Wielki Zderzacz Hadronów -Large Hadron Collider

„LHC” przekierowuje tutaj. Inne zastosowania, patrz LHC (ujednoznacznienie) .

Wielki Zderzacz Hadronów (LHC)
LHC.svg
Układ kompleksu LHC
Właściwości ogólne
Typ akceleratora Synchrotron
Typ wiązki proton , ciężki jon
Typ celu zderzak
Właściwości belek
Maksymalna energia 6,8 TeV na wiązkę (13,6 TeV energia zderzenia)
Maksymalna jasność 1 × 10 34 /(cm 2 ⋅s)
Właściwości fizyczne
Obwód 26 659 metrów
(16,565 mil)
Lokalizacja Genewa , Szwajcaria
Współrzędne 46°14′06″N 06°02′42″E / 46,23500°N 6,04500°E / 46.23500; 6.04500 Współrzędne: 46°14′06″N 06°02′42″E / 46,23500°N 6,04500°E / 46.23500; 6.04500
Instytucja CERN
Daty operacji 2010 – obecnie
Poprzedzony Duży zderzacz elektronów i pozytonów
Wielki Zderzacz Hadronów
(LHC)
LHC.svg
Eksperymenty LHC
ATLAS Toroidalny aparat LHC
CMS Kompaktowy elektrozawór mionowy
LHCb LHC-piękno
ALICE Eksperyment z dużym zderzaczem jonów
TOTEM Całkowity przekrój, rozproszenie sprężyste i dysocjacja dyfrakcyjna
LHCf LHC-do przodu
MoEDAL Detektor monopoli i egzotyków w LHC
FASER Eksperyment wyszukiwania do przodu
SND Detektor rozproszenia i neutrin
Preakceleratory LHC
p i Pb Akceleratory liniowe dla protonów (Linac 4) i ołowiu (Linac 3)
(nieoznaczony) Wzmacniacz synchrotronu protonowego
PS Synchrotron protonowy
SPS Super synchrotron protonowy
Kompleks CERN
Kompleks akceleracyjny CERN (przycięte 2).jpeg
Obecne obiekty cząsteczkowe i jądrowe
LHC Przyspiesza protony i ciężkie jony
LEIR Przyspiesza jony
SPS Przyspiesza protony i jony
PSB Przyspiesza protony
PS Przyspiesza protony lub jony
Linak 3 Wstrzykuje ciężkie jony do LEIR
Linak4 Przyspiesza jony
OGŁOSZENIE Spowalnia antyprotony
ELENA Spowalnia antyprotony
IZOLD Wytwarza promieniotwórcze wiązki jonów

Wielki Zderzacz Hadronów ( LHC ) jest największym na świecie zderzaczem cząstek o najwyższej energii . Został zbudowany przez Europejską Organizację Badań Jądrowych (CERN) w latach 1998-2008 we współpracy z ponad 10 000 naukowców oraz setkami uniwersytetów i laboratoriów, a także ponad 100 krajami. Leży w tunelu 27 km (17 mil) w obwodzie i na głębokości 175 metrów (574 stóp) poniżej granicy francusko-szwajcarskiej w pobliżu Genewy .

Pierwsze zderzenia osiągnięto w 2010 r. przy energii 3,5  tera elektronowoltów (TeV) na wiązkę, około czterokrotnie wyższej od poprzedniego światowego rekordu. Po modernizacji osiągnął 6,5 TeV na wiązkę (całkowita energia zderzenia 13 TeV). Pod koniec 2018 roku został zamknięty na trzy lata w celu dalszych modernizacji.

Zderzacz ma cztery punkty przecięcia, w których zderzają się przyspieszone cząstki. Wokół skrzyżowań rozmieszczonych jest siedem detektorów , z których każdy przeznaczony jest do wykrywania różnych zjawisk. LHC zderza przede wszystkim wiązki protonów, ale może również przyspieszać wiązki ciężkich jonów : zderzenia ołów -ołów i proton - ołów są zwykle przeprowadzane przez jeden miesiąc w roku.

Celem LHC jest umożliwienie fizykom testowania przewidywań różnych teorii fizyki cząstek elementarnych , w tym pomiaru właściwości bozonu Higgsa w poszukiwaniu dużej rodziny nowych cząstek przewidywanych przez teorie supersymetryczne oraz innych nierozwiązanych kwestii fizyki cząstek elementarnych .

Tło

Termin hadron odnosi się do subatomowych cząstek kompozytowych składających się z kwarków utrzymywanych razem przez siłę silną (analogicznie do sposobu, w jaki atomy i cząsteczki są utrzymywane razem przez siłę elektromagnetyczną ). Najbardziej znanymi hadronami są bariony , takie jak protony i neutrony ; hadrony obejmują również mezony , takie jak pion i kaon , które odkryto podczas eksperymentów z promieniowaniem kosmicznym pod koniec lat 40. i na początku lat 50. XX wieku.

Zderzacz jest rodzajem akceleratora cząstek, który łączy ze sobą dwie przeciwstawne wiązki cząstek tak, że cząstki zderzają się. W fizyce cząstek elementarnych zderzacze, choć trudniejsze do skonstruowania, są potężnym narzędziem badawczym, ponieważ osiągają znacznie wyższy środek energii masy niż układy ze stałymi celami . Analiza produktów ubocznych tych zderzeń daje naukowcom dobre dowody na strukturę świata subatomowego i rządzące nim prawa natury. Wiele z tych produktów ubocznych powstaje tylko w wyniku zderzeń wysokoenergetycznych i po bardzo krótkim czasie ulegają rozpadowi. Dlatego wiele z nich jest trudnych lub prawie niemożliwych do zbadania w inny sposób.

Zamiar

Wielu fizyków ma nadzieję, że Wielki Zderzacz Hadronów pomoże odpowiedzieć na niektóre z podstawowych otwartych pytań fizyki, które dotyczą podstawowych praw rządzących oddziaływaniami i siłami między obiektami elementarnymi , głębokiej struktury przestrzeni i czasu, a w szczególności wzajemnych relacji między kwantami . mechanika i ogólna teoria względności .

Potrzebne są również dane z eksperymentów z cząstkami wysokoenergetycznymi, aby zasugerować, które wersje obecnych modeli naukowych mają większe szanse na poprawność – w szczególności do wyboru między modelem standardowym a modelem Higgslessa oraz do walidacji ich przewidywań i umożliwienia dalszego rozwoju teoretycznego.

Zagadnienia badane przez kolizje LHC obejmują:

Inne otwarte pytania, które można zbadać za pomocą zderzeń cząstek o wysokiej energii:

Projekt

Zderzacz znajduje się w okrągłym tunelu o obwodzie 26,7 km (16,6 mil), na głębokości od 50 do 175 metrów (164 do 574 stóp) pod ziemią. Różnice w głębokości były celowe, aby zmniejszyć ilość tunelu znajdującego się pod górami Jura, aby uniknąć konieczności drążenia tam pionowego szybu dostępowego. Wybrano tunel, aby uniknąć konieczności zakupu drogiego gruntu na powierzchni, który miałby również wpływ na krajobraz, oraz aby wykorzystać osłonę przed promieniowaniem tła, jaką zapewnia skorupa ziemska.

