O νέος επιταχυντής Large Hadron Collider (LHC) στο CERN

1. O νέος επιταχυντής Large Hadron Collider (LHC) στο CERN Κώστας Κωνσταντινίδης ΕπιβλέπωνKαθηγητής: Κος Κατσούφης

5. < Ένα πρωτόνιο επιταχυνόμενο στον LHC θα φτάνει να αποκτήσει ενέργεια μεγαλύτερη από αυτή ενός κουνουπιού που πετάει ≈ 1 TeV < 7 TeV

6. Κρυογονικές εγκαταστάσεις του LHC

8. Ερωτήματα που αναμένεται να απαντηθούν • Παραβιάζεται ο Μηχανισμός Higgs που εξηγεί την προέλευση των μαζών των στοιχειωδών σωματιδίων κατά το Καθιερωμένο Πρότυπο; Αν όχι, πόσα ΜποζόνιαHiggs υπάρχουν και ποιες είναι οι μάζες τους; • Θα συνεχίσουν οι ακριβέστερες μετρήσεις των μαζών των βαρυονίων να συμφωνούν με το Καθιερωμένο Πρότυπο; • Έχουν τα σωματίδια Υπερσυμμετρικά («SUSY») ανάλογα; • Γιατί υπάρχει η προφανής δυσαναλογία ύλης-αντιύλης; • Υπάρχουν επιπλέον διαστάσεις, όπως προβλέπεται από διάφορα μοντέλα βασισμένα στη Θεωρία Χορδών, και μπορούμε τις «δούμε»; • Γιατί είναι η βαρύτητατόσες τάξεις μεγέθους πιο αδύναμη από τις άλλες τρείς βασικές δυνάμεις;

9. Γραμμικοί επιταχυντές (linacs) • Τα πρωτόνια από την πηγή πρωτονίων (ιόντα υδρογόνου) επιταχύνονται κατά ομάδες από εναλλασσόμενο δυναμικό. • Διασχίζουν τα διάκενα μεταξύ δύο διαδοχικών κυλίνδρων όταν το πεδίο έχει φορά από τα αριστερά στα δεξιά, ενώ βρίσκονται μέσα στους κυλίνδρους οι οποίοι τα «προστατεύουν» από το πεδίο όταν το δυναμικό αλλάζει πρόσημο.

10. Κυκλικοί επιταχυντές (Σύγχροτρα) Σε περίπτωση πρωτονίου ορμής p σε GeV/c, η τιμή του πεδίου Β σε Tesla ικανοποιεί τη σχέση: p=0.3Bρ, όπου ρ η ακτίνα του δακτυλίου σε μέτρα. • Τα σωμάτια περιορίζονται σε ένα σωλήνα κενού στο εσωτερικό ενός δακτυλίου, που διαθέτει μία σειρά από ηλεκτρομαγνήτες, με σκοπό τη δημιουργία μαγνητικού πεδίου κάθετου στο επίπεδο της τροχιάς. • Τα προερχόμενα από γραμμικό επιταχυντή σωματίδια εισέρχονται στο σύγχροτρο με χαμηλή ενέργεια και σε μικρό πεδίο Β. Στη διάρκεια ενός επιταχυντικού κύκλου που συνήθως διαρκεί μερικά δευτερόλεπτα, με την αύξηση της μικροκυματικής συχνότητας και του μαγνητικού πεδίου επιτυγχάνεται η μέγιστη ενέργεια. Στη συνέχεια ο κύκλος επαναλαμβάνεται και κατά συνέπεια η δέσμη αποτελείται από διακριτούς παλμούς

11. Ευστάθεια και εστίαση των ομάδων πρωτονίων • Μαγνήτες στρέψης (απόκλισης): Δημιουργούν ομοιόμορφο κατακόρυφο διπολικό μαγνητικό πεδίο κατά πλάτος του σωλήνα τη δέσμης και συγκρατούν τα πρωτόνια σε κυκλική τροχιά. • Μαγνήτες εστίασης: προκαλούν ένα τετραπολικό μαγνητικό πεδίο που εστιάζει τη δέσμη. Κάποιο πρωτόνιο που κινείται προς τα μέσα θα δέχεται τις δυνάμεις που φαίνονται στο σχήμα. Ο μαγνήτης εστιάζει τη δέσμη κατακόρυφα και την απεστιάζει οριζόντια. Χρησιμοποιώντας έτσι διαδοχικά τετράπολα με ανάστροφους πόλους επιτυγχάνουμε διαδοχικά φαινόμενα εστίασης και απεστίασης, σε αναλογία ενός συγκλίνοντος και ενός αποκλίνοντος φακού ίδιας ισχύος, έχουμε εστίαση και στα δύο επίπεδα.

