CERN - Europejskie Laboratorium Fizyki Cząstek Elementarnych
|
|
Widok na CERN. Biała linia pokazuje przebieg tunelu o długości 27 km, gdzie znajdują się pod ziemią akceleratory.
|
Działalność CERN to czysta nauka, poszukiwanie odpowiedzi na najbardziej podstawowe pytania dotyczące przyrody: Co to jest materia? Skąd się bierze? W jaki sposób tworzy ona tak skomplikowane obiekty, jak gwiazdy, planety i istoty ludzkie?
Zadaniem CERN jest dostarczanie fizykom wiązek cząstek o wysokich energiach, by mogli wykorzystywać je do swoich eksperymentów. Pod tym względem Laboratorium jest bezkonkurencyjne, bowiem posiada największy na świecie kompleks połączonych ze sobą akceleratorów (przyspieszacz cząstek) i odpowiednie detektory (urządzenia rejestrujące i analizujące otrzymane cząstki). Zderzając cząstki ze sobą wewnątrz akceleratorów zwanych zderzaczami luk zderzając je z tarczami znajdującymi się poza akceleratorem, wytwarza się nowe cząstki. Naukowcy w CERN badają miliony niezwykłych zderzeń, by zrozumieć, w jaki sposób około 15 miliardów lat później Wszechświat stał się taki, jakim go teraz widzimy.
|
|
Akcelerator liniowy w CERN
|
Istnieją dwa typy akceleratorów: liniowe i kołowe. W CERN są obydwa typy. Akceleratory wykorzystują potężne pola elektryczne, by nadać energię wiązce cząstek. Pola magnetyczne służą do utrzymania zwartości wiązki, a w urządzeniach kołowych do kierowania jej po okręgu.
Akceleratory liniowe nadają energię wiązce cząstek na całej długości akceleratora. Im urządzenie jest dłuższe, tym większa jest energia końcowa. W akceleratorach kołowych cząstki krążą cały czas, za każdym okrążeniem zwiększając energię. Ale im szybciej cząstki się poruszają, tym bardziej próbują wylecieć poza okrąg, tak jak samochody na ostrym zakręcie. Największy pracujący do tej pory akcelerator CERN Wielki Zderzacz Elektronowo-Pozytonowy (LEP) ma bardzo duży obwód (27 kilometrów), co powoduje, że zakręty są bardzo łagodne. Obecnie LEP został rozebrany i na jego miejscu w tym samym tunelu buduje się nowy akcelerator wielki zderzacz hadronów - LHC. W przyszłości być może ponownie nastąpi uruchomienie LEP nad akceleratorem LHC.
Wielki zderzacz hadronów - LHC
Pierwsza prototypowa sekcja LHC po pierwszej pomyślnej próbie.
|
LHC wykorzysta nadprzewodnictwo. Aby utrzymać wiązki na odpowiednich torach LHC musi mieć silniejsze pole magnetyczne niż stosowane dotychczas. Nadprzewodnictwo to zdolność niektórych materiałów do przewodzenia, zwykle w bardzo niskich temperaturach, energii elektrycznej bez oporu czyli bez strat. LHC będzie działać w temperaturze bliskiej zera bezwzględnego (-273°C). Akcelerator ten, mając obwód 27 km, będzie największą instalacją nadprzewodzącą na świecie.
Podwójna struktura nadprzewodzących magnesów LHC
|
LHC jest budowany w tym samym tunelu co LEP. Przed wpuszczeniem wiązki protonów do LHC, wiązki protonów będą przygotowywane przez akceleratory już pracujące w CERN.
Uniwersalne układy detekcyjne
Detektory, które będą badać zderzenia w LHC będą większe i bardziej skomplikowane niż dotychczasowe. Będą również szybsze, zdolne wychwycić około 800 milionów zderzeń w każdej sekundzie.
Z budową LHC związane są cztery programy badawcze: dwa wielkie i uniwersalne - ATLAS i CMS, oraz dwa mniejsze, bardziej wyspecjalizowane - ALICE i LHCB. Nazwy układów detekcyjnych i zespołów naukowych, które je projektują, budują i będą wykorzystywać po uruchomieniu LHC w 2007 roku, pochodzą od skrótów nazw angielskich. Przykładowo, CMS to Compact Muon Solenoid, czyli Zwarty (Magnes) Solenoidalny (do detekcji) Mionów.Układy detekcyjne muszą zawierać więc dużą liczbę poddetektorów, podzielonych na wiele dalszych komórek. Każda z nich zawiera elektroniczny tor sygnałowy, składający się z wzmacniaczy, układów formowania impulsu, przetworników sygnałów analogowych na cyfry, kabli i włókien optycznych, systemu pamięci buforowych itp. Okazuje się, że liczba kanałów elektroniki systemów detekcyjnych jest bardzo wysoka: dla CMS wynosi ona około 100 mln kanałów. Tyle mniej więcej jest aparatów telefonicznych w Europie.
