Velký hadronový urychlovač

Large Hadron Collider (v angličtině  : Large Hadron Collider - LHC ), je urychlovač částic do provozu v roce 2008 a nachází se v pohraniční oblasti mezi Francií a Švýcarskem mezi severozápadním okraji Ženevy a zemí z Gex ( Francie ). Je to dosud nejvýkonnější urychlovač částic, zejména od doby, kdy bylo jeho zdokonalení dokončeno v roce 2015 po dvou letech odstavení. Je dokonce uváděno jako největší experimentální zařízení, jaké kdy bylo postaveno k ověření fyzických teorií. V roce 2012 potvrdil existenci Higgsova bosonu .

LHC byl postaven v kruhovém tunelu (po obvodu 26 659  km ) svého předchůdce, urychlovače LEP ( Large Electron Positron ). Na rozdíl od druhého jsou protony - z rodiny hadronů  - urychlovány za vzniku srážek místo elektronů nebo pozitronů pro LEP.

Tyto protony budou zrychleny na energii 7  TeV , což je téměř 7500násobek jejich hmotné energie . Celková energie dvou dopadajících protonů bude tedy 14  TeV . LHC se také použije k urychlení těžkých iontů, jako je olovo, s celkovou srážkovou energií 1150  TeV pro jádro jako celek, tj. O něco více než 2,75  TeV na nukleon, který obsahuje.

Na tomto urychlovači je nainstalováno osm detektorů, z nichž čtyři jsou velmi velké, jmenovitě ATLAS , CMS , TOTEM , LHCb , ALICE , LHCf , MoEDAL a FASER ( viz jejich podrobný popis ).

Cíle

Fyzici doufají, že pomocí těchto detektorů poskytnou odpovědi na několik otázek týkajících se částicové fyziky a kosmologie :

Historický

Projekt výstavby velkého hadronového urychlovače byl oficiálně schválen v roce Prosince 1994, uspět v LEP. Čtyři instalované velké detektory (ATLAS, CMS, ALICE a LHCb) byly schváleny v letech 1996 až 1998. Uvedení do provozu bylo původně plánováno na rok 1999, ale několikanásobné technické a finanční zpoždění jej posunulo zpět na konec roku 2007. poté na konci léta 2008. K odstavení LEP nakonec došlo v roce 2000 a téměř okamžitě poté došlo k jeho demontáži a následnému zahájení výstavby LHC. V roce 2000 proběhla debata, kdy byl ukončen LEP. To poskytlo nejednoznačné výsledky na nejvyšší energií, které by to mohlo fungovat (o něco více než 200  GeV ), což naznačuje, objev Higgs boson , částice předpovídal standardní model z fyziky částic . Příležitost prodloužit životnost LEP za účelem potvrzení tohoto výsledku byla na rozdíl od demontáže LEP, aby se LHC vybudovalo co nejrychleji. Nakonec bylo přijato druhé řešení, přičemž citlivost LEP byla považována za nedostatečnou k nespornému potvrzení existence Higgsova bosonu a riziko, že by Higgsův boson byl mezitím objeven Tevatronem instalovaným ve Spojených státech, je považováno za omezené .

Podobný, ale silnější projekt urychlovače (energie 20  TeV na proton místo 7 pro LHC) byl také navržen ve Spojených státech , Supravodivý super Collider (SSC), ale v roce 1993 byl z různých rozpočtových důvodů opuštěn .

Celkové náklady na projekt pro CERN jsou 6 miliard švýcarských franků (přibližně 5,2 miliardy eur). Samotná výstavba LHC činí 4,6 miliardy švýcarských franků, včetně mzdových nákladů ve výši 20%. Část financovaná CERNem na konstrukci detektorů činí 1,1 miliardy švýcarských franků plus většinový příspěvek mimo CERN (CERN financuje 20% CMS a LHCb, 16% ALICE a 14% ATLAS). Méně než 300 milionů švýcarských franků bylo také investováno do zdokonalení injektoru ( řetězce urychlovačů, který produkuje paprsky a vstřikuje je do hlavního prstence) a IT zdrojů. Všechny prvky urychlovače a jeho experimentů (detektorů) byly zavedeny na konci roku 2007 - začátku roku 2008.

Mediální pokrytí obav z následků operace

V případě, že vědecký tisk se zvláště zdůraznila vědecké otázky experimentu, jeden z aspektů nejvíce ošetřených obecným lisu je tvořen právními kroky některých vědců, kteří požadují pozastavení experimentu ze strachu před vytvořením mikro otvorů. Černé na LHC. V astrofyzice je černá díra popisována jako objekt pohlcující vše, co mu stojí v cestě, ale mikroskopické černé díry, které by pravděpodobně vznikly na LHC, by tuto vlastnost nesdílely. Pokud by byly přesto vyrobeny, byly by kvůli své hmotnosti vystaveny fenoménu odpařování černých děr předpovězenému Stephenem Hawkingem v roce 1975 a zmizeli by dříve, než by stihli absorbovat okolní materiál. Fenomén odpařování černé díry, který nebyl nikdy experimentálně pozorován a byl veřejnosti neznámý, rizika experimentu nemohla být formálně vyvrácena a stala se populárním předmětem.

