Stóri sterkeindahraðallinn

Kort af LHC

Stóri sterkeindahraðallinn í CERN (enska: Large Hadron Collider, skammstafað LHC) er stærsti eindahraðall í heimi og sá eini sem gerður er til að hraða sterkeindum. Hann er staðsettur á landamærum Frakklands og Sviss nálægt Genf í Sviss.

Í hraðlinum er róteindum og blýatómkjörnum (sínum í hvorri tilrauninni) hraðað nálægt ljóshraða. Helmingur eindanna hverju sinni fer réttsælis en hinn helmingurinn rangsælis og eru þær síðan látnar rekast saman. Agnirnar sem verða til við áreksturinn eru síðan skoðaðar og eiginleikar þeirra.

Í júlílok 2008 náði allur hraðallinn rekstrarhitastigi sínu eftir áralangan undirbúning, 1,9K (-271,25 °C) sem er 0,8° kaldara en meðalhiti alheimsins (örbylgjukliðarins).

Fyrstu róteindageislarnir voru sendir í gegnum göng hraðalsins þann 10. september 2008. Fyrstu orkumiklu árekstrarnir eru væntanlegir 6-8 vikum síðar en þó með aðeins um 10 TeV (tera-elektrónuvolt). Engir árekstrar verða prófaðir á fullum krafti hraðalsins (14 TeV fyrir róteindir) fyrr en árið 2009.

Heildarkostnaður verkefnisins til þessa er áætlaður 3,5 milljarðar evra eða u.þ.b. 450 milljarðar ISK.

Tilgangur

Við árekstrana sem framkallaðir verða í stóra sterkeindahraðlinum er vonast til að komi fram óvenju massamiklar öreindir, einkum Higgs-bóseindin sem er eina öreind staðallíkansins sem enn hefur ekki fundist í tilraunum. Samkvæmt staðallíkaninu er Higgseindin sú eind sem gefur efni massa sinn. Vona eðlisfræðingar að með þessu opni stóri sterkeindahraðallinn eðlisfræðinni nýjar dyr.

Bygging

CMS-nemi stóra sterkeindahraðalsins í febrúar 2008.

Yfirlit yfir stóra sterkeindahraðalinn og hjálparhraðla hans.

Stóri sterkeindahraðallinn er hringhraðall sem komið er fyrir í neðanjarðargöngum með 27 km ummál sem áður hýstu hinn svokallaða Stóra rafeinda-jáeindahraðal (alþjóðleg skammstöfun LEP, Large Electron-Positron Collider), en rekstri hans var hætt árið 2000.

Í rafeinda-jáeindahraðlinum var rafeindum og jáeindum skotið hverjum á aðrar, en í sterkeindahraðlinum verður ýmist róteindum eða blýjónum hraðað og þær látnar rekast saman. Þar eð róteindir og blýjónir hafa margfalt meiri massa en rafeindir, missa þær sem því nemur minnir orku með þverhröðunargeislun og verður munurinn á massamiðjuorku þeirra og rafeinda því enn meiri en massamunurinn segir til um. Stefnt er að 14 TeV fyrir róteindirnar og 1146 TeV fyrir blýkjarnana. Mögulegt orkugildi ræðst af styrk segulsviðsins sem notað er. Styrkur þess hefur verið hámarkaður við gerð LHC með ofurleiðandi efnum, sem notuð eru bæði í þá segla sem stýra eindunum og þá sem hraða þeim.

Í róteindatilraununum er gert ráð fyrir að geislunaraflið verði í kringum 10³⁴ cm^-2s^-1. Auk hinnar auknu massamiðjuorku samanborið við eldri tilraunir, sem gerir rannsóknir á nýjum orkusviðum mögulegar, er þetta mikla geislunarafl sérstakt einkenni LHC, en það gefur almennt betri tölulegar upplýsingar á styttri tíma.

