Wielki Zderzacz Hadronów (Large Hadron Collider - LHC) to ogromny akcelerator cząstek znajdujący się w CERN, Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych. Jest zaprojektowany do przyspieszania cząstek do ekstremalnych prędkości i zderzania ich ze sobą. Jest to najpotężniejszy akcelerator cząstek, jaki kiedykolwiek zbudowano. Umieszczony jest w tunelu położonym 100 metrów pod ziemią, na granicy francusko-szwajcarskiej.
Cała maszyna ma kształt koła o obwodzie 27 kilometrów i składa się z ośmiu sektorów. Naukowcy i inżynierowie mogą uzyskać dostęp do tunelu serwisowego windami i schodami rozmieszczonymi w kilku punktach na jego obwodzie.
Choć czasem stosuje się nazwę Wielki Zderzacz Hadronów jako określenie całego kompleksu zarządzanego przez CERN, to tak naprawdę jest to tylko ostatnia z całego systemu maszyn o coraz wyższych energiach. Każda z nich przyspiesza wiązkę cząstek do określonej energii przed wstrzyknięciem wiązki do następnej w łańcuchu.
Zejść poniżej atomu
Każdy zderzacz to rodzaj akceleratora, czyli maszyny wykorzystującej pola elektromagnetyczne do rozpędzania naładowanych cząstek do bardzo dużych prędkości i energii oraz do utrzymywania ich w dobrze określonych wiązkach.
Same zderzacze są wykorzystywane jako narzędzie badawcze w fizyce cząstek elementarnych, przyspieszające cząstki do bardzo wysokiej energii kinetycznej i pozwalające im uderzać w inne. Analiza produktów ubocznych tych zderzeń dostarcza informacji o strukturze materii na najbardziej podstawowym, subatomowym poziomie.
Pozostałe dwie litery w skrócie LHC oznaczają „Large”, czyli Duży, oraz „Hadron”. To ostatnie jest określeniem cząsteczek mniejszych od atomu. Tak więc LHC to akcelerator cząstek, który wypycha protony lub jony do prędkości bliskiej prędkości światła, a następnie pozwala na ich zderzanie.
Uzupełnianie „Modelu”
Naukowcy wykorzystują LHC do testowania przewidywań teoretycznych z zakresu fizyki cząstek elementarnych, zwłaszcza tych związanych z „Modelem Standardowym” fizyki cząstek elementarnych.
Jest to teoria opracowana na początku lat 70 XX wieku, opisująca cząstki podstawowe i ich interakcje. Łączy koncepcje teorii względności Einsteina z teorią kwantową i zajmuje się trzema z czterech podstawowych sił wszechświata: silnym oddziaływaniem jądrowym, słabym oddziaływaniem jądrowym i oddziaływaniem elektromagnetycznym. Nie jest to wciąż jednak kompletne wyobrażenie tego problemu. Pozostawia wiele pytań otwartych, na które LHC ma pomóc odpowiedzieć.
Największy przełom nastąpił w 2012 roku, kiedy to dzięki eksperymentom w Zderzaczu udowodniono istnienie bozonu Higgsa, który ma kluczowe znaczenie w wyjaśnieniu, dlaczego niektóre cząstki elementarne mają masę.
Niemal z prędkością światła
Ogólna zasada działania LCH jest dość prosta. Dwie wiązki cząsteczek są wystrzeliwane w przeciwnych kierunkach. Następnie zostają one przyspieszone i gdy osiągną właściwą prędkość, są kierowane na siebie, by mogły się zdarzyć.
Na początku trzeba jednak oddzielić elektrony od atomów wodoru, aby wytworzyć protony. Następnie protony wchodzą do LINAC2, maszyny, która wystrzeliwuje wiązki protonów do kolejnych akceleratorów.
Do sterowania wiązkami cząsteczek i rozpędzaniu ich do prędkości 99,99 proc. prędkości światła, Zderzacz wykorzystuje 9.600 magnesów. Są one schładzane do temperatury 1,9 stopnia Kelvina (minus 271,25 Celsjusza). Używa się do tego w sumie 10.800 ton ciekłego azotu i 60 ton ciekłego helu.
Dwie wiązki protonów wędrują po pierścieniu w przeciwnych kierunkach, biegnąc przez rurki utrzymywane w ultrawysokiej próżni i prowadzone przez wspomniane magnesy nadprzewodzące. Poruszając się z prędkością bliską światła, protony wykonują 11 245 obwodów całej 27-kilometrowej trasy na sekundę. Wiązki docierają do czterech głównych detektorów, w których cząsteczki zderzają się 800 milionów razy na sekundę.
Powstała w wyniku tego energia może się połączyć i przekształcić w nowe, masywne cząstki, w tym w kwark górny – najcięższą cząstkę subatomową, jaką kiedykolwiek zaobserwowano. Ponieważ są niestabilne, cząstki te szybko rozpadają się na wiele nowych. Gdy cząstki wtórne odlatują od punktu zderzenia, detektory mierzą ich właściwości – w tym położenie w przestrzeni, energię, pęd, masę i ładunek. Fizycy wykorzystują te informacje do ustalenia tożsamości cząstek powstałych w momencie zderzenia i przeszukują dane w poszukiwaniu anomalii.
Sieć czujników
By zarejestrować wynik eksperymentu, LHC dysponuje szeregiem wyrafinowanych detektorów, z których każdy składa się z warstw poddetektorów zaprojektowanych do pomiaru określonych właściwości lub poszukiwania konkretnych typów cząstek.
Dwa z czterech punktów zderzenia na obwodzie LHC są zajęte przez duże detektory ogólnego przeznaczenia. Compact Muon Solenoid (CMS) można to gigantyczna kamerę 3D, rejestrująca obrazy do 40 milionów razy na sekundę. ATLAS, ma identyczne przeznaczenie jak, ale różni się konstrukcją, podsystemów i magnesów.
Ogółem w całym kompleksie jest około 150 milionów czujników. Maja za zadanie zbierać dane i przesyłać je do systemów komputerowych. Ilość danych zbieranych podczas eksperymentów wynosi około 700 megabajtów na sekundę.