The 21. března 2008, dva lidé, Walter L. Wagner a Luis Sancho, však podali žalobu na CERN u soudu v Honolulu na Havaji z toho důvodu, že by se srážka mohla nějakým způsobem ukázat jako škodlivá, například vytvořením černé díry . Jejich stížnost byla považována za přípustnou, až poté byla s konečnou platností zamítnuta. Byla podána další stížnost, konecSrpna 2008, v Evropě, před Evropským soudem pro lidská práva ve Štrasburku ze stejných důvodů. Stížnost byla nakonec zamítnuta o několik dní později.

V důsledku těchto případů několik výzkumníků, poté CERN , zveřejnilo různé dokumenty o bezpečnosti LHC a dospělo k závěru, že urychlovač je bezpečný. Hlavním předloženým argumentem je, že horní atmosféra Země a skutečně všechna nebeská tělesa jsou neustále bombardována velmi energetickými částicemi, kosmickými paprsky . Energie vydávaná těmito srážkami může být někdy mnohem větší, než ta, která je uvedena do hry v urychlovači částic na Zemi, jako je LHC, takže jsou si jisti, že bez ohledu na vedlejší účinky těchto reakcí nebudou pro lidi nebezpečné. biosféra, jinak by se nemohla vyvíjet několik miliard let.

Strach z toho, že srážky elementárních částic povedou ke katastrofické události, není nový, datuje se téměř před deseti lety. Když byl uveden do provozu relativistický těžký iontový urychlovač (RHIC) v Brookhaven National Laboratory ( New York ), fyzik Alvaro de Rujula a dva spolupracovníci si představili katastrofický scénář, který by v zásadě mohl způsobit zničení Země. Případ také v té době vyvolal dostatečný zájem, aby bylo nutné provést podrobnou analýzu vysvětlující bezpečnost takového experimentu.

Fyzik Stephen Hawking poté, co vysvětlil své důvody pro podezření, že boson nebude pozorován v roce 2008, hovořil o svých obavách z Higgsova bosonu v roce 2014:

Higgsův boson má znepokojivý potenciál stát se metastabilní při energiích více než 100 miliard gigaelectron voltů. Mohlo by to znamenat, že vesmír může zažít katastrofický rozpad vakua, kdy se bublina rozpíná rychlostí světla. […] Může se to stát kdykoli a my bychom neviděli, že to přijde .

Srážky při 100 miliard GeV na proton by vyžadovaly urychlovač velikosti Země.

První paprsek v LHC

LHC byl nakonec zahájen dne 10. září 2008. Tisková zpráva CERN hlásila vstřikování prvního paprsku do akcelerátoru těmito slovy: „Historický okamžik v Control Center: paprsek právě udělal úplnou revoluci v urychlovači. Ženeva,10. září 2008. V 10  hodin  28 dnes ráno provedl první paprsek ve Velkém hadronovém urychlovači (LHC) v CERNu úplnou otočku 27kilometrového prstence, ve kterém je urychlovač částic nejsilnější na světě. Tato historická událost představuje přechod do nové éry vědeckých objevů, které se vaří již více než dvacet let “ .

LHC byl poprvé vypnut o několik dní později, kvůli elektrickému problému ovlivňujícímu chladicí systém. Bylo restartováno dne18. září 2008, než byl znovu zatčen a něco málo přes rok kvůli incidentu během zkoušky. Podle tiskové zprávy CERN problém pramení z velkého úniku hélia v tunelu. Tento únik byl způsoben problémem s elektrickým připojením, který způsobil roztavení dvou magnetů.

Akcelerátor se restartoval 23. října 2009 s injekcí protonů a těžkých iontů a 7. listopadu 2009, první částice byly detekovány v CMS detektoru .

The 20. listopadu 2009, protonový paprsek znovu provede několik úplných otáček urychlovače. Restart se provádí postupně při energii maximálně 1,2  TeV . The30. listopadu 2009, CERN říká, že obíhal nejenergetičtější paprsek na světě v LHC, čímž dodával protonům energii 1,18  TeV, čímž překonal rekord dříve stanovený americkým urychlovačem částic Tevatron .

První kolize

pondělí 23. listopadu 2009označuje první kolizi paprsků částic v přístroji. Na začátku odpoledne, poté, co obíhaly dva paprsky protonů v opačném směru, se setkaly na úrovni detektoru ATLAS. Později večer byl experiment opakován na detektorech CMS, ALICE a LHCb. The28. listopadu 2009, fyzici spolupráce ALICE publikovali na arXiv , článek o prvních srážkách protonů v tomto detektoru. The8. prosince 2009, došlo k nejenergetičtějším srážkám částic vyvolaných v urychlovači. Celková energie dosáhla 2,36  TeV a překonal tak předchozí rekord Tevatronu.

Od polovinyprosince 2009 proběhla technická odstávka, která skončila na konci roku 2006 února 2010 ; cílem bylo připravit stroj na provoz na 3,5  TeV na paprsek v průběhu roku 2010. To umožnilo provádět kolize s celkovou energií 7  TeV na30. března 2010ale se svítivostí 1 × 10 27  cm −2  s −1 mnohem nižší, než je nominální cíl LHC. V květnu došlo k šestinásobnému zvýšení intenzity protonových paprsků a 60násobnému zvýšení jasu srážek. Tato svítivost se během léta 2010 dále zvyšovala zvyšováním počtu injikovaných paketů, dokud v září nedosáhla svítivosti 2 × 10 31  cm − 2  s −1 . Cíl nejvyššího jasu stanovený pro rok 2010 byl překročen dne14. říjnase dosaženou svítivostí 1,48 × 10 32  cm −2  s −1 .