Árekstrarnir eiga sér stað í nokkrum rýmum meðfram hröðunarhringnum. Þar eru öreindanemarnir ALICE, ATLAS, CMS, LHCf og TOTEM, en með þeim fara hinar öreindaeðlisfræðilegu mælingar fram. Nemarnir LHCf og TOTEM, sem ekki koma fram á yfirlitsmyndinni, eru í rýmum tilraunaeininganna ATLAS og CMS.

Róteindaárekstrar eru áskorun fyrir umræddar tilraunir þar eð víxlverkanirnar sem búast má við eru fjölþættari en í tilfelli rafeinda vegna væntrar innri gerðar sterkeindanna úr kvörkum og límeindum. Vegna þess hve erfitt er að framkvæma nákvæmnimælingar við sterkeindahraðalinn, hefur framhaldstilraunaeining fyrir nýju eindirnar sem hugsanlega uppgötvast þegar verið ráðgerð, létteindahraðallinn Alþjóðlegi línuhraðallinn (ILC, International Linear Collider).

Eðlisfræði

ATLAS, 2004

Feynman-uppdráttur vigurbóseindarsamruna, þekkts ferlis sem á að leiða til sköpunar Higgs-bóseinda

ATLAS og CMS eru svokallaðar margnota tilraunir. Helsti tilgangur þeirra er að sýna fram á tilvist Higgs-bóseindarinnar. Þess utan er ekki loku fyrir það skotið að með þeim uppgötvist aðrar áður óþekktar öreindir.

Einnig gera menn sér vonir um að finna vísbendingar um mögulega útvíkkun staðallíkansins, t.d. með því að sýna fram á ofursamhverfar eindir eða áður óþekktar rúmvíddir vegna styrktrar víxlverkunar við þyngdareindir eða með sköpun skammlífra svarthola. Ennfremur gæti LHC gefið upplýsingar um samsetningu dimma efnisins.

Í LHCb-tilrauninni verða sterkeindir sem innihalda botn-kvarka rannsakaðar til að ákvarða stök CKM-fylkisins nánar (B-eðlisfræði).

Tilraunir með árekstra blýkjarna, sem verða framkvæmdar sjaldnar en róteinda, eiga að framkalla skammlíft en afar orkuríkt rafgas hálffrjálsra kvarka og límeinda (kvarka-límeinda-rafgas). Í nemanum ALICE á með þessu móti að endurskapa og rannsaka skilyrðin sem ríktu í alheiminum á mjög ungu þroskaskeiði hans.

Reikningar

Til var verkefnið LHC@Home sem hafði það markmið að herma öreindabrautirnar í LHC. Það náði einnig til venjulegra tölvueigenda með dreifðri reiknun. Með því var hermt hvernig eindirnar hegðuðu sér á leið sinni gegnum rörin og hvort tjón gæti orðið vegna gallaðra segulstýringa. Þessum hermunum er lokið.

Hermun hinna eiginlegu eindaárekstra, eins og þeir skrást í nemunum, getur af sér tröllaukið gagnaflóð sem þarf óhemju reikniafl til að vinna úr. Stærð einstakra gagnabúta telst í gígabætum og er úrvinnsla þeirra því ekki framkvæmanleg á heimatölvum heldur er þörf tölvuklasa. Til að auka skilvirknina hafa mörg hundruð klasar um heim allan verið tengdir saman í reikninet - LHC-reikninetið (LCG).

Ástæðulaus ótti við tilraunirnar

Í tengslum við tilraunir óttuðust sumir að lítil svarthol gætu myndast með alvarlegum afleiðingum fyrir umhverfi sitt og jafnvel að heimsendir yrði. Slíkar áhyggjur reyndust ástæðulausar eins og vísindamenn höfðu áður haldið fram.

Myndskeið

• Tvö myndskeið úr „Welt der Physik“ um stóra sterkeindahraðalinn Geymt 14 september 2008 í Wayback Machine
• ZDF Abenteuer Wissen: „Das größte Experiment der Welt: CERN“ Geymt 15 september 2008 í Wayback Machine

Tenglar

• Opinber heimasíða
• „Ógna tilraunir CERN með stóra sterkeindahraðlinum tilvist heimsins?“. Vísindavefurinn.