Mapa Wielkiego Zderzacza Hadronów w CERN

Wyłożony betonem tunel o szerokości 3,8 metra (12 stóp), zbudowany w latach 1983-1988, był wcześniej używany jako dom dla Wielkiego Zderzacza Elektronów i Pozytronów . Tunel przecina granicę między Szwajcarią a Francją w czterech punktach, przy czym większość znajduje się we Francji. W budynkach naziemnych znajdują się urządzenia pomocnicze, takie jak sprężarki, sprzęt wentylacyjny, elektronika sterująca i instalacje chłodnicze.

Nadprzewodzące elektromagnesy kwadrupolowe są wykorzystywane do kierowania wiązek do czterech punktów przecięcia, w których zachodzić będą interakcje między przyspieszonymi protonami.

Tunel zderzacza zawiera dwie sąsiednie równoległe linie wiązki (lub rury wiązki ), z których każda zawiera wiązkę, które przemieszczają się w przeciwnych kierunkach wokół pierścienia. Wiązki przecinają się w czterech punktach wokół pierścienia, gdzie dochodzi do zderzeń cząstek. Około 1232 magnesów dipolowych utrzymuje wiązki na ich kołowej ścieżce (patrz zdjęcie), podczas gdy dodatkowe 392 magnesy kwadrupolowe są używane do utrzymywania skupienia wiązek, przy czym silniejsze magnesy kwadrupolowe znajdują się blisko punktów przecięcia, aby zmaksymalizować szanse na interakcję, w której te dwa belki krzyżują się. Magnesy wyższych rzędów multipolowych służą do korygowania mniejszych niedoskonałości w geometrii pola. W sumie zainstalowanych jest około 10 000 magnesów nadprzewodzących , przy czym magnesy dipolowe mają masę ponad 27 ton. Potrzeba około 96 ton nadciekłego helu-4 , aby utrzymać magnesy wykonane z pokrytego miedzią niobu-tytanu w temperaturze roboczej 1,9 K (-271,25 °C), co czyni LHC największą instalacją kriogeniczną na świecie w stanie ciekłym temperatura helu. LHC wykorzystuje 470 ton nadprzewodnika Nb-Ti.

Podczas działania LHC, zakład CERN pobiera około 200 MW energii elektrycznej z francuskiej sieci elektrycznej , co dla porównania stanowi około jednej trzeciej zużycia energii w Genewie; akcelerator i detektory LHC pobierają z niego około 120 MW. Każdy dzień jego działania generuje 140 terabajtów danych.

Przy energii 6,5 TeV na proton, raz lub dwa razy dziennie, gdy protony są przyspieszane z 450  GeV do 6,5  TeV , pole nadprzewodzących magnesów dipolowych wzrasta z 0,54 do 7,7 tesli (T) . Każdy z protonów ma energię 6,5 TeV, co daje całkowitą energię zderzenia 13 TeV. Przy tej energii protony mają współczynnik Lorentza około 6930 i poruszają się z prędkością około 0,999 999 990  c , czyli około 3,1 m/s (11 km/h) wolniej niż prędkość światła ( c ). Przebycie 26,7 km wokół głównego pierścienia zajmuje protonowi mniej niż 90 mikrosekund (μs) . Daje to 11 245 obrotów na sekundę dla protonów, niezależnie od tego, czy cząstki mają niską czy wysoką energię w głównym pierścieniu, ponieważ różnica prędkości między tymi energiami jest poza piątym miejscem po przecinku.

Zamiast mieć ciągłe wiązki, protony są grupowane razem, w maksymalnie 2808 pęczkach , po 115 miliardów protonów w każdej pęczce, dzięki czemu interakcje między dwiema wiązkami zachodzą w dyskretnych odstępach, głównie w odstępach 25 nanosekund (ns) , zapewniając kolizję pęczków częstotliwość 40 MHz. W pierwszych latach był eksploatowany z mniejszą liczbą pęczków. Projektowana jasność LHC wynosi 10 34 cm -2 s -1 , co po raz pierwszy osiągnięto w czerwcu 2016 r. Do 2017 r. osiągnięto dwukrotnie tę wartość.

Protony LHC pochodzą z małego czerwonego zbiornika wodoru.

Przed wtryśnięciem do głównego akceleratora cząstki są przygotowywane przez szereg systemów, które sukcesywnie zwiększają ich energię. Pierwszym systemem jest liniowy akcelerator cząstek Linac4 generujący ujemne jony wodorowe o energii 160 MeV (jony H − ), który zasila wzmacniacz synchrotronu protonowego (PSB). Tam oba elektrony zostają oderwane od jonów wodorowych, pozostawiając tylko jądro zawierające jeden proton. Protony są następnie przyspieszane do 2 GeV i wstrzykiwane do synchrotronu protonowego (PS), gdzie są przyspieszane do 26 GeV. Wreszcie, supersynchrotron protonowy (SPS) jest używany do dalszego zwiększenia ich energii do 450 GeV, zanim zostaną w końcu wstrzyknięte (w ciągu kilku minut) do głównego pierścienia. Tutaj wiązki protonów są gromadzone, przyspieszane (w ciągu 20 minut ) do ich szczytowej energii, a na koniec krążą przez 5 do 24 godzin , podczas gdy w czterech punktach przecięcia dochodzi do zderzeń.

Program fizyki LHC opiera się głównie na zderzeniach proton-proton. Jednak podczas krótszych okresów pracy, zwykle jednego miesiąca w roku, program obejmuje zderzenia z ciężkimi jonami. Chociaż brane są pod uwagę również lżejsze jony, podstawowy schemat dotyczy jonów ołowiu (patrz Eksperyment z dużym zderzaczem jonów ). Jony ołowiu są najpierw przyspieszane przez akcelerator liniowy LINAC 3 , a niskoenergetyczny pierścień jonowy (LEIR) służy jako jednostka do przechowywania i chłodzenia jonów. Jony są następnie dalej przyspieszane przez PS i SPS, zanim zostaną wstrzyknięte do pierścienia LHC, gdzie osiągają energię 2,3 TeV na nukleon (lub 522 TeV na jon), wyższą niż energie osiągane przez Relatywistyczny Zderzacz Ciężkich Jonów . Celem programu ciężkich jonów jest zbadanie plazmy kwarkowo-gluonowej , która istniała we wczesnym Wszechświecie .

Detektory

Zobacz także: Lista eksperymentów Wielkiego Zderzacza Hadronów

W LHC zbudowano dziewięć detektorów, zlokalizowanych pod ziemią w dużych jaskiniach wykopanych w punktach przecięcia LHC. Dwa z nich, eksperyment ATLAS i Compact Muon Solenoid (CMS), to duże detektory cząstek ogólnego przeznaczenia . ALICE i LHCb pełnią bardziej wyspecjalizowane role, a pozostałe pięć, TOTEM , MoEDAL , LHCf , SND i FASER , jest znacznie mniejszych i służy do bardzo wyspecjalizowanych badań. Eksperymenty ATLAS i CMS odkryły bozon Higgsa, co jest mocnym dowodem na to, że Model Standardowy posiada prawidłowy mechanizm nadawania masy cząstkom elementarnym.

Detektor CMS dla LHC

Zaplecze obliczeniowe i analityczne

Główny artykuł: Ogólnoświatowa sieć obliczeniowa LHC

Dane generowane przez LHC, a także symulacje związane z LHC, zostały oszacowane na około 15 petabajtów rocznie (maksymalna przepustowość podczas pracy nie jest podana) – co było wówczas poważnym wyzwaniem.