The 4. listopadu 2010Se protonové paprsky byly zastaveny být nahrazen těžkým iontových svazků a zejména olovo iontové paprsky . The23. května 2011, LHC dosáhl dostatečného jasu, aby vytvořil 100 milionů kolizí za sekundu.

Na začátku roku 2013 byly v rámci výzkumu stavu hmoty těsně po velkém třesku provedeny srážky protonů s ionty olova . Proudúnor 2013se LHC vrátila na několik dní ke srážkám protonů s protony. LHC byl poté odstaven, stále v provozuúnor 2013, na dlouhou dobu práce asi dva roky. Tato práce umožnila modernizaci LHC pro kolize při ještě vyšších energetických záznamech, řádově 13  TeV , očekávaných pročervna 2015. LHC obnovila svoji činnost dne5. dubna 2015.

Technická charakteristika

Postaven v tunelu 3 m v průměru a 27  km dlouhý, který sídlí na LEP (1989-2000), vrtat pod Lake Geneva roviny mezi Ženeva a Jura , procházející pod zemi Gex , v průměrné hloubce 100 metrů (mezi 50 a 175 metrů), LHC je v první řadě kruhový protonový urychlovač-urychlovač (protony proti protonům nebo pp ). Zařízení používá synchrotronovou technologii . Tyto dva částicové paprsky jsou zrychlovány v opačném směru velmi vysokofrekvenčním elektrickým polem zrychlujících dutin a klystronů . Rotují ve dvou dvojitých trubkách, kde vládne ultra vakuum , vložené do stejného supravodivého magnetického systému chlazeného kapalným heliem. Další magnety se používají k nasměrování paprsků na čtyři průsečíky, kde kolize umožní interakce mezi částicemi.

Tunel

Tunel, ve kterém je postaven LHC, je z rozpočtových důvodů ten, který dříve používal LEP. Tento tunel je dlouhý necelých 27 kilometrů (26 659 metrů) a přibližně kruhového tvaru. Ve skutečnosti je tvořen osmi oblouky kruhů zvaných oktanty, spojenými přímými úseky zvanými inzerce. Osm oktantů má stejnou strukturu a je poseté magnety, jejichž úlohou je ohýbat paprsek částic.

Výkopové práce probíhaly v letech 1983 až 1988, mimo jiné za použití tří tunelových razicích strojů . V té době to bylo největší evropské staveniště s více než 1,4 miliony kubických metrů vytěžených. Je třeba poznamenat, že samotný prsten paradoxně představoval méně než polovinu tohoto objemu, zbytek odpovídal přístupovým šachtám, jeskyním určených k uložení experimentů a více tunelů a servisních galerií.

Tento závazek nebyl bez obtíží: navzdory velikosti sestavy byla vyžadována přesnost a odchylka od teoretické trasy nakonec nepřesáhla jeden centimetr. Kvůli geologickému problému nemohla být stavba postavena dokonale vodorovně: rovina, ve které je prstenec umístěn, má tedy sklon 1,4%. A konečně, v roce 1986 tunel utrpěl průnik velkého množství vody, písku a bahna, což vedlo k přerušení místa na několik měsíců.

Supravodivé magnety

Magnetické pole potřebné k ohnutí protonového paprsku 7  TeV je 8,3  Tesla . Takových magnetických polí lze dosáhnout pomocí konvenčních elektromagnetů , ale za cenu značného elektrického proudu. Za normálních okolností by takový elektrický proud byl zdrojem velmi důležitého uvolňování tepla. Jediným způsobem, jak se tomuto problému vyhnout, je použít fenomén supravodivosti , který umožňuje tok elektrického proudu bez odvodu tepla. Supravodivost se vyskytuje pouze při velmi nízké teplotě, několik stupňů nad absolutní nulou .

9 593 supravodivých elektromagnetů, včetně 1232 zakřivených dipólových magnetů, je distribuováno kolem dvou urychlovacích prstenců stočených jeden do druhého. Tyto dipólové magnety jsou distribuovány homogenně rychlostí 154 magnetů na oktant. Kvadrupólové elektromagnety zaostřují paprsky částic. LHC má 392 hlavních čtyřpólových magnetů.

Ohybové elektromagnety jsou dlouhé 15 metrů, jsou mírně zakřivené, váží každý 34 tun, generují magnetické pole 8,3 tesla ( 83 000  gaussů) a umožňují průhyb paprsku 0,6  mm na metr. Jsou navinuty složitým drátěným lanem z niob-titanových vláken vložených do mědi . Kabel tvoří několik tisíc vláken o tloušťce 7  µm . Pro tyto cívky bylo vyrobeno 7 000  km kabelů (1 200 tun). Supravodivost udržuje elektrický proud než 12 000  ampér v kabelu (jmenovitý proud). Kryogenního chlazení na 1,9  K ( -271,3  ° C ) je dosaženo použitím 94 tun helia . Vychladnutí 40 000 tun zařízení na 1,9  K trvá šest týdnů chlazení .

Injektory LHC

Zrychlení probíhá ve fázích (pre-akcelerátory) jako v Tevatronu . LHC přijímá částice ze stávajícího řetězce obsahujícího lineární urychlovač ze série Linac (pro lineární urychlovač částic ).

