LHC
(Large Hadron Collider, nagy hadron ütköztető,
tárológyűrű, CMS, ATLAS, LHCb, ALICE)



Genf mellett, a svájci-francia határon lévő részecskefizikai kutatóközpontban, a CERN-ben felépült az eddigi legnagyobb szinkrotron részecskegyorsító.
A 27 kilométeres kerületű gyorsító gyűrű átlagosan 100 méterrel a föld alatt egy alagútban helyezkedik el. (A képen a piros kör a gyűrű helyét jelöli a térképen.)

A létesítmény rendkívüli bonyolultságának és méreteinek érzékeltetésére összegyűjtöttem néhány érdekesebb adatot az origo cikksorozata és egyéb elérhető információ alapján.

 

Gyorsítógyűrű

A részecskék órákon keresztül keringenek egymással szemben több csomagban két vákuumcsőben (tárológyűrűben).
A gyorsítócső teljes térfogatában igen nagy vákuumot kell elérni, 10-13 atmoszféra lesz a légnyomás, vagyis a normál légköri nyomás tízbilliomod része. Ezt a rendkívüli légritkítást körülbelül 6500 köbméteres (egy nagy katedrálisnyi) térfogatban kell biztosítani.

A gyorsító kerületén négy nagy detektor (CMS, ATLAS, LHCb és ALICE) található, amelyek középpontjában a részecskenyalábok pályája kereszteződik lehetővé téve az ütközést. (Ezeknél az ütközéseknél néhány pillanatra a Nap felszíni hőmérsékletét 300 milliószor meghaladó hőmérséklet lép fel.)
Kétféle ütközést hozhatnak létre
- proton - protonnal (A két egymással szemben 7 TeV energiával haladó nyaláb ütközésekor 14 TeV energia szabadul fel)
- ólomatommag - ólomatommaggal (1312 TeV energiával)

A részecskegyorsító kerületén 4 nagy részecskedetektor helyezkedik el.
Két nagyobb általános célú detektor a CMS és az ATLAS. A másik kettő, az LHCb és az ALICE kisebb és speciálisabb feladatot lát el. Magyarország legnagyobb létszámmal a CMS kísérletben vesz részt, de az ALICE-ban, az ATLAS-ban valamint az LHCb-ben is vesznek részt magyarok.

Az LHC különböző egységeinek elhelyezkedése

Az egész rendszert 1,9 K-ra hűtik le és nagyon erős szupravezető mágnesek (összesen 9300 különböző típusú) "terelik" a közel fénysebességre gyorsított protonnyalábot körpályára.
A legnagyobb dipól mágnesekből 1232 darabot építettek be a körpálya mentén. Mindegyik 14,3 méter hosszú és kb. 35 tonna súlyú. A szupravezető mágnesekben 11 700 amper erősségű áram hozza létre a 8,3-8,4 tesla erősségű mágneses teret. (Ez kétmilliószor erősebb a földmágneses térnél.)
A mágnesekben niobium-titán ötvözetből készített kábeleket használnak, ez az anyag 10 kelvinen válik szupravezetővé. Egy kábel 6300 darab, egyenként 0,006 mm vastag szálból áll. Ezeknek az emberi hajszálnál tízszer vékonyabb vezetékeknek a teljes hossza (egymás után kötve) több mint ötszöröse a Nap-Föld távolságnak. A mágneseket szuperfolyékony hélium hűti 1,8 kelvin hőmérsékletre.
A rendszer 96 tonna héliumot tartalmaz. A rendszer teljes (36 800 tonna) tömegét több lépésben hűtik le.

Jelenleg folyik próbaüzem. A részecskenyaláb 2008. szeptember 10-én teszi meg az első teljes kört és fokozatos gyorsítással érik el az 5 terraelektronvoltos energiát, amit később majd 7-re emelnek. (A 7 TeV energia elérésekor a részecskék a fénysebesség 0,999999991-szeresével haladnak. Ezzel a sebességgel a 10 órán át keringő nyaláb akkora utat tesz meg, amennyi a Neptunusz távolsága.)

A teljes kerület mentén 2835 protoncsomag kering majd mindkét irányban, mindegyikben körülbelül 1011 darab protonnal másodpercenként 11245 kört megtéve. A csomagok 25 nanoszekundumonként, vagyis 7 méterenként követik egymást. Másodpercenként 30 milliószor ütközve.

Két 7 TeV-os energiájú proton ütközése kb. hétszer akkora energiát jelent, mintha két szúnyog ütközne egymással. A maximális energiával ütköző nyalábok energiája azonban megfelel egy 400 tonnás, 200 km/órás sebességgel mozgó vonaténak.

Az alagút egy részlete belül a részécskenyalábok vákuumcsöveivel.