Sieć obliczeniowa LHC została skonstruowana jako część projektu LHC, aby obsłużyć ogromne ilości danych oczekiwanych dla jego kolizji. Jest to międzynarodowy projekt współpracy, który składa się z infrastruktury sieci komputerowej opartej na siatce , początkowo łączącej 140 centrów obliczeniowych w 35 krajach (ponad 170 w 36 krajach na rok 2012). Został zaprojektowany przez CERN do obsługi znacznej ilości danych generowanych przez eksperymenty LHC, włączając zarówno prywatne łącza światłowodowe, jak i istniejące, szybkie części publicznego Internetu , aby umożliwić przesyłanie danych z CERN do instytucji akademickich na całym świecie. Sieć Open Science Grid jest wykorzystywana jako podstawowa infrastruktura w Stanach Zjednoczonych, a także jako część interoperacyjnej federacji z LHC Computing Grid.

Rozpoczęto projekt obliczeń rozproszonych LHC@home , aby wesprzeć budowę i kalibrację LHC. Projekt wykorzystuje platformę BOINC , umożliwiając każdemu, kto ma połączenie z Internetem i komputerem z systemem Mac OS X , Windows lub Linux , wykorzystanie czasu bezczynności komputera do symulacji ruchu cząstek w rurach wiązki. Dzięki tym informacjom naukowcy są w stanie określić, w jaki sposób należy skalibrować magnesy, aby uzyskać najbardziej stabilną „orbitę” wiązek w pierścieniu. W sierpniu 2011 r. uruchomiono drugą aplikację (Test4Theory), która przeprowadza symulacje w celu porównania rzeczywistych danych testowych w celu określenia poziomów ufności wyników.

Do 2012 roku dane z ponad 6 biliardów (6 × 10 15 ) Przeanalizowano zderzenia proton-proton w LHC, dane o zderzeniach LHC generowano z szybkością około 25 petabajtów rocznie, a sieć LHC Computing Grid stała się w 2012 roku największą na świecie siecią obliczeniową , obejmującą ponad 170 obiektów obliczeniowych na całym świecie sieć w 36 krajach.

Historia operacyjna

LHC po raz pierwszy zaczął działać 10 września 2008 r., ale wstępne testy zostały opóźnione o 14 miesięcy od 19 września 2008 r. do 20 listopada 2009 r., po incydencie gaszenia magnesu , który spowodował rozległe uszkodzenia ponad 50 magnesów nadprzewodzących , ich mocowań i rury próżniowej .

Podczas pierwszego uruchomienia (2010–2013) LHC zderzył dwie przeciwstawne wiązki cząstek protonów o mocy do 4  teraelektronowoltów (4 TeV lub 0,64 mikrodżuli ) lub jąder ołowiu (574 TeV na jądro lub 2,76 TeV na nukleon ). Jego pierwsze odkrycia obejmowały długo poszukiwany bozon Higgsa , kilka cząstek kompozytowych ( hadronów ), takich jak stan χ b (3P) bottomonium , pierwsze stworzenie plazmy kwarkowo-gluonowej oraz pierwsze obserwacje bardzo rzadkiego rozpadu B mezon s na dwa miony (B s 0 → μ + μ − ), co podważa ważność istniejących modeli supersymetrii .

Budowa

Wyzwania operacyjne

Rozmiar LHC stanowi wyjątkowe wyzwanie inżynieryjne z unikalnymi problemami operacyjnymi ze względu na ilość energii zmagazynowanej w magnesach i wiązkach. Podczas pracy całkowita energia zmagazynowana w magnesach wynosi 10 GJ (2400 kilogramów TNT), a całkowita energia przenoszona przez dwie wiązki osiąga 724 MJ (173 kilogramy TNT).

Utrata tylko jednej dziesięciomilionowej części ( 10-7 ) wiązki wystarcza do zgaszenia magnesu nadprzewodzącego , podczas gdy każdy z dwóch zrzutów wiązki musi pochłonąć 362 MJ (87 kilogramów TNT). Energie te są przenoszone przez bardzo mało materii: w nominalnych warunkach pracy (2808 pęczków na wiązkę, 1,15×10 11 protonów na wiązkę) rury wiązek zawierają 1,0× 10-9 gramów wodoru, który w standardowych warunkach temperatury i ciśnienia , wypełniłoby objętość jednego ziarna drobnego piasku.

Koszt

Zobacz też: Lista megaprojektów

Z budżetem w wysokości 7,5 miliarda euro (około 9 miliardów dolarów lub 6,19 miliarda funtów na czerwiec 2010 r.), LHC jest jednym z najdroższych instrumentów naukowych, jakie kiedykolwiek zbudowano. Oczekuje się, że całkowity koszt projektu wyniesie około 4,6 mld franków szwajcarskich (SFr) (około 4,4 mld USD, 3,1 mld EUR lub 2,8 mld GBP od stycznia 2010 r.) za akcelerator i 1,16 mld (SFr) ( ok. 1,1 mld USD, 0,8 mld EUR lub 0,7 mld GBP (stan na styczeń 2010 r.) na wkład CERN w eksperymenty.

Budowa LHC została zatwierdzona w 1995 r. z budżetem 2,6 mld SFr, a kolejne 210 mln SFr przeznaczone na eksperymenty. Jednak przekroczenie kosztów, oszacowane w dużym przeglądzie w 2001 r. na około 480 mln SFr dla akceleratora i 50 mln SFr dla eksperymentów, wraz ze zmniejszeniem budżetu CERN, przesunęło termin zakończenia z 2005 r. na kwiecień 2007 r. Odpowiedzialne za to magnesy nadprzewodzące. za 180 mln SFr wzrostu kosztów. Doszło również do dalszych kosztów i opóźnień z powodu trudności inżynieryjnych napotkanych podczas budowy komory dla kompaktowego elektromagnesu muonowego , a także z powodu niewystarczająco zaprojektowanych podpór magnetycznych, które nie przeszły wstępnego testu (2007) oraz uszkodzeń spowodowanych hartowaniem magnesu i ciekłym helem . ucieczka (testy inauguracyjne, 2008) (patrz: Wypadki budowlane i opóźnienia ) . Ponieważ koszty energii elektrycznej są niższe w okresie letnim, LHC zwykle nie działa w miesiącach zimowych, chociaż w przypadku zim 2009/10 i 2012/2013 dokonano wyjątków, aby zrekompensować opóźnienia rozruchu w 2008 roku i poprawić precyzję pomiarów nowej cząstki odkrytej w 2012 roku.