Protonový urychlovač 50  MeV (Linac2), který byl nainstalován v roce 1978, dodává posilovač ( Proton Synchrotron Booster nebo PSB). Protony se poté vstřikují při 1,4  GeV do Proton Synchrotron (PS), který je zrychluje na 25  GeV před průchodem Super Proton Synchrotron (2PS) o průměru 2  km pro zvýšení energie až o 450  GeV . Dvě zařízení, LEIR ( Low-Energy Injector Ring ), iontový akumulační a chladicí kruh, a AD ( Antiproton Decelerator ), 2  GeV antiprotonový generátor, umožňují získat chlazené a zpomalené částice.

V režimu kolize těžkých iontů je zrychlovací řetězec mírně odlišný. Druhý lineární urychlovač, Linac3, zrychluje atomy olova z velmi čistého zdroje 500 kilogramů. Tyto atomy jsou částečně ionizované a ztratily až 29  elektronů (z 82, které původně obsahovaly). Zachovány jsou pouze 29krát ionizované. Poté se zrychlí na energii 4,2  MeV na nukleon (nebo přibližně 875  MeV pro celé jádro) a srazí se s uhlíkovou vrstvou, která odtrhne dalších 25 elektronů. Poté projdou nástrojem zvaným LEIR (pro nízkoenergetický iontový kruh nebo prstenec nízkoenergetických iontů), kde se zrychlí na 72  MeV na nukleon. Poté jsou injikovány do PS (aniž by procházely posilovačem, na rozdíl od protonů), což je urychluje na 5,9  GeV na nukleon. Druhý list dokončí odtržení všech elektronů z iontů, které procházejí SPS, což urychluje jádra olova na 177  GeV na nukleon, a poté je injektuje do LHC, což způsobí, že dosáhnou energie 2,76  TeV na nukleon.

Byl uveden do provozu lineární urychlovač Linac 4 9. května 2017. Je dlouhý 12 metrů a je poháněn dvěma tlakovými vodíkovými lahvemi. Vodík vstupuje do plazmové komory, kde směs s plynným cesiem přenáší elektrony z cesia na vodík a generuje H - hydridové anionty , jejichž náboj umožňuje jejich urychlení. Před spojením s LHC v roce 2019 proběhne řada testů. Linac 4 se zúčastní projektu HL-LHC (HL znamená „vysoká svítivost“), který plánuje do roku 2026 zvýšit svítivost LHC do 5 let.

Protonové paprsky

Protony se zrychlují na rychlost extrémně blízkou rychlosti světla. S energií 7  TeV , neboli 7500násobkem jejich hmotné energie , je jejich rychlost přibližně 0,999 999 991krát vyšší než rychlost světla, jinými slovy, pohybují se jen o 2,7 metru za sekundu pomaleji než světlo. (299 792 455,3 místo 299 792 458 metrů za sekundu) .

Paprsky cestují po obvodu 27  km asi 11 000krát za sekundu (každý proton se pohybuje téměř rychlostí světla , prochází prstencem za 89  us ). Každý z nich je tvořen 2808 velmi hustými shluky částic, což je obrovské zlepšení oproti LEP, který měl pouze čtyři shluky. Interval mezi pakety je obvykle 7,5 metru, což je rozdíl 25 nanosekund mezi dvěma průchody pakety. Některé pakety jsou mnohem více rozmístěny z různých důvodů údržby (vložení nových paketů nebo vysunutí stávajících paketů). Nakonec každý kolizní bod vidí 31,5 milionu kolizí paketů za sekundu.

Každý balíček obsahuje 10 11 protonů, ale během srážky se srazí jen nepatrná část protonů. Aby se maximalizovaly šance na kolizi, pakety jsou komprimovány v blízkosti detektorů, aby měřily 16 mikronů, zatímco mezi detektory může jejich šíření dosáhnout několika centimetrů na délku (podél paprsku) a jeden milimetr na šířku (kolmo ). k paprsku). Díky schopnostem zaostření paprsku se očekává přibližně 20 kolizí při střetu mezi dvěma pakety, nebo jen něco málo přes 600 milionů zaznamenatelných kolizí za sekundu na detektor. V důsledku kolizí a částic, které se během interakcí mezi pakety odchýlily od své dráhy, se protonové paprsky postupně vyčerpávaly. Jejich životnost je několik hodin.

Síla ztracená částicemi je úměrná čtvrtému výkonu poměru mezi energií paprsku a hmotou zrychlených částic a nepřímo úměrná poloměru urychlovače. Vzhledem k tomu, že protony jsou 1836krát těžší než elektrony, ztrácejí pro danou energii paprsku 10-13krát méně energie na otáčku než elektrony. Ale protony jsou složené objekty ( partony ), složené z kvarků a gluonů, což činí studium srážek složitějším než v případě srážek elektronů a pozitronů, jak tomu bylo v případě LEP. Každá srážka proton-proton bude ve skutečnosti kolizí mezi dvěma složkami patřícími k jedné a druhé protonu. Detektory budou sledovat kolize kvark-kvark, kvark-gluon nebo gluon-gluon.

Obecné parametry LHC
Energie srážky 7  TeV
Energie vstřikování 450  GeV ( 0,45  TeV )
Dipolární magnetické pole pro cirkulaci protonů při 7  TeV 8,33  T.
Jas 1 × 10 34  cm −2  s −1
Elektrický proud protonového paprsku 0,56  A
Prostor mezi obláčky 7,48  m

Správa IT

Během normálního provozu stroje proběhne každou sekundu v každém detektoru čtyř experimentů LHC (Alice, Atlas, CMS a LHCb) třicet milionů křížení mezi svazky protonů urychlovače. Každé křížení generuje srážky částic, které pak vytvářejí množství sekundárních částic (více než 6000 stop rekonstituovaných na událost těžkých iontů v detektoru, jako je CMS).