Működése során nagyjából 80 állam 7000 fizikusa dolgozik majd LHC-ben.

 

Detektorok

A részecskegyorsító kerületén 4 nagy részecskedetektor helyezkedik el, amelyek a nagyenergiájú ütközések során keletkező rengeteg különböző részecskét észlelik.

* CMS (Compact Muon Solenoid - kompakt müon szolenoid)

Az LHC franciaországi területére, Cessy-be esik.
A teljes detektor hengeres alakú, 21 méter hosszú, 16 méter átmérőjű és nagyjából 12500 tonna tömegű. (Több vasat tartalmaz, mint az Eiffel-torony.)
2003-ban 36 ország 160 intézete és 2008 tudósa illetve mérnöke vett részt a detektor építésében, köztük magyarok is.

A detektor belső részeit kis méretben sűrítették össze és elsősorban a müonok pályájának megfigyelésére szolgál, ezek észleléséhez szükséges a nagy acéltömeg, mivel kicsi az energialeadásuk az anyagban a hadronokhoz, elektronhoz és a fotonhoz képest.
Szupravezető elektromágnesében az áram egy henger palástja mentén folyik körbe. Így nagyobb mágneses tér hozható létre.

A CMS detektor részlete (a képen álló ember jól szemlélteti a méreteket)

Az alábbi részekből áll:
- szilícium nyomjelző (Silikon Tracker): a töltött részecskék nyomát észleli az ütközési ponthoz (vertex) közel nagy pontossággal
- kaloriméterek: a részecskék energiáját mérik, a mért összenergiából kövekeztetni lehet az eltűnt energiára, amelyet például a nagyon gyengén kölcsönható neutrínók vittek magukkal.
- elektromágneses kaloriméter (Electromagnetic Calorimeter): az elektronok és a fotonok energiáját méri
- hadron-kaloriméter (Hadron Calorimeter): a hadronok energiáját méri
- müonkamrák (Muon Chambers): a müonok észlelésére szolgálnak, az elnyelésükhöz szükség van a nagy mennyiségű vasra
A kalorimétereken kívül található a szupravezető elektromágnes, ami a mágneses teret hozza létre. Ez 13 méter hosszú és 6 méter átmérőjű 2168 menetes hűtött niobium-titán szupravezető tekercse 4 tesla mágneses tér előállítására alkalmas, amelyhez 20 kiloamper (!) áram szükséges.

 

* ATLAS detektor

Az ATLAS-együttműködés, a detektort építő fizikusok csoportja, 1992-ben jött létre. Az ATLAS-kísérletet jelenlegi formájában 1994-ben javasolták, és hivatalosan 1995-ben alapították meg.
Az LHC rendkívüli energiája és óriási ütközésszáma szükségessé teszi, hogy az ATLAS-detektor nagyobb és összetettebb legyen a valaha épült összes eddiginél.

Az ATLAS-t arra szánták, hogy különböző típusú fizikákat vizsgáljon meg az LHC ütközéseiben elérhetővé váló energiákon. Ezek közül néhány megerősítése vagy továbbfejlesztése a standard modellnek, míg mások új fizikai elméletek utáni kutatások.
Egyik legfontosabb feladata a standard modell utolsó hiányzó részecskéjének, a Higgs-bozonnak a vizsgálata.

Felépítése (hasonló a CMS-hez - egy sor egyre nagyobb koncentrikus hengerfelületből áll a protonok ütközési pontja körül.)
+ belső detektor (Inner Detector) a protonnyaláb tengelyétől pár centiméterre kezdődik és 1,2 méteres sugárig tart. Alapvető funkciója a töltött részecskék pályájának rögzítése az anyaggal való kölcsönhatásuk alapján. Részletes információt szolgáltat a részecske típusára és lendületére. A mágneses mező biztosítja a töltés előjelének megállapítását, és lendület mérését. A nyom kezdőpontja fontos a részecske azonosításához., például ha a részecske máshonnan látszik jönni mint az ütközési pont, akkor ez annak a jele lehet, hogy a részecske a nagyon rövid élettartamú b-kvark bomlásából keletkezett.
A belső detektor három részből áll:
  - pixeldetektor, a legbelső detektorrész három rétegből áll és három korongból mindkét végén, összesen 1744 modulból. Mindegyik modul két centiméterszer hat centiméteres felületet mér. A detektorréteg vékony szilícium modulonként 47000 pixellel. A kis pixelméret miatt nagyon pontos pályameghatározást biztosít.
  - félvezető nyomjelző (Semi-Conductor Tracker, SCT)
Feladata a pixeldetektoréhoz hasonló, de pixelek helyett nagyobb területet lefedő keskeny csíkokat tartalmaz. A nyalábra merőleges síkban észlel. A legkritikusabb része a belső detektornak, mivel jóval nagyobb területről gyűjti a részecskéket mint a pixeldetektor nagyobb számú érzékelőponttal és közel azonos felbontással. Négy duplarétegű szilíciumcsíkból áll, és 6,2 millió kiolvasócsatornája van, a teljes felülete 61 négyzetméter.
  - átmenetisugárzás-detektor (Transition Radiation Tracker, TRT) - tulajdonképpen szalmakamra (straw tracker) és átmenetisurárzás-detektor összetétele. Sok vékony csövet (straw = szalma) tartalmaz, mindegyik 4 mm átmérőjű és némelyek hossza a 144 centimétert is eléri. Sokkal gyengébb a felbontása, mint a másik két detektornak, ez szükséges áldozat a nagyobb térfogatért. Minden csövecske gázzal töltött, mely ionizálódik, mialatt egy töltött részecske áthalad rajta. Az ionok áramot hoznak létre a csőben futó nagyfeszültségű vezetékben, olyan jelalakot hozva létre a csövekben, mely lehetővé teszi a részecskepálya meghatározását. A detektorréteg váltakozva nagyon eltérő törésmutatójú rétegeket is tartalmaz, amelyben a közeghatáron áthaladó töltött részecskék úgynevezett átmeneti sugárzást hoznak létre és a csövekben is jóval erősebb jel keletkezik ezáltal. A TRT összesen kb. 350000 csőből áll.

