Suur hadronite põrguti (LHC): maailma suurim osakeste kiirendi

Suur hadronite põrguti (LHC) on maailma suurim ja võimsaim osakeste kiirendi. Selle ehitas Euroopa Tuumauuringute Organisatsioon (CERN). Tegemist on hiiglasliku ringikujulise tunneliga, mis on ehitatud maa alla ning mille täpne asukoht on Šveitsi ja Prantsusmaa piiri all. Tunnel on umbes 27 kilomeetrit pikk ja paikneb 50–175 meetri sügavusel maa all. Projekti käigus töötas koos ligikaudu 10 000 teadlast ja inseneri üle 100 riigist ning ehituskulud ulatusid hinnanguliselt miljardeid Šveitsi franke. Tänu oma suurusele ja keerukusele on LHC praegu maailma üks tähtsamaid eksperimentaalseid uurimisrajatisi.

Kuidas LHC töötab

Nagu nimigi ütleb, uurib LHC hadronite kokkupõrkeid. Hadron on osake, mis koosneb mitmest kvargist, mida hoiab koos subatomaarne tugev jõud. Hadronite näideteks on näiteks prootonid ja neutronid. LHC-s kiirendatakse peamiselt prootonite kihte: prootonid saadakse alguses aatomitest ja seejärel kiirendatakse neid mitme eelsüsteemi kaudu (näiteks lineaarne kiirendi ja väiksemad ringkiirendid) kuni LHC sissepritseringi.

LHC kiirendab kahte prootonipartiid vastassuunaliselt ning hoiab neid äärmiselt tühjas torus, kus magnetväljad juhivad partii trajektoori. Prootonid saavutavad kiiruse, mis on väga lähedane valguse kiirusele, ning kokkupõrgetes saavutatav kesk-massi energia oli Run 2 ajal kuni 13 teraelektronvolti (TeV) kokku — vastavalt umbes 6,5 TeV ühe pildi kohta; projekti disainvõimsus on 14 TeV. Kokkupõrked võivad luua tingimusi, mis sarnanevad varajase universumi oludele, võimaldades uurida fundamentaalseid küsimusi aine ja energia kohta.

Peamised tehnoloogilised komponendid

Superkõrge-puhtusega vaakumitorud, kus osakesed liiguvad peaaegu tühi ruumis.
Rohkem kui tuhat suure võimsusega superjuhtele (peamised dipoolmangetid — 1232 tükki), mis hoiavad prootoniradu ja genereerivad magnetvälju kuni ~8,3 teslat; need töötavad väga madalal temperatuuril (~1,9 K) külmutatud vedela heeliumiga.
RF-küünlad (raadio sageduse) kiirendavad osakesi iga ringiga rohkem energiat juurde.
Komplekssed detektorid ja andmesüsteemid, mis salvestavad kokkupõrgetest tekkinud signaale ning filtreerivad ja arhiveerivad petabaite andmeid aastas.

Peamised detektorid ja eksperimentid

LHC-i juures töötab mitu suurt detektorit, millest igaüks keskendub erinevatele teaduslikule eesmärkidele:

ATLAS – üldotstarbeline detektor, uurib laia valikut uusi füüsikaprotseesse.
CMS – samuti üldotstarbeline ja ATLAS-iga koostöös eriti tugev Higgs’i bosoni ja uue füüsika otsingutes.
ALICE – keskendub raskemate ioonide (nt pliidise) kokkupõrgetele ja kvarg-gluoni plazma uurimisele.
LHCb – uurib erimoodustusi ja CP‑rikkeid, mis aitavad selgitada materjali ja antimaterjali ebavõrdsust universumis.