Wypadki budowlane i opóźnienia

  • 25 października 2005 r. technik José Pereira Lages zginął w LHC, gdy przewożona rozdzielnica spadła na niego.
  • W dniu 27 marca 2007 r. podpora magnesu kriogenicznego, zaprojektowana i dostarczona przez Fermilab i KEK , uległa uszkodzeniu podczas wstępnego testu ciśnieniowego obejmującego jeden z wewnętrznych zespołów magnesów trójdzielnych (kwadrupolowych ogniskujących) w LHC. Nikt nie został ranny. Dyrektor Fermilab Pier Oddone stwierdził: „W tym przypadku jesteśmy zdumieni, że przegapiliśmy bardzo prostą równowagę sił”. Wada była obecna w pierwotnym projekcie i utrzymywała się podczas czterech przeglądów inżynieryjnych w kolejnych latach. Analiza wykazała, że ​​jego konstrukcja, możliwie najcieńsza, aby zapewnić lepszą izolację, nie była wystarczająco wytrzymała, aby wytrzymać siły generowane podczas testów ciśnieniowych. Szczegóły dostępne są w oświadczeniu Fermilab, z którym CERN się zgadza. Naprawa uszkodzonego magnesu i wzmocnienie ośmiu identycznych zespołów używanych przez LHC opóźniło datę uruchomienia, zaplanowaną na listopad 2007 roku.
  • W dniu 19 września 2008 r., podczas wstępnych testów, wadliwe połączenie elektryczne doprowadziło do wygaszenia magnesu (nagła utrata zdolności nadprzewodzącej magnesu nadprzewodzącego z powodu nagrzewania się lub efektów pola elektrycznego ). Sześć ton przechłodzonego ciekłego helu — używanego do chłodzenia magnesów — uciekło z siłą wystarczającą do oderwania znajdujących się w pobliżu 10-tonowych magnesów i spowodowało znaczne uszkodzenie i zanieczyszczenie rury próżniowej. Naprawy i kontrole bezpieczeństwa spowodowały opóźnienie około 14 miesięcy.
  • W lipcu 2009 r. wykryto dwa wycieki próżni, a rozpoczęcie działalności zostało przesunięte na połowę listopada 2009 r.

Wykluczenie Rosji

Wraz z inwazją Rosji w 2022 r. na Ukrainę udział Rosjan w CERN stał pod znakiem zapytania. Około 8% siły roboczej jest narodowości rosyjskiej. W czerwcu 2022 r. CERN powiedział, że rada zarządzająca „zamierza wypowiedzieć” umowy o współpracy CERN z Białorusią i Rosją, gdy wygasną, odpowiednio w czerwcu i grudniu 2024 r. CERN zapowiedział, że będzie monitorować rozwój sytuacji na Ukrainie i jest gotowy do podjęcia dodatkowych kroków w uzasadnionych przypadkach. CERN poinformował ponadto, że obniży wkład Ukrainy do CERN na 2022 r. do kwoty już przekazanej Organizacji, tym samym znosząc drugą ratę składki.

Początkowe dolne prądy magnesu

Główny artykuł: Magnes nadprzewodzący § Magnes „trening”

W obu cyklach (2010-2012 i 2015) LHC początkowo pracował przy energiach poniżej planowanej energii operacyjnej i wzrósł do zaledwie 2 x 4 TeV w pierwszym przebiegu i 2 x 6,5 TeV w drugim przebiegu, poniżej energii projektowej 2 x 7 TeV. Dzieje się tak, ponieważ masywne magnesy nadprzewodnikowe wymagają znacznego szkolenia magnesów, aby poradzić sobie z wysokimi prądami bez utraty zdolności do nadprzewodnictwa , a wysokie prądy są niezbędne, aby zapewnić wysoką energię protonów. Proces „treningu” polega na wielokrotnym uruchamianiu magnesów z niższymi prądami, aby wywołać ewentualne wygaszanie lub niewielkie ruchy. Ochłodzenie magnesów do temperatury roboczej około 1,9 K (bliskiej zera bezwzględnego ) również wymaga czasu. Z biegiem czasu magnes „dokłada się” i przestaje gasić przy tych mniejszych prądach i może poradzić sobie z pełnym prądem projektowym bez wygaszania; Media CERN opisują magnesy jako „wstrząsające” nieuniknione drobne niedoskonałości produkcyjne w swoich kryształach i pozycjach, które początkowo osłabiły ich zdolność do radzenia sobie z planowanymi prądami. Magnesy, z biegiem czasu i treningiem, stopniowo stają się w stanie poradzić sobie z pełnymi planowanymi prądami bez wygaszania.

Testy inauguracyjne (2008)

Pierwsza wiązka została przepuszczona przez zderzacz rankiem 10 września 2008 r. CERN z powodzeniem wystrzelił protony wokół tunelu etapami, po trzy kilometry na raz. Cząstki zostały wystrzelone w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara do akceleratora i skutecznie ominęły go o godzinie 10:28 czasu lokalnego. LHC pomyślnie zakończył swój główny test: po serii próbnych przebiegów na ekranie komputera pojawiły się dwie białe kropki, pokazując, że protony przebyły całą długość zderzacza. Poprowadzenie strumienia cząstek wokół jego inauguracyjnego obiegu zajęło mniej niż godzinę. Następnie CERN z powodzeniem wysłał wiązkę protonów w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, co trwało nieco dłużej o półtorej godziny z powodu problemu z kriogeniką , a pełny obwód został ukończony o 14:59.

Incydent ugasić

W dniu 19 września 2008 r. w około 100 zginających się magnesach w sektorach 3 i 4 doszło do hartowania magnesu , gdzie awaria elektryczna doprowadziła do utraty około sześciu ton ciekłego helu ( kriogenicznego chłodziwa magnesów ), który został wypuszczony do tunelu. Ulatniająca się para rozszerzyła się z siłą wybuchu, uszkadzając łącznie 53 magnesy nadprzewodzące i ich mocowania oraz zanieczyszczając rurę próżniową , która również utraciła warunki próżni.

Krótko po incydencie CERN poinformował, że najbardziej prawdopodobną przyczyną problemu było wadliwe połączenie elektryczne między dwoma magnesami, a ze względu na czas potrzebny na rozgrzanie dotkniętych sektorów, a następnie schłodzenie ich z powrotem do temperatury roboczej naprawa zajmie co najmniej dwa miesiące. CERN opublikował tymczasowy raport techniczny i wstępną analizę incydentu odpowiednio w dniach 15 i 16 października 2008 r. oraz bardziej szczegółowy raport w dniu 5 grudnia 2008 r. Analiza incydentu przez CERN potwierdziła, że ​​rzeczywiście przyczyną była usterka elektryczna. Wadliwe połączenie elektryczne doprowadziło (prawidłowo) do awaryjnego przerwania zasilania systemów elektrycznych zasilających magnesy nadprzewodzące, ale spowodowało również łuk elektryczny (lub wyładowanie), które uszkodziło integralność obudowy przechłodzonego helu i izolacji próżniowej, powodując temperatura i ciśnienie gwałtownie wzrosną poza zdolność systemów bezpieczeństwa do ich powstrzymania, co prowadzi do wzrostu temperatury o około 100 stopni Celsjusza w niektórych magnesach, których to dotyczy. Energia zmagazynowana w magnesach nadprzewodzących i szum elektryczny indukowany w innych detektorach gaszących również odegrały rolę w szybkim nagrzewaniu. Około dwóch ton ciekłego helu uciekło wybuchowo, zanim detektory uruchomiły awaryjne zatrzymanie, a kolejne cztery tony wyciekły przy niższym ciśnieniu w następstwie. Łącznie 53 magnesy zostały uszkodzone w wypadku i zostały naprawione lub wymienione podczas zimowego przestoju. Ten wypadek został dokładnie omówiony w artykule z 22 lutego 2010 roku poświęconym nauce i technologii nadprzewodników przez fizyka z CERN -u Lucio Rossi .

Zgodnie z pierwotnym harmonogramem uruchomienia LHC, pierwsze „skromne” zderzenia wysokoenergetyczne o energii w środku masy wynoszącej 900 GeV miały mieć miejsce przed końcem września 2008 r., a LHC miał działać przy 10 godz. TeV do końca 2008 roku. Jednak ze względu na opóźnienie spowodowane incydentem zderzacz nie działał do listopada 2009 roku. Pomimo opóźnienia LHC został oficjalnie otwarty 21 października 2008 roku w obecności przywódców politycznych, ministrów nauki 20 państw członkowskich CERN, urzędnicy CERN i członkowie światowej społeczności naukowej.