Kaloriméterek
A belső detektort körülvevő elektromágnesen kívül találhatók. Feladatuk a részecskék energiájának mérése úgy, hogy teljesen lefékezi a részecskét.
Két eltérő típusú mintavételező kalorimétert alkalmaznak, mindkettő az energiát nagysűrűségű fémben nyeleti el, és peiodikusan mintát vesz a keletkező részecskezáporból, amiből meghatározzák az energiát.)
- elektromágneses (EM) kaloriméter azoknak a részecskéknek az energiáját nyeli el, amelyek elektromágnesesen kölcsönhatnak (töltött részecskék, fotonok). Ebben a rétegben az elektronok és fotonok teljesen elnyelődnek, a töltött hadronok és a müonok viszonlag kevés energiát adnak le. Nagy pontossággal méri az elnyelt energiát és az energialeadás helyét is. Az energiát ólom és rozsdamentes acél nyeli el, a mintavétel folyékony argonban történik, mint mintavevő anyagban.
- hadronkaloriméter nyeli el és méri azoknak a részecskéknek az energiáját, amelyek túljutnak az elektromágneses kaloriméteren, de az erős kölcsönhatásban részt vesznek (hadronok). Ez kevésbé pontos az energiamérésben és helymeghatározásban is. Az energiaelnyelő anyag acél szcintilláló rétegekkel, amelyek a leadott energiát összegyűjtik. A hadron teljes kezdeti energiájának megállapításához az elektromágneses kaloriméterben leadott energiát is figyelembe kell venni.

Müonspektrométer
Egy rendkívül nagy szalmakamra (straw tracker), amely a kaloriméterektől a detektor külsejéig tart.
Az óriási méret a müonok lendületének meghatározásához szükséges, a müonok ugyanis áthaladnak a detektor belsőbb rétegein. A mérés azért fontos, mert a müon fontos szerepet játszik több érdekes fizikai folyamatban, valamint az eseményben létrejövő részecskék teljes energiája sem mérhető, ha a müonét figyelmen kívül hagyják.
Működése hasonló a belső detektoréhoz, a mágneses mezőben elgörbülő pálya görbületéből a lendület számolható, csupán a mágneses mező elrendezése más itt, a térfogat jóval nagyobb, és a térbeli felbontás jóval kisebb.Ez a detektorréteg közel egymillió kiolvasási csatornával rendelkezik, és a detektor teljes mérőfelülete 12000 négyzetméter.

Az ATLAS-detektor két nagy mágnesrendszerrel rendelkezik, hogy a lendület méréséhez a részecskék pályáját meggörbítse. A részecskék pályája a Lorentz-erő miatt görbül el, mely erő a sebességgel arányos. Mivel az LHC protonütközéseiben keletkező részecskék közel fénysebességgel fognak mozogni, a részecskékre ható erő közel azonos.
A belső elektromágnes két teslás mágneses mezőt hoz létre a belső detektorban.
A külső toroidális mágneses mezőt nyolc nagy légmagos szupravezető hurok hozza létre a hordórészen, és kettő a lezáró részen. Ez a mágneses mező 26 méter hosszú és 20 méter átmérőjű és 1,2 gigajoule energiájú.