Výsledný datový proud je daleko za hranicí současných možností zpracování a ukládání, a proto jsou produkované události zpracovávány online procesy rychlého spouštění, které zahodí události považované za málo zajímavé ještě před vydáním dat.

Avšak i po tomto prvním výběru, který si zachovává pouze několik vyrobených událostí na milion, to stále dělá několik desítek až několik set událostí za sekundu, přičemž každá váží v řádu megabajtů pro nezpracovaná data (několik stovek kilobajtů pro rekonstrukci data), která se mají uložit a poté analyzovat.

Celkově bude muset počítačový systém spojený s LHC každý rok zaznamenat a analyzovat přibližně patnáct petabajtů dat.

Jelikož samotný CERN nemá dostatečný výpočetní výkon, ústavy a fyzici pracující na tomto projektu se šíří po celé planetě, a proto bylo rozhodnuto distribuovat data po celém světě pro analýzy a vytvořit softwarovou vrstvu (mřížku) pro Udělej tohle.

Počítačová mřížka LHC

Výpočetní mřížka LHC byla pojmenována WLCG ( Worldwide LHC Computing Grid ). Z hardwarového hlediska je tvořeno několika desítkami tisíc počítačů, několika desítkami petabajtů diskového a páskového úložiště distribuovaných ve více než stovce datových center po celém světě. Tato hardwarová sada je koordinována softwarovou infrastrukturou gLite ( gridový middleware ).

Tato mřížka je hierarchizovány v Tiers (stavy), aby byly rozděleny role mezi různými datovými centry zapojenými do WLCG. Ve středu je CERN (úroveň 0) zdrojem dat (zde se nachází akcelerátor a detektory). K úrovni 0 je bezprostředně připojena úroveň 1, která přijímá kopii primárních dat prostřednictvím vyhrazených vysokorychlostních odkazů (nejméně 10  gigabitů za sekundu ). Aktivita úrovně 1 zahrnuje sedm evropských center (včetně francouzského počítačového centra IN2P3 ve Villeurbanne, které bude uchovávat přibližně desetinu dat), tři americké laboratoře a jedna laboratoř v Asii. Mnoho menších laboratoří (kolem 100 po celém světě) tvoří druhý kruh struktury (Tier-2), který poskytuje výpočetní výkon pro analýzy a simulace, stejně jako dočasné úložné prostory.

Když LHC poskytne data, dosáhne na úroveň 1 proud několika gigabitů za sekundu. Tyto instituty se připojují k laboratořím třetích stran, k dalším sítím a k internetu. Dotčeno bude celkem 140 počítačových center rozložených do 33 zemí. Když LHC pracuje na 14  TeV , roční produkce dat dosáhnou 15 milionů GB neboli 15 petabajtů.

Kromě fyzikálních dat ze srážek paprsků jsou přidána data produkovaná kosmickým zářením (používaná k testování detektorů před provozem LHC), stejně jako data z počítačových simulací prováděných na výpočetní mřížce LCG.

Většina webů zapojených do projektu LCG také využívá své zdroje IT pro jiné vědecké projekty. Zejména v Evropě je síť EGEE otevřená vědcům z mnoha oborů mimo částicovou fyziku při používání stejné softwarové infrastruktury jako WLCG.

Kdokoli může také pomoci se zpracováním těchto údajů pomocí LHC @ Home .

Detektory

Během výstavby tunelu LEP bylo vytvořeno osm velkých dutin pro umístění velkého detektoru. Tyto dutiny byly překonány svislým tunelem, aby se spustilo vybavení detektoru. Na čtyřech z těchto míst byly umístěny detektory LEP ( ALEPH , DELPHI , OPAL a L3 ). Některé byly znovu použity pro čtyři velké detektory LHC, ATLAS , CMS , ALICE a LHCb .

K nim byly následně přidány další dva detektory, skromnější velikosti, TOTEM a LHCf . Posledně jmenované se také vyznačují tím, že neanalyzují výsledek čelních srážek mezi částicemi: ve skutečnosti se zajímají o takzvané „částice malého úhlu“, tj. Částice, které se jednoduše navzájem otíraly když se pakety křížily, a byly tak odkloněny od svých trajektorií bez kolize.

Detektory vybavené LHC jsou tedy ATLAS , CMS , TOTEM, LHCb , ALICE , LHCf , MoEDAL a FASER . První dva, založené na různých technologických řešeních, budou studovat fyziku částic , zejména hledání Higgsova bosonu a supersymetrických částic . TOTEM, skromnější velikosti, je určen k měření efektivní části protonů. LHCb bude studovat narušení symetrie CP prostřednictvím částic produkovaných během srážek protonů s protony a obsahujících b kvark (odtud jeho název). ALICE bude studovat jadernou fyziku v režimu srážky těžkých iontů. LHCf , také skromné ​​velikosti, bude určen pro studium částic produkovaných ve velmi malém úhlu trajektorie dopadajících protonů, což umožní lépe porozumět fenoménu interakce kosmických paprsků velmi vysoké energie s horním povrchem Země atmosféra ... Posláním MoEDAL je výzkum magnetického monopolu , hypotetické částice nesoucí magnetický náboj. Nakonec se FASER snaží detekovat hypotetické částice s velmi nízkou hmotností elektromagnetických nebo nízkých interakcí.