System wyzwalania i zbierania danych
Fragment połączeń w CERN
|
Program badawczy LHC
Takie ślady powinna pozostawić po sobie w detektorze cząstka Higgsa, postała po zderzeniu elektronów i pozytonów w nowym alceleratorze liniowym
|
Poszukiwanie cząstki Higgsa
Cząstka ta jest ostatnim elementem składowym Modelu Standardowego, który nie został jeszcze zaobserwowany. Z przeprowadzonych dotychczas eksperymentów wiadomo, że jej masa spoczynkowa musi być bardzo duża. Celem badań, które zostaną przeprowadzone w LHC, będzie dokładne spenetrowanie całego tego obszaru możliwych wartości mas. Nie jest to zadanie proste, bowiem cząstka Higgsa ma niezwykle krótki czas życia i w zależności od swojej masy może rozpadać się na wiele różnych sposobów. Na szczęście, możliwe kanały rozpadu zostały w ciągu ostatnich kilkunastu lat gruntownie przeanalizowane zarówno teoretycznie, jak i za pomocą symulacji komputerowych i wiadomo bardzo dokładnie, jakie oznaki istnienia tej cząstki możemy zaobserwować w detektorach LHC.
W poszukiwaniu cząstek supersymetrii
Symulacja powstania hipotetycznych cząstek neutralino
|
Plazma kwarkowo - gluonowa
W LHC przyspieszane być mogą, zamiast protonów, również ciężkie jony (na przykład jądra ołowiu). Kiedy rozpędzone do wielkich energii jądra takie zderzają się ze sobą, przez krótką chwilę kwarki i gluony poddane zostają ciśnieniom i temperaturom wielokrotnie przekraczającym ciśnienia i temperatury panujące we wnętrzach najbardziej masywnych gwiazd. W tych ekstremalnych warunkach powstaje nowy, egzotyczny stan skupienia materii zwany plazmą gluonowo-kwarkową. W zderzeniach cząstek elementarnych struktura wiązań kwarków ulega zaburzeniu. Jeśli jednak energia i gęstość materii nie jest wystarczająco duża, każdy kwark znajduje sobie natychmiast odpowiedniego partnera w swoim najbliższym otoczeniu i wiąże się z nim. Sytuacja zmienia się drastycznie, kiedy gęstość materii gluonowo-kwarkowej osiąga pewną wartość graniczną. Wtedy każdy kwark ma w swoim otoczeniu wielu potencjalnych partnerów, z którymi może się związać. Na dodatek nie musi on pozostawać na zawsze w jednym związku, może porzucić swojego partnera i znaleźć sobie szybko nowego. Własności materii w stanie tej dzikiej orgii w wykonaniu kwarków i gluonów są w zasadzie nieznane. Chromodynamika kwantowa, teoria opisująca zachowanie kwarków i gluonów, jest jednym z najbardziej skomplikowanych i wyrafinowanych modeli fizyki teoretycznej i bardzo skutecznie opiera się dotychczas wysiłkom badaczy, próbujących przewidzieć opisywane przez nią zachowanie materii w ekstremalnych warunkach. Nie ulega jednak wątpliwości, że zrozumienie fizyki plazmy gluonowo-kwarkowej będzie miało kolosalne znaczenie nie tylko dla astrofizyki i kosmologii, ale może mieć daleko idące konsekwencje praktyczne.
Fizyka kwarka b
Ostatnim z wielkich projektów doświadczalnych, które mają być przeprowadzone przy użyciu LHC, jest badanie własności kwarka b. LHC jest w stanie wyprodukować bardzo duże ilości tych kwarków, ich zachowanie z kolei pozwala na dokładny pomiar pewnych, trudnych do określenia w inny sposób, parametrów Modelu Standardowego. Badania fizyki kwarka b nie będą dotyczyć "nowej fizyki", ale bardzo dokładnego zbadania własności modelu, który jest już znany; są one jednak niezwykle ważne, ponieważ w konstruowaniu nowych teorii niezwykle istotna jest dokładna znajomość własności ich poprzedników.
Nowy akcelerator liniowy
W sierpniu 2004 roku zdecydowano na międzynarodowej konferencji w Pekinie o budowie akceleratora czyli przyrządu do przyspieszania cząstek naładowanych. Wybór miejsca, gdzie zostanie zbudowana maszyna, jest w pewnym sensie sprawą polityczną. Najpoważniejszymi kandydatami są Niemcy (ośrodek DESY) gdzie już pracuje próbny odcinek, USA (może Fermilab pod Chicago) i Japonia (KEK w Tsukuba). Decyzja zapadnie za dwa-trzy lata. Ma on być finansowany przez największe ośrodki fizyki na świecie - z Europy, USA i Japonii. Całkowity koszt budowy wynosi 5 mld dolarów.Będzie to w odróżnieniu od LHC akcelerator liniowy, tzn. rozpędzane cząstki poruszać się będą po linii prostej. Służyć on będzie do badania zderzeń lekkich cząstek elektronów i pozytonów i dla takich cząstek akcelerator kołowy byłby droższy. Nowy przyspieszacz powstanie w tunelu o długości ponad 30 km i średnicy pięciu metrów umieszczonym kilkadziesiąt metrów pod ziemią. Cząstki będą rozpędzane napięciem ponad 26 mln woltów przez nadprzewodzące instalacje. Całkowita moc akceleratora wynosi aż 155 MW (całkowita moc elektrowni Adamów koło Turku wynosi 600MW) czyli jedną czwartą średniej wielkości elektrowni.
|
|
Rezonatora wykonanego z niobu w którym poruszać się będą elektrony i pozytony
|
Opracowano na podstawie informacji zamieszczonych w serwisie naukowym Gazety Wyborczej. Opis projektu można znaleźć na stronie http://www.interactions.org/linearcollider/