 

* LHCb detektor

Azt a tényt használták ki az LHCb detektor tervezésekor, hogy a B-hadronok is főként ugyanúgy a tengelyhez kis szögben lépnek ki, mint a B-mezonok. Az LHCb detektor egy egykarú spektrométer, amely a tengelyhez képest 10 mrad-tól érzékel vízszintesen 300 mrad-ig függőlegesen 250 mrad-ig. A kettő közötti aszimmetriát a nagy kétpólusú (dipól) mágnes, okozza, amelynek fő összetevője függőleges irányú.

Az alábbi egységekből áll:
- vertexdetektor a protonok ütközési helyéhez (a vertexhez) legközelebb elhelyezkedő detektorrész.
A részecskék pályáját rögzíti az ütközés helyéhez közel, hogy könnyebben megkülönböztethetőek legyenek az elsődleges és másodlagos vertexek. (A másodlagos vertexek a gyorsan bomló részecskéktől származnak, pontos méréssel látható, hogy a részecske nyoma nem az ütközés helyéről indul ki, hanem kicsit arrébbról, ahol a részecske elbomlott.)
- RICH-1 (Ring Image CHerenkov detector) Közvetlenül a vertexdetektor után ahelyezkedik el, mely a Cserenkov-sugárzás kúpszögének mérésével a részecske sebességét tudja meghatározni, így a kis lendületű részecskéket azonosítja.
A fő nyomkövető rendszer részben kétpólusú (dipól) mágnesben található. Ez a töltött részecskék pályájának (trajektóriájának) rekonstrukcióját szolgálja és a lendületük mérését.
- RICH-2 A nyomkövető rendszer után található. A nagy lendületű részecskék azonosítására szolgál.
- elektromágneses kaloriméterek az elektronok és fotonok energiájának mérésére.
- hadron-kaloriméterek a hadronok energiájának mérésére.
- müonrendszer segítségével állapítható meg, hogy mely nyomok tartoztak müonokhoz.


* ALICE (Large Ion Collider Experiment - Nagy Nehézion Ütköztető Kísérlet)

Az LHC egyik legnagyobb berendezése. A detektor tömege közel 10000 tonna, több, mint az Eiffel-toronyé. Magassága 16 m, hossza 26 m.

29 ország több, mint 1000 fizikusa és mérnöke dolgozik a kísérlethez kapcsolódó nemzetközi együttműködésben. Az LHC alagút földfelszín alatt mintegy 70 méterre elhelyezkedő csarnokában található.

A kísérlet célja az Univerzum korai állapotának, a Kvark-Gluon Plazmának előállítása és tanulmányozása, amely az ősrobbanás (Nagy Bumm) után mintegy tízezer-milliomod másodperccel (1/10 000 000 000 s) létezett.
A Kvark-Gluon Plazma létrehozásához közel fénysebességre gyorsított ólom atommagokat ütköztetnek össze a detektor középpontjában 5,5 TeV energiával.

 

Adatfeldolgozás

A másodpercenkénti 30 millió ütközés adatait két nagy nagy számítógépklaszteren (sok összekapcsolt számítógépen) dolgozzák fel. Az első szintű trigger után nagyjából másodpercenként százezer eseményt választanak ki. A harmadik szint után pár száz eseményt tárolnak további vizsgálat céljára. Ez az adathalmaz másodpercenként több mint 100 megabyte diszkterületet igényel, évente legalább petabyte-nyit.

Az eseményrekonstrukciót a tárolt adatokon hajtják végre, melynek során a jelekből megállapítják, milyen fizikai objektumok, például dzsetek, fotonok és leptonok jöttek létre. A Grid-et, a számítógépek világméretű összekapcsolt hálózatát fogják felhasználni az eseményrekonstrukcióhoz, mely lehetővé teszi azoknak a CPU-igényes számításoknak a párhuzamos végrehajtását egyetemek és laboratóriumok számítógépein, melyek a nagy nyers adathalmazból a fizikai elemzéshez megfelelő adatokat nyernek. Az ehhez szükséges szoftvereket sok év óta fejlesztik, és a kísérlet futása alatt is folyamatosan finomítják majd.

Az együttműködés egyénei és csoportjai fognak számítógépes programokat írni, hogy ezeket az objektumokat tovább vizsgálják, hogy a megfigyelt részecskék mintázataikban feltételezett részecskéket keressenek, vagy a mintázatok segítségével fizikai modelleket próbáljanak ki. Ezeknek a programoknak az írását már meg is kezdték, és a részecskék kölcsönhatásainak szimulált eseményein tesztelik. Ezek a szimulációk lehetőséget teremtenek arra, hogy megvizsgálják, hogyan lehet az egyes új részecskéket megfigyelni, és mennyi időbe telik, amíg valamilyen statisztikai bizonyossággal elfogadható adatokat kapunk.

Felhasznált irodalom