24
Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea de Inginerie Electrica Acceleratoare de particule Raport Tehnic Craciun Mihai Lucian

TCP Acceleratoare de Particule

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: TCP Acceleratoare de Particule

Universitatea Politehnica BucurestiFacultatea de Inginerie Electrica

Acceleratoare de particuleRaport Tehnic

Craciun Mihai LucianGrupa 114B

Page 2: TCP Acceleratoare de Particule

Rezumat

Primul capitol prezinta o scurta istorie a acceleratoarelor de particule, precum si

principalele tipuri de acceleratoare si particularitatile lor. Acestea sunt: acceleratoare

electrostatice de particule, acceleratoare de campuri oscilante de particule, acceleratoare

liniare de particule, acceleratoare circulare.

In partea a doua sunt este prezentat acceleratorul LHC (Large Hadron Collider), cel

mai mare accelerator de particule la ora actuala. Acesta a fost construit in scopul aflarii

raspunsului la mai multe intrebari din lumea fizicii particulelor, cum ar fi existenta bosonului

Higgs( existenta lui ar explica de ce particulele elementare au masa), natura materiei

intunecate, de ce este gravitatia cu atatea ordine de marime mai slaba decat celelalte

interactiuni fundamentale, existenta supersimetriei, etc.

Page 3: TCP Acceleratoare de Particule

Cuprins1. Introducere.........................................................................................................................................4

1.1 Istoric............................................................................................................................................4

1.2 Masinile cu energie mica..............................................................................................................5

1.3 Mașinile cu energie mare.............................................................................................................5

1.4 Acceleratoare electrostatice de particule.....................................................................................6

1.5 Acceleratoare de campuri oscilante de particule.........................................................................6

1.6 Acceleratoare liniare de particule.................................................................................................6

1.7 Acceleratoare circulare (sau ciclice)............................................................................................7

1.7.1 Ciclotronii..............................................................................................................................8

1.7.2 Sincrociclotronii si izocronusul ciclotron................................................................................8

1.7.3 Acceleratoare FFAG...............................................................................................................9

1.7.4 Betatronul..............................................................................................................................9

2.LHC (Large Hadron Collider)................................................................................................................9

2.1 Generalitati.................................................................................................................................10

2.2 Proiectarea.................................................................................................................................10

2.3 Detectoare..................................................................................................................................12

2.4 Scopul.........................................................................................................................................13

2.5 Costuri........................................................................................................................................14

2.6 Primele teste..............................................................................................................................14

3. Concluzii...........................................................................................................................................16

Page 4: TCP Acceleratoare de Particule

1. Introducere

1.1 IstoricLa începutul secolului XX, ciclotronii erau denumiți în mod normal ca ”spărgător de

atomi”. În ciuda faptului că ciocnirile moderne, de fapt, propulsează particulele subatomice –

atomii înșiși acum sunt relativ simplu de scindat fără a utiliza acceleratorul de particule –

termenul persistă în limbajul cotidian când ne referim la acceleratorul de particule în

general.

Raze de particule cu energie mare sunt folositoare atât pentru cercetările

fundamentale și aplicate în știinte, cât și în multe domenii tehnice și industriale fără legatură

cu cercetările fundamentale. A fost estimat ca sunt aproximativ 26,000 de aceeleratoare în

intreaga lume. Dintre acestea, doar ~ 1% reprezinta masinile de cercetare cu peste 1 GeV,

~44% sunt în domeniul radioterapiei, ~41% pentru implantarea de ioni, ~9% pentru

procesarea și cercetarea industrială, ~4% pentru cercetări biomedicale și alte cercetări cu

cantități mici de energie.

Pentru anchetele de bază în dinamica și structura materiei, spațiului și timpului,

fizicienii caută cele mai simple genuri de interacțiuni la cele mai înalt posibile energii.