Experimenty s LHC paprskem
Octant Příjmení Popis Starý detektor LEP
1 ATLAS Detektor částic několika soustřednými vrstvami kalorimetrů.
46  m dlouhý, 25  m široký, 25  m vysoký. Hmotnost: 7 000 tun. 		-
1 (140 metrů na obou stranách ATLAS) LHCf Studium částic produkovaných „dopředu“ za účelem simulace účinků kosmického záření .
Dva detektory 30  cm dlouhé, 10  cm široké a 80  cm vysoké. Hmotnost: 2 × 40  kg . 		-
1 (480 metrů od ATLAS) FASER Hledejte nové světlé a slabě interagující částice, jako jsou tmavé fotony , částice podobné axionům a sterilní neutrina doprovázející vzácné rozpady hadronů. -
2 ALICE Detektor interakcí mezi těžkými ionty.
26  m dlouhý, 16  m široký, 16  m vysoký. Hmotnost: 10 000 tun. 		L3
3 - Údržba paprsku
4 - - ALEPH
5 CMS Kompaktní muonový solenoid .
21  m dlouhý, 15  m široký, 15  m vysoký. Hmotnost: 12 500 tun. 		-
5 (na obou stranách CMS) TOTEM „Dalekohled“ měřící průřez mezi dvěma protony při 14  TeV .
Několik prvků až 5  m širokých a vysokých se rozprostírá na 440  m . Celková hmotnost: 20 tun. 		-
6 - Beam krvácení OPÁL
7 - Údržba paprsku -
8 LHCb Měření asymetrií mezi hmotou a antihmotou.
21  m dlouhý, 13  m široký, 10  m vysoký. Hmotnost: 5 600 tun. 		DELPHI
8 MOEDAL Hledání magnetického monopolu -

Paprsky jsou vstřikovány mezi oktanty 1 a 2 a oktanty 1 a 8 (tj. Mezi detektory ALICE a ATLAS na jedné straně a LHCb a ATLAS na druhé straně).


Objevy

Dva roky po zahájení experimentů vědci pracující na ATLAS oznámili, že poprvé pozorovali stav teoreticky předpovězeného bottomonia , chi b mesonu .

Konec dubna 2012, vědci pracující na CMS oznámili na předpublikačním webu arXiv objev nového vzrušeného baryonu typu b s názvem Ξb ​​* 0 .

The 4. července 2012„ CERN na konferenci oznamuje, že s úrovní spolehlivosti 99,99997% (5  σ ) identifikoval nový boson v masové oblasti řádově 125–126  GeV c −2 , který se zdá být kompatibilní s Higgsovým boson. Oznámení je následováno,17. září 2012Podle publikace dvou článků v časopise Physics Letters B . The15. března 2013„ CERN potvrzuje, že se vší pravděpodobností jde skutečně o Higgsův boson.

Náklady na LHC

Se svým rozpočtem 9  miliard USD je LHC nejdražším vědeckým experimentem v nedávné historii.

Stavební náklady LHC, včetně platů, činily 8,9 miliardy eur, rozdělené mezi CERN (60%) a 608 dalších institucí distribuovaných ve 113 zemích.

LHC v umění a kultuře

Ještě před uvedením do provozu byl LHC přítomen v některých kulturních dílech. Dan Brown tedy ve své knize Andělé a démoni ( Angels and Demons ) evokuje LHC.

LHC je ústředním bodem zápletky románu Roberta J. Sawyera , Flashforward . V této knize experiment provedený na LHC umožňuje celému lidstvu nahlédnout na několik minut do budoucnosti o 20 let později.

LHC je také vystupoval v epizodě ze South Parku , je zmíněn v epizodě Eureka série (v němž je předjet jiný urychlovač), a byl zmíněn v epizodě sitcomu The Middle tak stejně jako v The Big Bang Teorie .

Scribblenauts videohra umožní LHC objevit tím, že píše jeho jméno. Jeho aktivace okamžitě odhalí černou díru , kývnutí na mediální fenomén, který obklopil jeho uvedení do provozu.

Ve Steins; Gate by LHC použil SERN (deformace CERN ) ke generování malých černých děr, které by umožňovaly přenos organické hmoty (z člověka) v čase.

Decay je horor, který v roce 2012 vytvořil Luke Thompson, tehdejší britský student v CERNu. Akce se odehrává v samotném LHC. Tento film byl natočen na webu CERN bez jeho souhlasu. Ty však nezabránily šíření na internetu.

Velký hadronový urychlovač také vstoupil do hudebního světa:

Uživatelé internetu navíc provedli fyziognomická srovnání mezi dvěma muži, které lze vidět v komplexu LHC na dvou různých fotografiích s postavami Gordona Freemana a G-Mana ze série videohry Half-Life . Tato spojení dávají smysl, když víme, že Gordon Freeman má doktorát z teoretické fyziky a že G-Man je několikrát viděn na jeho pracovišti, komplexu vědeckého výzkumu.

Skupina Thrash Metal Megadeth použila fotografii LHC k ilustraci přebalu alba Al Collider .

Budoucnost LHC

Hadronový urychlovač velké vysoké svítivosti

Vysokotlaký urychlovač s vysokou svítivostí (HL-LHC ) je zdokonalením LHC, o kterém bylo rozhodnuto v roce 2010 a které je naplánováno do provozu v roce 2026, a umožnit 5 až 10 násobení kolizí.