Większość 2009 r. poświęcono na naprawy i przeglądy szkód spowodowanych wypadkiem z hartowaniem, wraz z dwoma kolejnymi wyciekami próżni zidentyfikowanymi w lipcu 2009 r.; to przesunęło rozpoczęcie działalności do listopada tego roku.

Bieg 1: pierwszy bieg operacyjny (2009-2013)

Seminarium z fizyki LHC Johna Iliopoulosa (2009).

20 listopada 2009 r. niskoenergetyczne wiązki krążyły w tunelu po raz pierwszy od incydentu, a wkrótce potem, 30 listopada, LHC osiągnął 1,18 TeV na wiązkę, stając się akceleratorem cząstek o najwyższej energii na świecie, pokonując Tevatron ”. s poprzedni rekord 0,98 TeV na wiązkę utrzymywaną przez osiem lat.

Na początku 2010 r. nastąpił ciągły wzrost energii wiązki i wczesne eksperymenty fizyczne do 3,5 TeV na wiązkę, a 30 marca 2010 r. LHC ustanowił nowy rekord w zderzeniach wysokoenergetycznych poprzez zderzenia wiązek protonów na łącznym poziomie energii 7 TeV. Próba była trzecią tego dnia, po dwóch nieudanych próbach, w których protony musiały zostać „wyrzucone” ze zderzacza i trzeba było wstrzyknąć nowe wiązki. Oznaczało to również początek głównego programu badawczego.

Pierwsza seria protonów zakończyła się 4 listopada 2010. Seria z jonami ołowiu rozpoczęła się 8 listopada 2010 i zakończyła 6 grudnia 2010, co pozwoliło eksperymentowi ALICE na badanie materii w ekstremalnych warunkach, podobnych do tych krótko po Wielkim Wybuchu.

CERN pierwotnie planował, że LHC będzie działać do końca 2012 r., z krótką przerwą pod koniec 2011 r., aby umożliwić zwiększenie energii wiązki z 3,5 do 4 TeV na wiązkę. Pod koniec 2012 r. planowano tymczasowe wyłączenie LHC do około 2015 r., aby umożliwić modernizację do planowanej energii wiązki 7 TeV na wiązkę. Pod koniec 2012 r., w świetle odkrycia bozonu Higgsa w lipcu 2012 r. , zamknięcie zostało przesunięte o kilka tygodni na początek 2013 r., aby umożliwić uzyskanie dodatkowych danych przed wyłączeniem.

Długie wyłączenie 1 (2013-2015)

Sekcja LHC

LHC został wyłączony 13 lutego 2013 r. z powodu dwuletniej modernizacji o nazwie Long Shutdown 1 (LS1), która miała dotyczyć wielu aspektów LHC: umożliwiania zderzeń przy 14 TeV, ulepszania detektorów i akceleratorów wstępnych (proton Synchrotron i Super Proton Synchrotron), a także wymiana systemu wentylacji i 100 km (62 mil) okablowania uszkodzonego przez zderzenia o wysokiej energii od pierwszego uruchomienia. Zmodernizowany zderzacz rozpoczął swój długi proces uruchamiania i testowania w czerwcu 2014 r., przy czym wzmacniacz synchrotronu protonowego rozpoczął się 2 czerwca 2014 r., ostateczne połączenie między magnesami zostało ukończone z krążącymi cząstkami synchrotronu protonowego w dniu 18 czerwca 2014 r., a pierwsza sekcja główny system supermagnesów LHC osiągający kilka dni później temperaturę roboczą 1,9 K (−271,25 °C). Ze względu na powolny postęp w „uczeniu” magnesów nadprzewodzących postanowiono rozpocząć drugi przebieg z niższą energią 6,5 TeV na wiązkę, co odpowiada prądowi 11 000 amperów . Doniesiono, że pierwszy z głównych magnesów LHC został pomyślnie przeszkolony do 9 grudnia 2014 r., podczas gdy szkolenie innych sektorów magnesów zostało zakończone w marcu 2015 r.

Bieg 2: drugi bieg operacyjny (2015-2018)

W dniu 5 kwietnia 2015 r. LHC uruchomiono ponownie po dwuletniej przerwie, podczas której złącza elektryczne między magnesami zginającymi zostały zmodernizowane, aby bezpiecznie obsługiwać prąd wymagany dla 7 TeV na wiązkę (energia zderzenia 14 TeV). Jednak magnesy zginające zostały przeszkolone tylko do obsługi do 6,5 TeV na wiązkę (energia zderzenia 13 TeV), która stała się energią operacyjną w latach 2015-2018. Energia została po raz pierwszy osiągnięta 10 kwietnia 2015 r. Ulepszenia zakończyły się zderzeniem ze sobą protonów o łącznej energii 13 TeV. 3 czerwca 2015 r. LHC rozpoczął dostarczanie danych fizycznych po prawie dwóch latach offline. W kolejnych miesiącach była wykorzystywana do zderzeń proton-proton, natomiast w listopadzie maszyna przeszła na zderzenia jonów ołowiu, aw grudniu rozpoczęło się zwykłe zimowe przestoje.

W 2016 roku operatorzy maszyn skupili się na zwiększeniu jasności w zderzeniach proton-proton. Wartość projektową po raz pierwszy osiągnięto 29 czerwca, a dalsze ulepszenia zwiększyły wskaźnik kolizji do 40% powyżej wartości projektowej. Łączna liczba kolizji w 2016 roku przekroczyła liczbę z Biegu 1 – przy wyższej energii na zderzenie. Po biegu proton-proton następowały cztery tygodnie zderzeń proton-ołów.

W 2017 roku jasność została dodatkowo zwiększona i osiągnęła dwukrotność wartości projektowej. Łączna liczba kolizji również była wyższa niż w 2016 roku.

Bieg fizyczny w 2018 roku rozpoczął się 17 kwietnia i zakończył 3 grudnia, wliczając w to cztery tygodnie zderzeń ołowiu z ołowiem.

Długie zamknięcie 2 (2018-2022)

Long Shutdown 2 (LS2) rozpoczął się 10 grudnia 2018 r. Utrzymano i zmodernizowano LHC i cały kompleks akceleratorów CERN. Celem aktualizacji było wdrożenie projektu High Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC), który zwiększy jasność o współczynnik 10. LS2 zakończył się w kwietniu 2022 roku. Odbędzie się Long Shutdown 3 (LS3) w latach 2020. przed zakończeniem projektu HL-LHC.

Bieg 3: trzeci bieg operacyjny (2022)

LHC ponownie zaczął działać 22 kwietnia 2022 r. z nową maksymalną energią wiązki 6,8 TeV (13,6 TeV energii zderzenia), którą po raz pierwszy osiągnięto 25 kwietnia. Oficjalnie rozpoczął swój trzeci sezon fizyki 5 lipca 2022 r. Oczekuje się, że runda ta potrwa do 2026 r. Oprócz wyższej energii oczekuje się, że LHC osiągnie wyższą jasność, która ma jeszcze bardziej wzrosnąć wraz z aktualizacją do HL-LHC po przebiegu 3.