Acestea, în mod normal, implică energii ale particulelor de mulți GeV și interacțiuni ale celor

mai simple particule: leptoni (de exemplu: electronii si protonii) si cuarci sau fotoni si gluoni

in campul cuantei. Din moment ce cuarcii izolati sunt indisponibili datorita paletei mici de

culori, cele mai simple experimente disponibile implica interactiunile, in primul rand, a

leptonilor intre ei si ,in al doilea rand, a leptonilor cu nucelonii, care sunt compusi din cuarci

si gluoni. Pentru a studia ciocnirile cuarcilor intre ei, savantii recurg la coliziunile dintre

nucleoni, care la energii mari ar putea fi considerati ca interatiuni intre doua corpuri ale

cuarcilor si gluonilor din care sunt compusi. Astfel, fizicienii au tendinta sa foloseasca masini

care creeaza raze de electroni, protoni, si antiprotoni, care interactionand intre ei sau cu cele

mai simple nuclee (cum ar fi hidrogenul sau deuteriul) la cele mai mari energii posibile,

genereaza sute de GeV sau mai mult. Fizicienii nucleari sau cosmologii pot folosi razele

atomilor nucleici, fara electroni, pentru a investiga structura, interactiunile si proprietatile

Page 5: TCP Acceleratoare de Particule

nucleilor insisi si condensul la temperaturi extreme si densitati asa cum au aparut in primele

momente ale Big Bang-ului. Aceste investigatii implica, adeseori, ciocniri ale nucleilor grei –

ale atomilor ca Fe sau Au – la energii de cativa GeV per nucleon. La energii mici,raze de

nuclei accelerati sunt folositi, de asenemea, in medicina, cum ar fi tratamentul cancerului.

Pe langa faptul ca sunt de interes fundamental, electronii de mare energie ar putea fi

fortati sa emita raze foarte deschise si coerente de fotoni de mare energie – raze ultraviolete

sau raze X – pe calea radiatiei sincrotonului, ale caror fotoni are numeroase utilizari in studiul

structurii atomului, chimie, biologie, tehnologie. Exemplele includ ESRF in Europa, care a fost

recent utilizat pentru a extrage imagini detaliate 3D a insectelor prinse in chihlimbar. Astfel,

este o mare cerere pentru acceleratorul de electron de energii moderate (GeV) si intensitate

mare.

1.2 Masinile cu energie mica

Acceleratoare de energii mici folosesc o singură pereche de electrozi cu un voltaj DC a

câtorva mii de volți între ei. Într-un generator de raze X, sarcina însăși este cea a electrozilor.

Un accelerator de particule numit implementator de ioni este folosit în fabricarea circuitelor

integrate.

1.3 Ma inile cu energie mareșAcceleratorul DC este capabil de a accelera particule la viteze suficiente pentru a

cauza reacții nucleare, cum ar fi generatorul Cockcroft-Walton sau multiplicatorul de voltaj, care transformă voltajul AC în DC, sau generatorul Van de Graaff care folosește electricitatea statică.

Cele mai mari și puternice acceleratoare, cum ar fi RHIC, Large Hadron Collider (LHC)

si Tevatron-ul sunt folosite în fizica particulelor.

Acceleratoarele de particule produc, de asemenea, raze de protoni, care pot produce

izotopi medicali sau de cercetare bogați în protoni, in contradicție cu cele bogate în neutroni

făcuți în reactoarele de fisiune. Totuși, cercetarea recentă a aratat cum se fac 99Mo, de

obicei, făcuți în reactoare, prin izotopi accelerați ai hidrogenului, chiar dacă această metodă

are încă nevoie de un reactor pentru a produce tritium. Un exemplu al acestui tip de

mașinărie este LANSCE, din Los Alamos.

