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.
Az adatfeldolgozás egy része a CERN csillebérci adatközpontjában, Magyarországon történik.