Kalendarium operacji

Poza modelem standardowym
CMS Higgs-event.jpg
Symulowane dane detektora cząstek Large Hadron Collider CMS przedstawiające bozon Higgsa wytwarzany przez zderzenia protonów rozpadających się na dżety hadronowe i elektrony
Model standardowy
Dowód
Teorie
Supersymetria
Grawitacja kwantowa
Eksperymenty
Data Wydarzenie
10 września 2008 CERN z powodzeniem wystrzelił etapami pierwsze protony wokół całego obwodu tunelu.
19 września 2008 Wygaszanie magnetyczne nastąpiło w około 100 zginających się magnesach w sektorach 3 i 4, powodując utratę około 6 ton ciekłego helu .
30 września 2008 Planowane pierwsze „skromne” zderzenia wysokoenergetyczne, ale przełożone z powodu wypadku.
16 paź 2008 CERN opublikował wstępną analizę wypadku.
21 paź 2008 Oficjalna inauguracja.
5 grudnia 2008 CERN opublikował szczegółową analizę.
20 lis 2009 Po raz pierwszy od wypadku w tunelu krążyły niskoenergetyczne wiązki.
23 listopada 2009 Pierwsze zderzenia cząstek we wszystkich czterech detektorach przy 450 GeV.
30 listopada 2009 LHC staje się akceleratorem cząstek o najwyższej energii na świecie, osiągając 1,18 TeV na wiązkę, bijąc poprzedni rekord Tevatron wynoszący 0,98 TeV na wiązkę utrzymywany przez osiem lat.
15 grudnia 2009 Pierwsze wyniki naukowe, obejmujące 284 zderzenia w detektorze ALICE .
30 marca 2010 Dwie wiązki zderzyły się przy 7 TeV (3,5 TeV na wiązkę) w LHC o 13:06 CEST, rozpoczynając program badawczy LHC.
8 listopada 2010 Początek pierwszego przebiegu z jonami ołowiu.
6 grudnia 2010 Koniec serii z jonami ołowiu. Zamknięcie do początku 2011 roku.
13 marca 2011 Początek 2011 r. z wiązkami protonów.
21 kwi 2011 LHC staje się akceleratorem hadronów o największej na świecie jasności, osiągając szczytową jasność 4,67·10 32  cm - 2 s -1 , bijąc poprzedni rekord Tevatrona wynoszący 4·10 32  cm - 2 s -1 utrzymywany przez jeden rok.
24 maja 2011 ALICE donosi, że plazma kwarkowo-gluonowa została osiągnięta dzięki wcześniejszym zderzeniom ołowiu.
17 cze 2011 Eksperymenty wysokiej jasności ATLAS i CMS osiągają 1 fb -1 zebranych danych.
14 paź 2011 LHCb osiąga 1 fb -1 zebranych danych.
23 paź 2011 Eksperymenty wysokiej jasności ATLAS i CMS osiągają 5 fb -1 zebranych danych.
lis 2011 Drugi przebieg z jonami ołowiu.
22 grudnia 2011 Pierwsze nowe odkrycie cząstki kompozytowej, mezon b (3P) bottomonium , obserwowany w zderzeniach proton-proton w 2011 roku.
5 kwi 2012 Pierwsze kolizje ze stabilnymi belkami w 2012 roku po zimowym przestoju. Energia zostaje zwiększona do 4 TeV na wiązkę (8 TeV w zderzeniach).
4 lip 2012 Pierwszym odkryciem nowej cząstki elementarnej było zaobserwowanie nowego bozonu, który jest „zgodny” z teoretycznym bozonem Higgsa . (Teraz zostało to potwierdzone jako sam bozon Higgsa).
8 lis 2012 Pierwsza obserwacja bardzo rzadkiego rozpadu mezonu B s na dwa miony (B s 0 → μ + μ − ), główny test teorii supersymetrii , pokazuje wyniki przy 3,5 sigma, które pasują raczej do Modelu Standardowego niż do wielu jego super-symetrii. warianty symetryczne.
20 sty 2013 Początek pierwszego przebiegu zderzenia protonów z jonami ołowiu.
11 lut 2013 Koniec pierwszego przebiegu zderzenia protonów z jonami ołowiu.
14 lut 2013 Początek pierwszego długiego wyłączenia w celu przygotowania zderzacza na wyższą energię i jasność.
Długie wyłączenie 1
7 marca 2015 Testy wtryskowe dla Run 2 wysyłają protony do LHCb i ALICE
5 kwi 2015 Obie wiązki krążyły w zderzaczu. Cztery dni później osiągnięto nowy rekord energii 6,5 TeV na proton.
20 maja 2015 Protony zderzyły się w LHC przy rekordowej energii zderzenia 13 TeV.
3 czerwca 2015 Rozpoczęcie dostarczania danych fizycznych po prawie dwóch latach offline w celu ponownego uruchomienia.
4 listopada 2015 Koniec zderzeń protonów w 2015 roku, rozpoczęcie przygotowań do zderzeń jonów.
lis 2015 Zderzenia jonów przy rekordowej energii powyżej 1 PeV (10 15 eV)
13 gru 2015 Koniec zderzeń jonów w 2015 r.
23 kwi 2016 Rozpoczęcie zbierania danych w 2016 roku
29 czerwca 2016 LHC osiąga jasność 1,0 · 10 34  cm -2 s -1 , co jest wartością projektową. Dalsze ulepszenia w ciągu roku zwiększyły jasność do 40% powyżej wartości projektowej.
26 paź 2016 Koniec 2016 zderzenia proton-proton
10 listopada 2016 Początek 2016 r. zderzenia proton-ołów
3 grudnia 2016 Koniec 2016 zderzenia proton-ołów
24 maja 2017 Początek 2017 r. zderzeń proton-proton. W 2017 roku jasność wzrosła dwukrotnie w stosunku do wartości projektowej.
10 listopada 2017 Koniec normalnego trybu kolizji proton-proton z 2017 roku.
17 kwi 2018 Początek 2018 r. zderzeń proton-proton.
12 lis 2018 Koniec 2018 r. operacje protonowe w CERN.
3 gru 2018 Koniec biegu jonowego 2018.
10 gru 2018 Koniec operacji fizyki 2018 i początek Long Shutdown 2.
Długie wyłączenie 2
22 kwi 2022 LHC znów zaczyna działać.

Ustalenia i odkrycia

Początkowo badania skupiały się na zbadaniu możliwego istnienia bozonu Higgsa , kluczowej części Modelu Standardowego fizyki, który był przewidziany przez teorię, ale nie został jeszcze wcześniej zaobserwowany ze względu na jego dużą masę i nieuchwytną naturę. Naukowcy z CERN oszacowali, że jeśli Model Standardowy byłby poprawny, LHC wytwarzałby kilka bozonów Higgsa na minutę, pozwalając fizykom ostatecznie potwierdzić lub obalić istnienie bozonu Higgsa. Ponadto LHC umożliwiło poszukiwanie cząstek supersymetrycznych i innych hipotetycznych cząstek jako możliwych nieznanych obszarów fizyki. Niektóre rozszerzenia Modelu Standardowego przewidują dodatkowe cząstki, takie jak ciężkie bozony o cechowaniu W' i Z' , które, jak się szacuje, również znajdują się w zasięgu LHC do odkrycia.

Pierwsze uruchomienie (dane z lat 2009–2013)

Pierwsze wyniki fizyczne z LHC, obejmujące 284 zderzenia, które miały miejsce w detektorze ALICE , zostały zgłoszone 15 grudnia 2009 r. Wyniki pierwszych zderzeń proton-proton przy energiach wyższych niż zderzenia proton-antyproton Fermilabu w Tevatron zostały opublikowane przez CMS Współpraca na początku lutego 2010 r. przyniosła większą niż przewidywano produkcję naładowanego hadronu .