Page 6: TCP Acceleratoare de Particule

1.4 Acceleratoare electrostatice de particuleIstoric vorbind, primele acceleratoare foloseau tehnologia simpla a unui singur mare

voltaj static pentru a accelera particule incarcate. In timp ce aceasta metoda este inca foarte

populara in zilele de astazi, numarul acceleratoarelor electrostatice depasind cu mult orice

alta clasa, ele sunt indreptate catre studiile cu energie mica pana la limita de 30 MV ( cand

acceleratorul este plasat intr-un rezervor). Acelasi mare voltaj poate fi folosit de doua ori in

cascada daca sarcina particulelor poate fi inversata in timp ce sunt in terminal; acest lucru

este posibil cu accelerarea nucleului atomic prin adaugarea , intai, a unui electron sau prin

formarea unui compus chimic cationic (incarcat negativ), iar apoi trecand raza printr-o folie

subtire pentru a indeparta electronii din terminalul de mare voltaj, creand raza incarcata

pozitiv.

Aceasta categorie nu trebuie sa fie confundata cu acceleratoarele liniare, acest

termen referindu-se la acceleratoarele care folosesc campuri electrice oscilante sau ghid de

unde. Astfel, cele mai multe acceleratoare aranjate intr-o linie dreapta nu trebuie numite

„acceleratoare liniare”.

1.5 Acceleratoare de campuri oscilante de particule

Datorita plafonului de mare voltaj impusa de descarcarea electrica, pentru a accelera

particule spre energii mari, tehnici care implica mai mult decat o singura sursa joasa, dar

oscilanta, de mare voltaj. Acesti electrozi pot fi aranjati pentru a accelera particulele intr-o

linie sau un cerc, depinzand daca particulele apartin unui camp magnetic in timp ce sunt

accelerate, provocand tractoriile lor sa se arcuiasca.

1.6 Acceleratoare liniare de particule

Intr-un accelerator liniar(linac), particulele sunt accelerate intr-o linie dreapta cu o

tinta de interes finala. Acestea sunt foarte des folosite. Sunt folosite pentru a da o initiala

energie mica particulelor inainte sa fie introduse intr-un accelerator circular. Cel mai lung

accelerator liniar din lume este SLAC (Stanford Linear Accelerator), avand 3 km lumgime.

Acceleratoarele liniare de energii mari folosesc sisteme liniare de placi ( sau tuburi cu

unda progresiva) la care este aplicat un camp incarcat cu energie alternant. In vreme ce

particulele se apropie de o placa, ele sunt accelerate catre ea de o placa cu polaritate opusa.

Pe cand trec prin gaura din placa, polaritatea este inversata astfel incat placa, acum, nu le

Page 7: TCP Acceleratoare de Particule

accepta si sunt accelerate de ea catre urmatoarea placa. In mod normal, un curent cu

fascicule cu mai multe particule este accelerat, astfel incat un voltaj controlat AC este aplicat

fiecarei placi pentru a repeta acest proces pentru fiecare fascicul.

In vreme ce particulele se apropie de viteza luminiii, rata de comutare a campurilor electrice

devine atat de mare incat opereaza la frecventa microundelor, astfel, cavitatile rezonante RF

sunt folosite in masinarii cu energii mari in loc de simple placi.

Acceleratorii liniari sunt folositi in medicina, in radioterapie si in chirurgia cu unde

radio. Acceleratoarele liniare folosite in medicina folosesc un klystron si un aranjament

complex de magneti care produc o raza cu o energie de 6-30 de milioane de electron-volti

(MeV). Electronii pot fi folositi direct sau pot fi ciocniti de o tinta pentru a produce raze X.

Certitudinea, flexibilitatea si acuratetea razei produsa au inlocuit vehea folosire a terapiei cu

Cobalt-60 ca instrument de tratament.

1.7 Acceleratoare circulare (sau ciclice)Intr-un accelerator circular, particulele se misca

intr-un cerc pana cand obtin suficienta energie.