Mida LHC on avastanud ja uurib

LHC-i tähelepanuväärseim saavutus on Higgsi bosoni avastamine 2012. aastal (ATLAS ja CMS koos), mis kinnitas Standardmudeli olulise komponendi ja aitas mõista, kuidas osakestele tekib mass. Lisaks sellele on LHC teinud kõrgtäpsusega mõõtmisi Standardmudeli protsesside kohta, uurinud kvarg‑gluoni plazmat raskete ioonide kokkupõrgetes ning seadnud piiranguid uutele teooriatele (nt supersümmeetriale ja teistele kandidaatidele, mis võiksid seletada tumeda aine olemust).

Andmetöötlus ja koostöö

Kuna LHC tekitab väga suures mahus andmeid, kasutab CERN maailma hajutatud arvutusvõrgustikku — Worldwide LHC Computing Grid —, kus andmed säilitatakse, töödeldakse ja analüüsitakse koostöös tuhandete teadlaste ja arvutuskeskustega üle maailma. See võimaldab süvianalüüse ning paralleelseid töötlemisvooge paljudele uurimisrühmadele.

Turvalisus ja avalik hirm

LHC on olnud mõnevõrra vastuoluline avalikus arutelus (nt spekulatsioonid mustade aukude tekkimisest), kuid mitmed sõltumatud teadusuuringud ja CERNi enda ohutusuuringud on näidanud, et LHCi katsed on ohutud: kõiksugu tekkida võivaid mikro-mustasid, kui neid üldse tekiks, annaksid kiiresti tagasienergia ja ei kujutaks endast ohtu Maa või inimkonna jaoks. Kokkupõrked toimuvad kontrollitud keskkonnas ning kiirguse ja muude ohutegurite juhtimine on rangelt reguleeritud.

Tulevik ja uuendused

CERN planeerib LHC-i järkjärgulist täiustamist: High-Luminosity LHC (HL‑LHC) eesmärk on suurendada kiirendi valgustatavust (luminosity) mitu korda, mis võimaldab koguda veel suuremat hulka kokkupõrkeid ja otsida haruldasemaid protsesse. See upgrade aitab parandada mõõtmiste täpsust ja suurendada võimalusi avastusteks tulevikus. Samuti uuritakse ja arendatakse uusi tehnoloogiaid osakeste tuvastamiseks ning suurema efektiivsusega arvutusmeetodeid andmete analüüsiks.

LHC tegevus ja selle tulemused avaldavad suurt mõju mitte ainult fundamentaalsele füüsikale, vaid ka tehnoloogiate arendamisele (nt superjuhised, madalad temperatuurid, suurandmete töötlemine) ja rakendustele meditsiinis, tööstuses ning IT-valdkonnas.

CERNi suure hadronite põrguti kaart

Kuidas see töötab

LHC ioniseerib vesiniku aatomeid, et saada nende prootonid. Vesiniku aatom koosneb ainult ühest prootonist ja ühest elektronist. Kui nad ioniseerivad aatomeid, eemaldavad nad ühe elektroni, et anda aatomile positiivne netolaeng. Seejärel suunatakse vesiniku prootonid elektromagnetite abil läbi ringi. Selleks, et magnetid oleksid piisavalt tugevad, peab olema väga külm. Tunneli sisemust jahutab vedel heelium. Nad hoiavad temperatuuri veidi üle absoluutse nulli. Prootonid tabavad üksteist peaaegu valguse kiirusega ja muunduvad energiaks, kasutades E=mc2. Seejärel pöördub see ümber ja tekitab massi. Kokkupõrkekohas on neli kihti detektoreid. Plahvatus läbib iga kihi ja iga detektor registreerib reaktsiooni eri etappi.

Kui osakesed omavahel kokku põrkuvad, muundub nende energia paljudeks erinevateks osakesteks ja tundlikud detektorid jälgivad tekkinud osakesi. Detektori andmeid hoolikalt vaadates saavad teadlased uurida, millest osakesed koosnevad ja kuidas need osakesed omavahel suhtlevad. See on ainus viis mõnede osakeste avastamiseks, sest nende tekkimiseks on vaja väga suurt energiat. LHC osakeste kokkupõrgetel on vajalik energia olemas.