Po pierwszym roku zbierania danych, eksperymentalna współpraca LHC zaczęła publikować swoje wstępne wyniki dotyczące poszukiwań nowej fizyki wykraczającej poza Model Standardowy w zderzeniach proton-proton. W danych z 2010 roku nie wykryto żadnych dowodów na obecność nowych cząstek. W rezultacie ustalono granice dozwolonej przestrzeni parametrów różnych rozszerzeń Modelu Standardowego, takich jak modele z dużymi dodatkowymi wymiarami , ograniczone wersje Minimalnego Supersymetrycznego Modelu Standardowego i inne.

24 maja 2011 r. doniesiono, że w LHC powstała plazma kwarkowo-gluonowa (najgęstsza materia, jaka przypuszcza się, że istnieje poza czarnymi dziurami ).

Diagram Feynmana przedstawiający sposób, w jaki bozon Higgsa może być wytwarzany w LHC. Tutaj każdy z dwóch kwarków emituje bozon W lub Z , które łączą się, tworząc neutralny Higgs.

Między lipcem a sierpniem 2011 roku na konferencjach w Grenoble i Bombaju zaprezentowano wyniki poszukiwań bozonu Higgsa i cząstek egzotycznych, oparte na danych zebranych w pierwszej połowie 2011 roku. Na ostatniej konferencji poinformowano, że pomimo wskazań sygnału Higgsa we wcześniejszych danych, ATLAS i CMS wykluczają z 95% poziomem ufności (przy użyciu metody CLs ) istnienie bozonu Higgsa o ​​właściwościach przewidzianych przez Model Standardowy powyżej większość obszaru masy między 145 a 466 GeV. Poszukiwania nowych cząstek również nie dały sygnałów, co pozwoliło na dalsze zawężenie przestrzeni parametrów różnych rozszerzeń Modelu Standardowego, w tym jego rozszerzeń supersymetrycznych .

13 grudnia 2011 r. CERN poinformował, że bozon Higgsa Modelu Standardowego, jeśli istnieje, najprawdopodobniej ma masę ograniczoną do zakresu 115–130 GeV. Zarówno detektory CMS, jak i ATLAS wykazały również piki intensywności w zakresie 124–125 GeV, zgodne z szumem tła lub obserwacją bozonu Higgsa.

W dniu 22 grudnia 2011 r. poinformowano, że zaobserwowano nową cząstkę kompozytową, stan χb ( 3P) bottomonium .

4 lipca 2012 r. zespoły CMS i ATLAS poinformowały o odkryciu bozonu w obszarze masy około 125–126 GeV, o istotności statystycznej na poziomie 5 sigma każdy. Spełnia to formalny poziom wymagany do ogłoszenia nowej cząstki. Zaobserwowane właściwości były zgodne z bozonem Higgsa, ale naukowcy byli ostrożni, czy jest on formalnie zidentyfikowany jako faktycznie bozon Higgsa, w oczekiwaniu na dalszą analizę. 14 marca 2013 r. CERN ogłosił potwierdzenie, że obserwowana cząstka rzeczywiście była przewidywanym bozonem Higgsa.

8 listopada 2012 r. zespół LHCb poinformował o eksperymencie postrzeganym jako „złoty” test teorii supersymetrii w fizyce, polegający na pomiarze bardzo rzadkiego rozpadu mezonu na dwa miony ( ). Wyniki, które są zgodne z przewidywaniami niesupersymetrycznego Modelu Standardowego , a nie przewidywaniami wielu gałęzi supersymetrii, pokazują, że rozpady są mniej powszechne niż niektóre formy przewidywań supersymetrii, chociaż nadal mogą odpowiadać przewidywaniom innych wersji teorii supersymetrii. Stwierdzono, że wyniki w początkowej wersji są niedostateczne, ale mają stosunkowo wysoki poziom istotności 3,5 sigma . Wynik został później potwierdzony przez współpracę z CMS.

W sierpniu 2013 r. zespół LHCb ujawnił anomalię w rozkładzie kątowym produktów rozpadu mezonu B , której nie można było przewidzieć za pomocą Modelu Standardowego; ta anomalia miała statystyczną pewność 4,5 sigma, niewiele mniej niż 5 sigma, które trzeba było oficjalnie uznać za odkrycie. Nie wiadomo, jaka byłaby przyczyna tej anomalii, chociaż zaproponowano bozon Z' jako możliwy kandydat.

W dniu 19 listopada 2014 roku eksperyment LHCb ogłosił odkrycie dwóch nowych ciężkich cząstek subatomowych,
ja−
boraz
Ξ∗−
b. Oba są barionami złożonymi z jednego dna, jednego dolnego i jednego dziwnego kwarka. Są to stany wzbudzone dolnego barionu Xi .

Współpraca LHCb zaobserwowała wiele egzotycznych hadronów, prawdopodobnie pentakwarków lub tetrakwarków , w danych z przebiegu 1. 4 kwietnia 2014 współpraca potwierdziła istnienie kandydata tetrakwarka Z(4430) o znaczeniu ponad 13,9 sigma. 13 lipca 2015 r. wyniki zgodne ze stanami pentakwarków w rozpadach dolnych barionów Lambda (Λ0
_) zostały zgłoszone.

28 czerwca 2016 współpraca ogłosiła rozpad czterech cząstek podobnych do tetrakwarków na mezony J/ψ i φ, z których tylko jedna była dobrze znana wcześniej (X(4274), X(4500) i X(4700) oraz X( 4140) ).

W grudniu 2016 roku ATLAS zaprezentował pomiar masy bozonu W, badając precyzję analiz wykonywanych w Tevatronie.

Drugi bieg (2015-2018)

Na lipcowej konferencji EPS-HEP 2015 kooperacje zaprezentowały pierwsze przekrojowe pomiary kilku cząstek o wyższej energii zderzenia.

15 grudnia 2015 r. eksperymenty ATLAS i CMS przyniosły szereg wstępnych wyników wyszukiwania fizyki Higgsa, supersymetrii (SUSY) i egzotyki przy użyciu danych o zderzeniach protonów 13 TeV. Oba eksperymenty wykazały umiarkowany nadmiar około 750 GeV w dwufotonowym niezmiennym widmie masowym , ale eksperymenty nie potwierdziły istnienia hipotetycznej cząstki w raporcie z sierpnia 2016 roku.

W lipcu 2017 r. pokazano wiele analiz opartych na dużym zbiorze danych zebranych w 2016 r. Bardziej szczegółowo zbadano właściwości bozonu Higgsa i poprawiono precyzję wielu innych wyników.

Według stanu na marzec 2021 r. eksperymenty LHC odkryły 59 nowych hadronów w danych zebranych podczas pierwszych dwóch przebiegów.

5 lipca 2022 LHCb poinformował o odkryciu nowego typu pentakwarku złożonego z kwarku powabnego i antykwarku powabnego oraz kwarku górnego, dolnego i dziwnego, zaobserwowanego w analizie rozpadów naładowanych mezonów B.