Calea particulelor este indoita in forma de cerc

folosint electromagnetii. Avantajul acceleratorului

circular fata de cel liniar este ca topologia circulara

permite accelerarea continuea, astfel incat

particulele pot tranzita la infint. Un alt avantaj este

ca acceleratorul circular este mai mic decat cel

liniar in comparatie cu puterea lor( de exemplu, un linac ar trebui sa fie extrem de lung

pentru a avea echivalentul puterii unui accelerator circular). In functie de puterea si

acceleratia particulelor, acceleratoarele circulare au un dezavantaj, adica particulele emit

radiatii ale sincrotonilor. Cand o particula incarcata este accelerata, ea emite radiatii

electromagnetice si emisii secundare. Asa cum o particula, care se deplaseaza in cerc,

accelereaza tot timpul catre centrul cercului, ea emite in continuu radiatii catre tangenta la

cerc. Aceasta radiatie se numeste „lumina sincroton” si depinde in mare parte, de masa

particulei. De aceea, multe acceleratoare de electroni cu putere mare sunt liniare. Unele

acceleratoare, precum sincrotonul, sunt, in schimb, create special pentru a produce acea

lumina sincroton, adica raza X.

Fig 1. Accelerator circular

Page 8: TCP Acceleratoare de Particule

Precum teoria relativitatii cere ca materia sa se deplaseze mai incet decat viteza

luminii in vid in acceleratoare de energii mari, asa si energia creste atunci cand viteza

particulei se apropie de viteza luminii, dar nu o atinge niciodata. De aceea, fizicenii nu se

gandesc, in general, la viteza, ci mai mult la energia particulei (sau impulsul acesteia), de

obicei masurata in electron-volti(eV). Un important principiu al acceleratoarelor circulare, si

a razelor de particule, in general, este acela ca arcul traiectoriei particulei sa fie

proportionala cu incarcatura particulei si cu campul magnetic, dar invers proportional cu

impulsul.

1.7.1 Ciclotronii

Primele acceleratoare circulare au fost ciclotronii, inventati in 1929 de Ernest O.

Lawrence la Universitatea din California, Berkeley. Ciclotronii au o singura pereche de placi

adancite in forma de „D” pentru a accelera particulele si o un singur magnet mare dipolar

pentru a devia deplasarea intr-o orbita circulara. Este o proprietate caracteristica particulele

incarcate intr-un camp magnetic constant si uniform, B, pe care orbiteaza cu o perioada

constata, la o frecventa numita „frecventa ciclotronica”, atat timp cat viteza lor este mica in

comparatie cu viteza luminii (c = 3*108 m/s). Acest lucru inseamna D-urile accelerate ale

unui ciclotron pot fi condusi catre o frecventa radio constanta (RF) accelerand puterea

sursei, pe cand raza face o spirala in continuu. Particulele sunt inserate in centrul magnetului

si sunt extrase la margine cand ajung la energie maxima. Ciclotronii ajung la energia limita

din cauza efectului relativist, cand particulele devin, efectiv, masiva, astfel incat frecventa lor

ciclotronica scade cu acceleratia radio frecventei. Ciclotronii simpli pot accelera protoni doar

pana la o energie de aproape 15 milioane de electron volti (15 MeV, corespunzand vitezei de

aproximativ 10%*c). Daca este accelerat mai departe, raza poate continua intr-o spirala pana

la o raza si mai mare, dar nu va mai avea destula viteza pentru a completa intregul cerc in

conformitate cu radio frecventa. Ciclotronii sunt , cu toate acestea, inca folositor pentru

aplicatiile cu energie mica.

1.7.2 Sincrociclotronii si izocronusul ciclotronSunt multe moduri de a modifica clasicul ciclotron pentru a-i creste energia limita.

Acest lucru poate fi facut intr-o raza continua, cu o frecventa constanta, avand o masinarie

care modifica polii magnetilor pentru a creste campul magnetic cu o anumita intindere.

Atunci, particule incarcate parcurg o distanta mai scurta in fiecare orbita decat ar face de

obicei, si pot ramana in faza cu campul. Astfel de masinarii de numesc izocronus ciclotron.

Page 9: TCP Acceleratoare de Particule

Avantajul lor este ca pot aduce in continuu raze de o intensite medie mai mare, ceea ce este

folositor pentru unele aplicatii. Cel mai mare dezavantaj il reprezinta marimea si costul acelui

mare magnet necesar si dificultatea in obtinerea unui camp atat de mare.