Budoucí kruhový urychlovač

Futuristic Circular Collider (FCC v angličtině Future Circular Collider ) je komplexní designová studie projektu navazujícího na Large Hadron Collider (post-studie LHC), který poskytuje nový dlouhý tunel o délce 80 100 km

Podívejte se také

Související články

Bibliografie

Filmografie

Poznámky a odkazy

Poznámky

  1. Toto vágní tvrzení zůstává obtížně odůvodnitelné. Například interferometry z Very Large Array nebo Very Long Baseline Array jsou astronomické přístroje s mnohem větší prostorové prodloužení (několik tisíc kilometrů za poslední město), ale Large Hadron Collider představuje objem vědeckých přístrojů. Podstatně větší.
  2. Zákony speciální relativity naznačují, že energie E částice o hmotnosti m je dána vzorcem , kde c je rychlost světla a γ je dáno , v je rychlost částice. Jejich rychlost je tedy dána vzorcem . Zde energie proton je 7 TeV , mnohem vyšší (o faktor 7500), než je jeho hmotnost energie mc 2 o 938 MeV . Potom lze přepsat vzorec udávající rychlost .  

Reference

  1. Francouzské oficiální označení podle švýcarského webu CERN .
  2. „  Restart LHC: Tentokrát jsou možnosti nekonečné  “ (přístup 27. srpna 2015 ) .
  3. (in) LHC Sezóna 2  : klíčová čísla .
  4. GF Giudice, The Odyssey of Zeptoespace: A Journey to the Heart of LHC Physics , PPUR, Lausanne 2013, ( ISBN  978-2-88-074998-9 ) .
  5. Nejčastější dotazy týkající se LHC [PDF] .
  6. (in) New York Times , Žádost soudce o záchranu světa a možná ještě mnohem víc , Dennis Overbye,29. března 2008.
  7. Stručně řečeno: americká stížnost proti LHC definitivně zamítnuta! o vědách Futura.
  8. Swissinfo.ch - CERN: stížnost proti spuštění LHC .
  9. tsr.ch - CERN: LHC bude moci začít podle plánu .
  10. (in) J. Ellis , GF Giudice , ML Mangano, I. Tkachev, U. Wiedemann Recenze bezpečnosti kolizí LHC , arXiv: 0806,3414 (hep-ph), červen 2008 Viz online .
  11. (in) Benjamin Koch , Marcus Bleicher & Horst Stoecker , Vyloučení scénářů katastrof černých děr na LHC , arXiv: 0807,3349 (hep-ph)července 2008Viz online . K dispozici je také francouzský překlad [PDF] .
  12. Tisková zpráva CERN od20. června 2008 : Rada CERN netrpělivě očekává začátek LHC . Souhrn zjištění zprávy je k dispozici také v netechnickém jazyce.
  13. Odpovědi na bezpečnostní otázky [PDF] .
  14. (in) Arnon Dar , Alvaro De Rújula a Ulrich Heinz , Zničí relativistické těžké iontové srážky naši planetu? , Physics Letters B , 470 , 142-148 (1999), hep-ph / 9910471 Viz online .
  15. (in) Robert Jaffe , W. Busza , J. Sandweiss a Frank Wilczek , Recenze spekulativních „katastrofických scénářů“ na RHIC , Recenze moderní fyziky , 72 , 1125-1140 (2000), hep-ph / 9910333 Zobrazit online .
  16. „  Stephen Hawking sází na urychlovač částic Higgs,  “ na ladepeche.fr ,10. září 2008
  17. „  Stephen Hawking tvrdí, že Higgsův boson může zničit vesmír ... a bude označen jako senzacechtivost,  “ na Slate.fr ,9. září 2014
  18. „  Ne, Stephen Hawking neřekl, že CERN a Higgsův boson se chystají zničit vesmír  “ , na journalmetro.com (přístup 17. června 2015 ) .
  19. Tisková zpráva CERN: První paprsek v LHC - vědecký urychlovač , zveřejněn dne10. září 2008.
  20. Tisková zpráva CERN: Incident v sektoru LHC 34 , zveřejněno dne20. září 2008.
  21. (en) Souhrnná analýza zprávy o nehodě19. září 2008[PDF] .
  22. (in) Částice jsou zpět v LHC! , publikováno dne26. října 2009.
  23. LHC: Kolize opět v CMS detektoru na Futura-sciences .
  24. High-tech facelift pro urychlovač částic LHC v CERNu .
  25. Nový světový rekord pro LHC ,30. listopadu 2009.
  26. Dálnice LHC vědeckým tiskem .
  27. "LHC: srážky protonů již!" » Na futura-sciences.com.
  28. (in) První srážky proton - proton na LHC, jak bylo pozorováno detektorem ALICE: měření pseudorapidity hustoty nabitých částic při sqrt (s) = 900 GeV .
  29. Nový rekord na LHC: srážky za 2,36  TeV  ! na futura-sciences.com.
  30. LHC vstupuje do nové fáze , CERN Bulletin, n o  04-05 / 2010,5. ledna 2010.
  31. CERN Tisková zpráva 30-03-2010 .
  32. Na cestě k vyšší míře , CERN Bulletin, n o  21-22 / 201024. května 2010.
  33. CERN News 07-24-2010 zvýšení jasu.