Planowana modernizacja „wysoka jasność”

Główny artykuł: Wielki Zderzacz Hadronów o wysokiej jasności

Po kilku latach działania, każdy eksperyment z zakresu fizyki cząstek elementarnych zazwyczaj zaczyna cierpieć z powodu malejących wyników : gdy kluczowe wyniki osiągalne przez urządzenie zaczynają być kończone, późniejsze lata działania odkrywają proporcjonalnie mniej niż lata wcześniejsze. Powszechną odpowiedzią jest modernizacja zaangażowanych urządzeń, zwykle w energię zderzeń, jasność lub ulepszone detektory. Oprócz możliwego zwiększenia energii zderzenia do 14 TeV, w czerwcu 2018 r. rozpoczęto modernizację LHC o nazwie Wielki Zderzacz Hadronów o Wysokiej Luminosity, która zwiększy potencjał akceleratora w zakresie nowych odkryć w fizyce, począwszy od 2027 roku. przy zwiększeniu jasności maszyny o współczynnik 10, do 10 35  cm -2 s -1 , co daje większą szansę na zobaczenie rzadkich procesów i poprawę statystycznie marginalnych pomiarów.

Planowany Przyszły Circular Collider (FCC)

CERN ma kilka wstępnych projektów przyszłego zderzacza kołowego (FCC) — który byłby najpotężniejszym rozbijaczem cząstek, jaki kiedykolwiek zbudowano — z różnymi typami zderzaczy o koszcie od około 9 miliardów euro (10,2 miliarda dolarów) do 21 miliardów euro. Jest to oferta otwierająca CERN w procesie ustalania priorytetów, zwanym aktualizacją Europejskiej Strategii Fizyki Cząstek, i będzie miała wpływ na przyszłość tej dziedziny w drugiej połowie wieku. Nie wszyscy są przekonani, że FCC to dobra inwestycja. „Nie ma powodu sądzić, że powinna istnieć nowa fizyka w reżimie energetycznym, do którego taki zderzacz dotarłby” – mówi Sabine Hossenfelder , fizyk teoretyczny z Instytutu Badań Zaawansowanych we Frankfurcie w Niemczech. Hossenfelder mówi, że te duże sumy można by lepiej przeznaczyć na inne rodzaje ogromnych obiektów. Mówi na przykład, że umieszczenie dużego radioteleskopu po drugiej stronie Księżyca lub detektora fal grawitacyjnych na orbicie byłoby bezpieczniejsze niż zderzacz, jeśli chodzi o ich zwrot w nauce.

Bezpieczeństwo zderzeń cząstek

Główny artykuł: Bezpieczeństwo eksperymentów zderzeń cząstek o wysokiej energii

Eksperymenty w Wielkim Zderzaczu Hadronów wzbudziły obawy, że zderzenia cząstek mogą wywołać zjawiska zagłady, obejmujące produkcję stabilnych mikroskopijnych czarnych dziur lub tworzenie hipotetycznych cząstek zwanych strangeletami . W dwóch przeglądach bezpieczeństwa zleconych przez CERN zbadano te obawy i stwierdzono, że eksperymenty w LHC nie stanowią zagrożenia i nie ma powodów do obaw, wniosek zatwierdzony przez Amerykańskie Towarzystwo Fizyczne .

W raportach zauważono również, że warunki fizyczne i zdarzenia kolizyjne, które występują w LHC i podobnych eksperymentach, występują naturalnie i rutynowo we wszechświecie bez niebezpiecznych konsekwencji, w tym promieni kosmicznych o ultrawysokiej energii, które obserwowane są w oddziaływaniu na Ziemię z energiami znacznie wyższymi niż w jakimkolwiek innym . zderzacz stworzony przez człowieka.

Kultura popularna

Wielki Zderzacz Hadronów zyskał znaczną uwagę spoza środowiska naukowego, a jego postęp jest śledzony przez większość popularnonaukowych mediów. LHC zainspirowało także dzieła beletrystyczne, w tym powieści, seriale telewizyjne, gry wideo i filmy.

„Large Hadron Rap” pracowniczki CERN, Katherine McAlpine , przekroczył 7 milionów wyświetleń na YouTube . Zespół Les Horribles Cernettes został założony przez kobiety z CERN-u. Nazwa została wybrana tak, aby miała takie same inicjały jak LHC.

Najtrudniejsze na świecie poprawki National Geographic Channel , sezon 2 (2010), odcinek 6 „Atom Smasher” przedstawia wymianę ostatniej sekcji magnesu nadprzewodzącego w naprawie zderzacza po incydencie z gaszeniem w 2008 roku. Odcinek zawiera rzeczywisty materiał filmowy z warsztatu naprawczego do wnętrza zderzacza oraz objaśnienia funkcji, inżynierii i celu LHC.

Piosenka „Monachium” z albumu studyjnego Scars & Stories zespołu The Fray z 2012 roku jest inspirowana LHC. Wokalista Isaac Slade powiedział w wywiadzie dla The Huffington Post : „W Szwajcarii znajduje się ten duży zderzacz cząstek, który w pewnym sensie pomaga naukowcom odsunąć zasłonę od tego, co tworzy grawitację i masę. które zaproponował Einstein, a które właśnie zostały zaakceptowane od dziesięcioleci, zaczynają być kwestionowane. Szukają Boskiej Cząstki, zasadniczo cząstki, która spaja to wszystko razem. Ta piosenka jest tak naprawdę tylko tajemnicą, dlaczego wszyscy jesteśmy tutaj i co trzyma to wszystko razem, wiesz?

Wielki Zderzacz Hadronów był głównym tematem studenckiego filmu Decay z 2012 roku , a film był kręcony w tunelach konserwacyjnych CERN-u.

Film dokumentalny Particle Fever śledzi fizyków eksperymentalnych w CERN, którzy przeprowadzają eksperymenty, a także fizyków teoretycznych, którzy próbują zapewnić ramy koncepcyjne dla wyników LHC. Wygrał Sheffield International Doc/Fest w 2013 roku.

Fikcja

Powieść Anioły i demony Dana Browna dotyczy antymaterii stworzonej w LHC do użycia w broni przeciwko Watykanowi. W odpowiedzi CERN opublikował „Fakt czy fikcja?” strona omawiająca dokładność przedstawienia w książce LHC, CERN i ogólnie fizyki cząstek elementarnych. Filmowa wersja książki zawiera materiał filmowy nakręcony na miejscu podczas jednego z eksperymentów w LHC; reżyser, Ron Howard , spotkał się z ekspertami CERN-u w celu uściślenia nauki zawartej w historii.

W powieści wizualnej/ mandze /anime-serii Steins;Gate SERN (celowe błędna pisownia CERN) to organizacja, która wykorzystuje miniaturowe czarne dziury powstałe w wyniku eksperymentów w LHC do opanowania podróży w czasie i przejęcia władzy nad światem. Jest również zaangażowany w masową czujność poprzez projekt „ ECHELON ” i ma powiązania z wieloma grupami najemników na całym świecie, aby uniknąć tworzenia innych wehikułów czasu.

Powieść FlashForward autorstwa Roberta J. Sawyera dotyczy poszukiwania bozonu Higgsa w LHC. CERN opublikował stronę „Science and Fiction”, w której przeprowadza się wywiady z Sawyerem i fizykami na temat książki i opartego na niej serialu telewizyjnego .

W odcinku The 200 American Dad Roger przypadkowo wpada do Wielkiego Zderzacza Hadronów, co powoduje ogromną eksplozję, która tworzy dwieście klonów jego wielu postaci.

W amerykańskim sitcomie The Big Bang Theory odcinek „The Large Hadron Collision” (sezon 3, odcinek 15), Leonard ma szansę odwiedzić Wielki Zderzacz Hadronów.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki

Wideo
Aktualności