Sincrociclotronul accelereaza particulele pe grupuri, intr-un camp magnetic B

constant, dar reduce radio frecventa campului pentru a pastra particulele in pas cu spirala ce

se formeaza. Aceasta apropiere nu are o intensitatea a razelor atat de mare datorita formarii

grupurilor, din nou din cauza necesitatii acelui magnet de diametru mare si camp constant

fata de orbita mare ceruta de energia mare.

1.7.3 Acceleratoare FFAG

Acceleratoarele FFAG, in care in care un camp radial foarte puternic, combinat cu

focalizare cu gradient alternant, permite razei sa fie inchisa intr-un inel stramt, fiind o

extensie a ciclotronului izocronus, idee care este, mai tarziu, in dezvoltare. Ei folosesc

sectiuni cu accelerare RF intre magneti, si asa sunt izocronii pentru particulele relativiste ca

electronii (care ajung la viteza luminii la doar cativa MeV), dar doar pentru o variatie limitata

de energie si particule mai grele la energii sub-relativiste. La fel ca la izocronus ciclotronul, ei

reusesc sa obtina o raza continua, dar fara nevoia unui magnet urias dipolar ce se poate

indoi acoperind intreaga raza a orbitei.

1.7.4 BetatronulUn alt tip de accelerator circular, inventat in 1940 pentru accelerarea electronilor,

este betratonul. Aceasta masinarie, la fel ca sincrotonul, foloseste un magnet in forma de

gogoasa (cu gaura in mijloc) cu un camp ciclic magnetic B, dar accelereaza particulele prin

inductie de la campul magnetic in crestere. Ajungand la o orbita radiala constanta in timp ce

asigura campul electric necesar, are nevoie ca fluxul magnetic conectat la orbit sa fie intr-un

fel independent de campul magnetic de pe orbita, indoind particulele intr-o curba constanta.

Aceste masinarii au fost, in practica, limitate de marile pierderi radiale suferite de electronii

care se miscau aproape de viteza lumii pe o orbita relativ mica.

Page 10: TCP Acceleratoare de Particule

2.LHC (Large Hadron Collider)

2.1 Generalitati

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.

Fig 2. Harta LHC

Page 11: TCP Acceleratoare de Particule

Fig 3. Cuadripoli electromagnetici superconductori

2.2 ProiectareaLHC este cel mai mare accelerator de particule din lume, și cel care atinge cele mai

mari energii. Coliderul se află într-un tunel circular, cu o circumferință de 27 km, aflat la o adâncime între 50–175 m sub pământ.

Tunelul, învelit într-un strat de 3,8 m grosime de beton, construit între 1983 și 1988,

a fost folosit anterior ca gazdă pentru Large Electron-Positron Collider. El trece granița dintre

Elveția și Franța în patru puncte, o parte mai mare din el aflându-se pe teritoriul Franței.

Clădirile de la suprafață adăpostesc echipamente auxiliare, cum ar fi compresoare,

echipamente de ventilație, electronica de control și uzine de refrigerare.

Tunelul e compus două țevi inelare adiacente

separate care se intersectează în patru puncte, fiecare

țeavă conținând o conductă de protoni. Aceștia se

deplasează în tunel în direcții contrare. Aproximativ

1.232 dipoli magnetici păstrează fluxurile pe calea lor

circulară, și 392 cuadripoli magnetici sunt utilizați

pentru a păstra fluxurile focalizate, pentru a maximiza

șansele de interacțiune între particule în cele patru

puncte de intersecție a celor două fluxuri. În total sunt instalați peste 1.600 magneți

supraconductori, majoritatea cântărind peste 27 tone. Pentru a păstra magneții la

temperatura lor de operare de 1,9 K sunt necesare aproximativ 96 tone de heliu lichid,

făcând din LHC cea mai mare uzină criogenică la temperatura heliului lichid.

Cuadripoli electromagnetici superconductori folosiți pentru a îndrepta fluxurile de protoni

către patru puncte de intersecție, unde au loc interacțiunile dintre protoni.

