceasta nu este sigur.Stephen Hawkinga spus ntr-un interviu acordat BBC-ului: Cred c va fi mult mai interesant dac nu gsim Higgsul. Aceasta va arta c am greit undeva, i c trebuie s regndim. Am pus un pariu pe o sut de dolari c nu gsim Higgsul. n acelai interviu, Hawking aduce n discuie posibilitatea gsirii de superparteneri i adaug c Orice ar gsi sau nu ar gsi LHC, rezultatele ne vor spune multe despre structura universului.[9]Colider de ioni[modificare|modificare surs]Programul de LHC se bazeaz mai ales pe coliziuniprotonproton. Totui sunt incluse n program i perioade de rulare mai scurte, de regul o lun pe an, cu coliziuni de ioni grei. Dei i ionii mai uori sunt luai n considerare, scopul principal al acestor perioade de rulare l reprezint ionii de plumb.[10]Aceasta va permite un progres al programului experimental care se desfoar laRelativistic Heavy Ion Collider(RHIC). Scopul programului cu ioni grei este observarea unei stri a materiei numitplasm quark-gluon, care caracteriza etapa iniial a existenei Universului, imediat dup Big Bang.Decursul testelor[modificare|modificare surs]Dup punerea n funciune a supercoliderului, oamenii de tiin de la CERN estimeaz c dac Modelul Standard este corect, atunci la fiecare cteva ore va fi produs cte un boson Higgs. n acest ritm ar putea dura aproximativ trei ani pn se vor aduna suficiente statistici pentru a dovedi cu certitudine existena bosonului Higgs. Similar, ar dura un an sau mai mult pn cnd vor fi adunate destule rezultate privind particulele supersimetrice pentru a trage concluzii n privina acestora.[1]Primul flux de protoni a circulat prin colider n dimineaa zilei de 10 septembrie 2008.[11]CERN a reuit trimiterea protonilor prin tunel n etape de cte trei kilometri. Particulele au fost trimise n sens orar n accelerator i au efectuat primul nconjur complet la ora 10:28 ora local.[12]LHC a ncheiat cu succes primul su test major: dup o serie de rulri de test, dou puncte albe au aprut pe ecranul unui monitor, artnd c protonii au traversat toat lungimea coliderului. Ghidarea particulelor pe parcursul de inaugurare a durat mai puin de o or.[13]CERN a trimis apoi un flux de protoni n sens trigonometric, ceea ce a durat puin mai mult, o or i jumtate, din cauza unei probleme cu criogenia, turul complet fiind ncheiat la ora 14:59.S-a ateaptat ca primele coliziuni de protoni cu energii mari s aib loc la 6-8 sptmni dup intrarea n funciune a LHC la 10 septembrie 2008. n anul 2008, ns, LHC a operat la o energie redus, de doar 10 TeV. Perioada de oprire de iarn (spre sfritul lui noiembrie) a fost folosit pentru antrenarea[14]magneilor superconductor, astfel nct rularea din 2009 s nceap la energia maxim proiectat de 14 TeV,[4]ceeace ns nc nu a reuit.Dup reluarea n funciune n noiembrie 2009, nu dup mult timp, accelerarea maxim a protonilor a atins nivelul de 1,18 TeV, un nou "record mondial".Desigur c atingerea maximei teoretice de 2 x 7 TeV = 14 TeV i a frecvenei ciocnirilor de 600MHz va avea nevoie de nc mult timp i eforturi. Se apreciaz c aceasta se va ntmpla dup pauza prevzut n anul 2012.La 30 martie 2010 s-a anunat reuita primelor experimente de coliziuni a dou jeturi de protoni cu energia de cte 3,5 TeV pe particul pe sens, n total deci 7 TeV, cu o frecven de ciocniri de circa 100Hz, iar la 21 aprilie 2010 s-a publicat reuita primei reconstrucii a unui mezon B, tot la aceast energie.Toate experimentele de pn acum arat c acceleratorul i instrumentele sale de msur funcioneaz acum extrem de precis. La LHC s-au "redescoperit" i confirmat deja aproape toate fenomenele deja cunoscute de la ali acceleratori, nu aa de puternici (de ex. existena perechilor quark-antiquark, mezonului, pionului, kaonului, baryonilor, bozonul W i altele).n martie 2011 s-a relatat c folosirea LHC-ului la nivelul de 3,5 TeV pe sens va fi prelungit cu un an, pn la sfritul lui 2012. Abia dup aceea se vor face modificrile necesare pentru atingerea energiei maxime prevzute de 7 TeV pe sens. Pentru aceste modificri acceleratorul va trebui oprit din funcionare pentru o durat de circa un an.Propunere de upgrade[modificare|modificare surs]