  34. Poslední zprávy z LHC: bylo dosaženo cíle svítivosti roku 2010! CERN Bulletin n o  42-43 / 2010,18. října 2010.
  35. LHC vstupuje do nové fáze ,4. listopadu 2010.
  36. urychlovač částic CERN vytvořil nový rekord , lemonde.fr,23. května 2011.
  37. [1] , [2] , [3] .
  38. Laurent Sacco, „LHC: sezóna 2 začala v Cern“ , futura-sciences.com ,7. dubna 2015.
  39. CERN 50 th  výročí; Jubileum v obrazech , viz data: 1983 „Přesnost jako motto“ a 1986 „Velká podzemní smyčka“.
  40. François Vannucci, ATLAS - Nová výzva elementárních částic, Ellipses   ed. , 2007.
  41. Fabien Goubet, „  CERN představuje nový urychlovač částic  “ , na letemps.ch ,9. května 2017(zpřístupněno 8. června 2017 ) .
  42. FAQ CERN [PDF] , průvodce LHC.
  43. (in) Track Reconstruction in Heavy Ion Events using the CMS Tracker , Christof Roland.
  44. (in) LHCCs Přehled výpočetních modelů a požadavků experimentů LHC .
  45. Webová prezentace projektu WLCG Když zahájí provoz, vyprodukuje ročně zhruba 15 petabajtů (15 milionů gigabajtů) dat .
  46. François Vanucci, Výpočetní prostředí v ATLAS - Nová výzva elementárních částic, Ellipses   ed. , 2007.
  47. Webová stránka projektu .
  48. V La Doua ukládáme paměť vesmíru .
  49. CC-IN2P3 .
  50. http://www.eu-egee.org/
  51. (fr) public.web.cern.ch; LHC; Zkušenosti .
  52. public.web.cern.ch/Public/Welcome-fr - LHC - ATLAS .
  53. public.web.cern.ch/Public/Welcome-fr - LHC - LHCf .
  54. Zkratka „FASER“ F (orw) A (rd) S (earch) E (xpe) R (iment) .
  55. public.web.cern.ch/Public/Welcome-fr - LHC - ALICE .
  56. public.web.cern.ch/Public/Welcome-fr - LHC - CMS .
  57. public.web.cern.ch/Public/Welcome-fr - LHC - TOTEM .
  58. Dokumentový server CERN; Bulletin No: 35 & 36, 24 Aug 2009  ; TOTEM a LHCf: dolaďte restart .
  59. public.web.cern.ch/Public/Welcome-fr - LHC - LHCb .
  60. "  MOEDAL | CERN  “ , na home.cern (přístup 3. ledna 2016 ) .
  61. (in) Tommaso Dorigo, ATLAS objevuje nové Chi_b rezonance , science20.com , 24. prosince 2011.
  62. Objev nové částice v CERN, Sciences & Avenir .
  63. CMS Collaboration , Pozorování vzrušeného Xi (b) baryon arXiv: 1204,5955 .
  64. „  Experimenty CERN pozorují částice, jejíž vlastnosti jsou kompatibilní s charakteristikami dlouho očekávaného Higgsova bosonu  “, Bulletin CERN ,2. července 2012( číst online )
  65. (in) Georges Aad et al. ( Spolupráce ATLAS ), „  Pozorování nové částice při hledání standardního modelu Higgsova bosonu s detektorem ATLAS na LHC  “ , Physics Letters B , sv.  716, n o  1,17. září 2012, str.  1-29 ( DOI  10.1016 / j.physletb.2012.08.020 , Bibcode  2012PhLB..716 .... 1A , arXiv  1207.7214 , číst online [PDF] , přístup 29. srpna 2014 )
  66. (en) Sergei Chatrchyan a kol. ( Spolupráce CMS ), „  Pozorování nového bosonu o hmotnosti 125 GeV s experimentem CMS na LHC  “ , Physics Letters B , sv.  716, n o  1,17. září 2012, str.  30-61 ( DOI  10.1016 / j.physletb.2012.08.021 , Bibcode  2012PhLB..716 ... 30C , arXiv  1207.7235 , číst online [PDF] , přístup 29. srpna 2014 )
  67. „  Nové výsledky naznačují, že částice objevené v CERNu jsou Higgsovým bosonem  “ , na press.web.cern.ch (tisková kancelář CERN) ,tisková zpráva ze dne 14. března 2013(zpřístupněno 29. srpna 2014 )
  68. (cs) (velmi) malý velký třesk .
  69. Věda a vie, října 2011 n o  1129, s.  70 , „Hmota promluví! "
  70. (in) Rebecca Boyle , „  Large Hadron Collider Rampaging Unleashes Zombies  “ o populární vědě ,31. října 2012(zpřístupněno 22. listopadu 2012 )
  71. (it) Gianluca Ranzini , „  Zombie al Cern di Ginevra!  » , On Focus (italský časopis) ,5. listopadu 2012(zpřístupněno 22. listopadu 2012 )
  72. Catherine McAlpine's Large Hadron Rap video .
  73.  Canyayedova píseň „  Blind Man “ .
  74. Fotografie mužů, kteří vypadají jako Gordon Freeman a G-Man .
  75. „  The High Luminosity LHC: A New Horizon for Science and Technology  “ [PDF] , na https://press.cern/en (přístup 2. listopadu 2018 )
  76. (in) „  Budoucí studie kruhového urychlovače - CERN Courier  “ na CERN Courier ,28. března 2014(zpřístupněno 14. srpna 2020 ) .
  77. Michael Benedikt, Frank Zimmermann, „  Studie Future Circular Collider (FCC)  “ (přístup k 21. září 2015 )
  78. Dokumentární.

externí odkazy