O dată sau de două ori pe zi, în timp ce protonii sunt accelerați de la 450 GeV până la cel

mult 7 TeV, câmpurile magnetice ale dipolilor electromagnetici supraconductori sunt mărite

de la 0,54 la 8,3 tesla (T). Protonii pot ajunge fiecare până la o energie de 7 TeV, energia

totală de coliziune ajungând astfel până la 14 TeV (2,2 μJ). La acest nivel de energie protonii

au un factor Lorentz de aproximativ 7.500 și se deplasează cu viteze de 99,999999% din

viteza luminii. Durează mai puțin de 90 μs ca un proton să efectueze o tură în jurul inelului

Page 12: TCP Acceleratoare de Particule

principal – viteza sa unghiulară putând atinge 11.000 revoluții pe secundă. Fluxurile nu sunt

continue, protonii fiind adunați în 2.808 grupuri sau pachete, astfel încât interacțiunile între

două fluxuri să aibă loc la intervale discrete niciodată mai scurte de 25 ns. Totuși, operarea

se face cu mai puține grupuri decât era inițial stabilit, intervalul între grupurile de protoni

fiind de cel puțin 75 ns.

Înainte de a fi injectate în acceleratorul principal, particulele sunt pregătite de o serie de

sisteme care le măresc succesiv energia. Primul sistem este acceleratorul liniar de particule

LINAC 2 care generează protoni de 50 MeV, accelerator care alimentează Proton

Synchrotron Booster (PSB). Acolo, protonii sunt accelerați până la energii de 1,4 GeV și

injectați în Sincrotronul de Protoni (în engleză Proton Synchrotron, PS), unde sunt accelerați

până la 26 GeV. În cele din urmă Super Sincrotronul de Protoni (în engleză Super Proton

Synchrotron, SPS) este utilizat pentru a crește energia protonilor până la 450 GeV înainte de a

fi în final injectați (timp de 20 de minute) în inelul principal. Aici grupurile de protoni sunt

acumulate, accelerate (pe o perioadă de 20 minute) până la energia lor maximă, de 7 TeV, și

în cele din urmă sunt stocați (păstrați în această stare) timp de 10–24 ore, timp în care au loc

coliziunile în cele patru puncte de intersecție.

LHC va fi folosit și pentru a ciocni ioni grei de plumb (Pb) cu o energie de coliziune de

1.150 TeV. Ionii de Pb vor fi accelerați de acceleratorul liniar LINAC 3, iar Inelul Injector de

energie joasă (în engleză Low-Energy Injector Ring, LEIR) va fi folosit ca unitate de stocare și

răcire a ionilor. Ionii vor fi apoi accelerați de către PS și SPS înainte de a fi injectați în inelul

LHC, unde vor atinge o energie de 2,76 TeV pe nucleon.

2.3 Detectoare

LHC dispune de șase detectoare; acestea se află sub pământ, în excavații din dreptul

punctelor de intersecție ale sale. Două dintre ele, Experimentul ATLAS și Compact Muon

Solenoid (CMS), sunt detectoare de particule mari și au roluri generice. A Large Ion Collider

Experiment (ALICE) și LHCb au roluri mai specifice, iar ultimele două, TOTEM și LHCf, sunt

mult mai mici și sunt folosite pentru cercetări foarte specializate. Sumarul BBC al

principalelor detectoare este după cum urmează:

Page 13: TCP Acceleratoare de Particule

ATLAS – unul dintre cele două detectoare generice. ATLAS va fi folosit pentru

a căuta semne pentru găsirea de informații noi, inclusiv originile masei sau

dimensiuni superioare.

CMS – celălalt detector generic, ca și ATLAS, caută bosonul Higgs și alte indicii

cu privire la natura materiei întunecate.

ALICE – studiază starea de agregare a materiei numită plasmă quark-gluon,

care a existat la scurt timp după Big Bang.

LHCb – La Big Bang au fost create cantități egale de materie și antimaterie.

LHCb va încerca să investigheze ce s-a întâmplat cu antimateria acum dispărută.