DetectorulCMSde la LHCDup civa ani de funcionare, orice experiment defizica particulelorncepe s sufere o degradare a rezultatelor; n fiecare an de funcionare se descoper mai puin dect n anul anterior. Calea de a evita aceast degradare este upgrade-ul echipamentului, fie pentru mrirea energiei, fie pentru mrirea luminozitii. S-a propus s se fac un upgrade al luminozitii LHC, numitSuper LHC,[15]dup zece ani de funcionare a LHC. Calea optic pentru un upgrade de luminozitate pentru LHC cuprinde o mrire a curentului de protonu (numrul de protoni din flux) i modificarea celor dou regiuni de interaciune de mare luminozitate, ATLAS i CMS. Pentru a realiza aceste creteri, energia fluxurilor la punctul n care sunt injectate n (Super) LHC ar trebui s fie i ea mrit la 1TeV. Aceasta va impune un upgrade al ntregului sistem pre-injector, modificrile necesare dinSuper Proton Synchrotronfiind cele mai costisitoare.Costuri[modificare|modificare surs]Costul total al proiectului se ateapt a fi 3,26,4 miliarde de.[2]Construciei LHC i-a fost aprobat n 1995 un buget de 2,6miliarde defranci elveieni(1,6miliarde euro), cu nc 210milioane de franci (140milioane de euro) reprezentnd costul experimentelor. Totui, depirile de buget, estimate n 2001 la aproximativ 480milioane franci (300milioane de euro) pentru accelerator, i 50milioane de franci (30milioane de euro) pentru experimente, mpreun cu o reducere a bugetului CERN, a mpins data terminrii din 2005 pn n aprilie 2007.[16]Magneii superconductori au fost responsabili pentru o cretere a costurilor de 180 milioane de franci (120milioane de euro). Au aprut i alte dificulti n construcia locaului subteran pentruCompact Muon Solenoid, n parte din cauza unor componente defecte mprumutate de CERN de la laboratoareleArgonne National LaboratoryiFermilab.[17]David King, fostul director tiinific din partea Regatului Unit, a criticat LHC pentru c a primit prioritate mai mare la fonduri dect rezolvarea principalelor probleme ale Pmntului, n principal schimbrile climatice, dar i creterea demografic i srcia din Africa.[18]Resursele de putere de calcul[modificare|modificare surs]Reeaua de calculatoareLHC Computing Grideste construit pentru a manevra cantitile masive de date produse de Large Hadron Collider. Aceasta incorporeaz att legturi private prin cablu de fibr optic, ct i poriuni de mare vitez aleInternetuluipublic, permind legtura de date cu instituii academice din toat lumea.Proiectul decalcul distribuitLHC@homea fost demarat cu scopul de a ajuta la construcia i calibrarea LHC. Proiectul utilizeaz platformaBOINCpentru a simula felul n care particulele cltoresc prin tunel. Cu aceast informaie, oamenii de tiin pot determina cum s calibreze magneii pentru a obine cea mai stabil orbit a fluxurilor de protoni din inel.Securitatea coliziunilor de particule[modificare|modificare surs]Experimentele ce vor fi rulate la Large Hadron Collider au declanat temeri n rndul populaiei c ciocnirile de particule ar putea crea i fenomene periculoase, cum ar figuri negre microscopiceimaterie straniecare ar pune n pericol Pmntul.[19][20]Dou analize de siguran cerute de CERN au examinat aceste temeri i au concluzionat c experimentele de la LHC nu prezint niciun pericol i c nu exist niciun motiv de ngrijorare,[21][22][23]o concluzie susinut i deAmerican Physical Society, a doua organizaie de fizicieni din lume ca numr de membri.[24]Probleme operaionale[modificare|modificare surs]Dimensiunile LHC cer o ambiie inginereasc excepional de a rezolva problemele operaionale unice datorate energiilor uriae stocate n magnei i n fluxurile de protoni.[5][25]n timpul funcionrii, energia total stocat n magneii superconductori este de ordinul a 10 GJ(echivalent cu 2,4tdeTNT), iar energia total transportat de cele dou fluxuri atinge 724 MJ (aproximativ jumtate din energia descrcat printr-unfulger).[26]Pierderea unei zecimi de milionimi din energia fluxului (1 / 107) este de ajuns pentru a supranclzi un magnet superconductor, iar sistemele de absorbie a fluxului trebuie s absoarb 362MJ pentru fiecare din cele dou fluxuri, o energie echivalent cu arderea a opt kilograme de petrol. Aceste energii imense sunt i mai impresionante dac se ia n consideraie i ct de puin materie le transport: n condiii normale de funcionare (2.808 grupuri pe flux, coninnd 1,151011protoni pe grup), evile conin numai 1,0109grame de hidrogen, care, ncondiii normale de presiune i temperatur, ar umple volumul unui grunte de nisip fin.Accidente n construcie i ntrzieri[modificare|modificare surs]