LHC-l on kolm peamist osa. See on osakeste kiirendi, neli detektorit ja võrk. Kiirendi tekitab kokkupõrke, kuid selle tulemusi ei saa otseselt jälgida. Detektorid muudavad selle kasutatavateks andmeteks ja saadavad need võrku. Grid on arvutivõrk, mida teadlased kasutavad andmete tõlgendamiseks. Võrgustikus on 170 asukohta 36 erinevas riigis, mis on täidetud tavaliste lauaarvutitega. Kõik need arvutid on omavahel ühendatud ja koos tegutsevad nad superarvutina. LHC Gridi peetakse kõige võimsamaks superarvutiks, mis on kunagi ehitatud. Arvutid jagavad arvutusvõimsust ja andmesalvestusruumi.

Grid on väga võimas, kuid see suudab vastu võtta ainult umbes ühe protsendi detektorite poolt saadud andmetest. Selle piirangud on ajendanud püüdlusi luua kvantarvuteid, mis võiksid kasutada seda, mida LHC on meile kvantmehaanika kohta õpetanud, et teha kiiremaid arvuteid.

Teadlased kasutasid LHC-d, et leida Higgsi boson, mis on standardmudeli järgi ennustatud osakese.

Mõned inimesed arvasid, et LHC võib tekitada musta augu, mis oleks väga ohtlik. On kaks põhjust mitte muretseda. Esimene on see, et LHC ei teinud midagi sellist, mida ei tee kosmilised kiired, mis tabavad Maad iga päev, ja need kiired ei tekita musti auke. Teine põhjus on see, et isegi kui LHC tekitaks musti auke, oleksid need väga väikesed. Mida väiksem on must auk, seda lühem on selle eluiga. Väga väikesed mustad augud aurustuksid enne, kui nad saaksid inimestele haiget teha.

LHC-d kasutati esimest korda 10. septembril 2008, kuid see ei töötanud, sest jahutussüsteem läks katki. Magnetid, mis aitavad laetud osakesi liigutada, peavad olema külmad. Rike põhjustas osa rajatise kokkuvarisemise. Labor suleti talveks ja põrguti kasutati uuesti alles 2009. aasta novembris. Remondi ajal kasutasid teadlased Tevatroni Higgsi bosoni otsimiseks. Kui LHC 2009. aasta novembris uuesti käivitus, püstitas see uue kiirusrekordi, kiirendades prootonid 1,18 TeV (teraelektronvolt ehk triljon elektronvolt). 30. märtsil 2010 tekitas LHC kolonni kiirusel 3,5 TeV.

Küsimused ja vastused

K: Mis on suur hadronite põrguti (LHC)?

V: LHC on maailma suurim ja võimsaim osakeste kiirendi. Selle ehitas Euroopa Tuumauuringute Organisatsioon (CERN) ja see on maa alla ehitatud hiiglaslik ümmargune tunnel.

K: Kus asub LHC?

V: LHC asub Šveitsi ja Prantsusmaa piiri all, selle tunnel on 17 miili (27 kilomeetrit) pikk ja asub 50-175 meetri sügavusel maa all.

K: Kes töötasid projekti ehitamisel?

V: Selle projekti ehitamiseks töötas koos 10 000 teadlast ja inseneri enam kui 100 eri riigist.

K: Kui palju maksis selle ehitamine?

V: Projekt maksis 10,4 miljardit Šveitsi franki (10 miljardit dollarit).

K: Milliseid osakesi kasutatakse LHC eksperimentides?

V: LHC eksperimentides kasutatakse peamiselt prootoneid. Prootonid on positiivse laenguga aatomite osad, mida kiirendatakse läbi tunneli, kuni nad saavutavad peaaegu valguse kiiruse.
K: Mida loodavad teadlased selle rajatise kasutamisest teada saada? V: Teadlased loodavad rohkem teada saada kvantfüüsikast ning saada aimu sellest, millised olid ruum ja aeg millisekundite jooksul pärast suurt pauku.