2.4 ScopulÎn timpul funcțiunii, aproximativ șapte mii de oameni de știință din optzeci de

țări vor avea acces la LHC. Teoretic, coliderul va produce bosoni Higgs, ultima particulă încă neobservată dintre cele prevăzute teoretic de Modelul Standard. Verificarea existenței bosonului Higgs va aduce lumină asupra mecanismului ruperii simetriei electroslabe, prin care se consideră că particulele Modelului Standard capătă masă. În plus față de bosonul Higgs, la LHC ar putea fi produse și alte noi particule prezise de diverse extensiii ale Modelului Standard. În general fizicienii speră că LHC îi va ajuta să găsească răspunsul la următoarele întrebări:

Oare mecanismul Higgs de generare a maselor particulelor elementare din

Modelul Standard este cu adevărat aplicat în natură? Dacă e așa, câte feluri de

bosoni Higgs există, și care sunt masele lor?

Electromagnetismul, forța nucleară tare și forța nucleară slabă sunt oare doar

manifestări diferite ale unei singure forțe unificate, după cum prezic multiplele teorii

ale unificării?

De ce este gravitația cu atâtea ordine de mărime mai slabă decât celelalte trei

interacțiuni fundamentale?

Există în natură supersimetrie, adică au particulele din Modelul Standard câte

un partener supersimetric?

Măsurările mai precise ale maselor și ale dezagregărilor quarkurilor vor

continua să mai fie reciproc consistente în Modelul Standard?

Page 14: TCP Acceleratoare de Particule

De ce pare că există violări ale simetriei între materie și antimaterie?

Care este natura materiei întunecate și a energiei întunecate?

Există dimensiuni superioare, după cum prezic diferitele modele inspirate din

teoria corzilor, și pot fi detectate?

Dintre descoperirile posibile pe care le-ar putea face LHC, doar descoperirea particulei Higgs

este relativ necontroversată, dar nici aceasta nu este sigură. Stephen Hawking a spus într-un

interviu acordat BBC-ului: „Cred că va fi mult mai interesant dacă nu găsim Higgsul. Aceasta

va arăta că am greșit undeva, și că trebuie să regândim. Am pus un pariu pe o sută de dolari

că nu găsim Higgsul.” În același interviu, Hawking aduce în discuție posibilitatea găsirii de

superparteneri și adaugă că „Orice ar găsi sau nu ar găsi LHC, rezultatele ne vor spune multe

despre structura universului.”

2.5 CosturiCostul total al proiectului se așteaptă a fi 3,2–6,4 miliarde de €. Construcției LHC i-a

fost aprobat în 1995 un buget de 2,6 miliarde de franci elvețieni (1,6 miliarde euro), cu încă

210 milioane de franci (140 milioane de euro) reprezentând costul experimentelor. Totuși,

depășirile de buget, estimate în 2001 la aproximativ 480 milioane franci (300 milioane de

euro) pentru accelerator, și 50 milioane de franci (30 milioane de euro) pentru experimente,

împreună cu o reducere a bugetului CERN, a împins data terminării din 2005 până în aprilie

2007. Magneții superconductori au fost responsabili pentru o creștere a costurilor de 180

milioane de franci (120 milioane de euro). Au apărut și alte dificultăți în construcția locașului

subteran pentru Compact Muon Solenoid, în parte din cauza unor componente defecte

împrumutate de CERN de la laboratoarele Argonne National Laboratory și Fermilab.

David King, fostul director științific din partea Regatului Unit, a criticat LHC pentru că a primit

prioritate mai mare la fonduri decât rezolvarea principalelor probleme ale Pământului, în

principal schimbările climatice, dar și creșterea demografică și sărăcia din Africa.

2.6 Primele testeDupă punerea în funcțiune a supercoliderului, oamenii de știință de la CERN

estimează că dacă Modelul Standard este corect, atunci la fiecare câteva ore va fi produs

câte un boson Higgs. În acest ritm ar putea dura aproximativ trei ani până se vor aduna

suficiente statistici pentru a dovedi cu certitudine existența bosonului Higgs. Similar, ar dura

Page 15: TCP Acceleratoare de Particule

un an sau mai mult până când vor fi adunate destule rezultate privind particulele

supersimetrice pentru a trage concluzii în privința acestora.

Primul flux de protoni a circulat prin colider în dimineața zilei de 10 septembrie 2008. CERN a

reușit trimiterea protonilor prin tunel în etape de câte trei kilometri. Particulele au fost

trimise în sens orar în accelerator și au efectuat primul înconjur complet la ora 10:28 ora

locală. LHC a încheiat cu succes primul său test major: după o serie de rulări de test, două

puncte albe au apărut pe ecranul unui monitor, arătând că protonii au traversat toată

lungimea coliderului. Ghidarea particulelor pe parcursul de inaugurare a durat mai puțin de

o oră. CERN a trimis apoi un flux de protoni în sens trigonometric, ceea ce a durat puțin mai

mult, o oră și jumătate, din cauza unei probleme cu criogenia, turul complet fiind încheiat la

ora 14:59.

S-a așteaptat ca primele coliziuni de protoni cu energii mari să aibă loc la 6-8 săptămâni după

intrarea în funcțiune a LHC la 10 septembrie 2008. În anul 2008, însă, LHC a operat la o

energie redusă, de doar 10 TeV. Perioada de oprire de iarnă (spre sfârșitul lui noiembrie) a

fost folosită pentru antrenarea magneților superconductor, astfel încât rularea din 2009 să

înceapă la energia maximă proiectată de 14 TeV, ceeace însă încă nu a reușit.

După reluarea în funcțiune în noiembrie 2009, nu după mult timp, accelerarea maximă a

protonilor a atins nivelul de 1,18 TeV, un nou "record mondial".

Desigur că atingerea maximei teoretice de 2 x 7 TeV = 14 TeV și a frecvenței ciocnirilor de

600 MHz va avea nevoie de încă mult timp și eforturi. Se apreciază că aceasta se va întâmpla

după pauza prevăzută în anul 2012.

La 30 martie 2010 s-a anunțat reușita primelor experimente de coliziuni a două jeturi de

protoni cu energia de câte 3,5 TeV pe particulă pe sens, în total deci 7 TeV, cu o frecvență de

ciocniri de circa 100 Hz, iar la 21 aprilie 2010 s-a publicat reușita primei reconstrucții a unui

mezon B, tot la această energie.

Toate experimentele de până acum arată că acceleratorul și instrumentele sale de măsură

funcționează acum extrem de precis. La LHC s-au "redescoperit" și confirmat deja aproape

toate fenomenele deja cunoscute de la alți acceleratori, nu așa de puternici (de ex. existența

perechilor quark-antiquark, mezonului, pionului, kaonului, baryonilor, bozonul W și altele).

Page 16: TCP Acceleratoare de Particule

3. ConcluziiAcceleratoarele de particule sunt masini esentiale in cercetarea asupra originilor

universului, structurii materiei, supersimetriei, originilor si naturii materiei si energiei

intunecate, etc. Ele au de asemenea aplicatii in industria medicala, in electronica si altele.

Cele mai mari si complexe masini de acest tip sunt cele care efectueaza studii in domeniul

fizicii particulelor, precum LHC. Cu ajutorul acestor acceleratoare, oamenii de stiinta spera sa

gaseasca raspuns la intrebari esentiale legate de componenta materiei si interactiunile intre

particule elementare, aparitia universului si starile lui initiale, existenta unor alte dimensiuni

ale spatiului, etc. Pe viitor acceleratoarele de particule vor deveni tot mai complexe,

energiile folosite vor ajunge tot mai mari, iar viteza de ciocnire tot mai apropiata de viteza

luminii, permitand obtinerea unor date mult mai consistente si detaliate.

4.Bibliografie

[1] http://en.wikipedia.org/wiki/Particle_accelerator

[2] http://ro.wikipedia.org/wiki/Large_Hadron_Collider

[3] http://www.cern.ch