12. Ταλαντώσεις των δεσμών • Ταλαντώσεις βήτατρου: εγκάρσιες ταλαντώσεις των σωματιδίων μέσα στον σωλήνα κενού. Οφείλονται σε φυσικές αποκλίσεις της εισερχόμενης δέσμης, σε μικρές ασυμμετρίες στα πεδία και στην ευθυγράμμιση των μαγνητών κ.α. • Ταλαντώσεις σύγχροτρου: διαμήκεις ταλαντώσεις των σωματιδίων μέσα στον σωλήνα κενού. Προκύπτουν όταν μεμονωμένα σωματίδια αποκλίνουν λίγο από την ιδανική συγχρονισμένη φάση, όπου η ανα περιστροφή αύξηση της ορμής από την RF ώθηση ταιριάζει ακριβώς με την αύξηση στο μαγνητικό πεδίο. Έτσι αν ένα σωματίδιο καθυστερεί θα λάβει μικρότερη ώθηση, θα κινείται σε μικρότερη τροχιά και τελικά θα φτάσει νωρίτερα. Αντίστροφα ένα βιαστικό σωματίδιο θα λάβει μεγαλύτερη ώθηση, θα διανύσει μεγαλύτερη τροχιά και θα φτάσει αργότερα. Έτσι παρά τις ταλαντώσεις η ομάδα σαν ολότητα θα παραμένει ευσταθής.

13. Μηχανές συγκρουόμενων δεσμών Στη διάρκεια των τελευταίων δεκαετιών έχουν καθιερωθεί οι μηχανές συγκρουόμενων δεσμών αντί αυτών σταθερού στόχου. Στους επιταχυντές αυτούς δύο δέσμες σωματίων συγκρούονται σε αρκετά σημεία διασταύρωσης κατά μήκος του δακτυλίου. Το μεγάλο τους πλεονέκτημα είναι η μεγάλη διαθέσιμη ενέργεια στο σύστημα κέντρου μάζας για την παραγωγή νέων σωματίων. • Ρυθμός αντιδράσεων: • R=σL • όπου σ είναι η ενεργός διατομή αλληλεπίδρασης και L η φωτεινότητα σε cm-2s-1 • Συγκρουστήρας σταθερού στόχου: Ε=√Εbeam • Συγκρουστήρας συγκρουόμενων δεσμών Ε= 2 Εbeam • Φωτεινότητα : • L=fn(N1N2)/A • όπου Ν1, Ν2 είναι το πλήθος σωματίων της κάθε ομάδας, • n είναι ο αριθμός των ομάδων στο δακτύλιο από κάθε δέσμη, Α είναι η επιφάνεια διατομής των δεσμών και f η συχνότητα περιστροφής.

14. Συνοψίζοντας… • Πρωτόνια εισέρχονται συνεχώς από ένα γραμμικό επιταχυντή στην αρχή του επιταχυντικού κύκλου, όταν το διπολικό πεδίο είναι χαμηλό. • Καθώς πραγματοποιείται η επιτάχυνση τα επιταχυνόμενα σωματίδια ομαδοποιούνται σε έναν αριθμό ομάδων που απέχουν εξίσου. • Η πλευρική διάσταση της ομάδας καλύπτει αρχικά όλη τη διάμετρο του αερόκενου σωλήνα (γύρω στα 10cm), αλλά λόγω της εστίασης μέχρι το τέλος της επιτάχυνσης γίνεται συμπαγής μέχρι 1mm ή λιγότερο. • Τελικά η δέσμη με τη μέγιστη ενέργεια εξέρχεται από το δακτύλιο με τη βοήθεια ενός ταχέος λακτιστικού μαγνήτη (kicker magnet) ή αποφλοιώνεται αργά από τη σταθερή τροχιά της με τη βοήθεια λεπτού μεταλλικού φύλλου που μειώνει την ενέργεια της δέσμης καθώς το διαπερνά.

15. To σύμπλεγμα προεπιταχυντών στο CERN

16. Στον LHC τα σωματίδια κυκλοφορούν σε ένα σωλήνα κενού και διατηρούνται στη σωστή πορεία με τη χρήση ηλεκτρομαγνητών: διπολικοί μαγνήτες συγκρατούν τα σωματίδια στις σχεδόν κυκλικές τροχιές τους, τετραπολικοί και άλλοι διορθωτικοί μαγνήτες εστιάζουν την δέσμη και επιταχυντικές κοιλότητες και ηλεκτρομαγνητικά αντηχεία επιταχύνουν τα σωματίδια και τα διατηρούν σε μία σταθερή ενέργεια αντισταθμίζοντας την χαμένη ενέργεια.

17. Σωλήνες κενού • Τα πρωτόνια κυκλοφορούν σε ειδικούς σωλήνες μονωμένους από το κρύο (cold bore tubes) • Χαρακτηριστικά σωλήνα σε περιοχές διπολικών μαγνητών:Κατασκευάζεται από ωστενιτικό χάλυβα (μη μαγνητικό κράμα σιδήρου) Διάμετρος 53 mm, Πάχος τοιχώματος 1.5 mm • Χαρακτηριστικά σωλήνα σε περιοχές θερμοκρασίας δωματίου: Κατασκευάζεται από χαλκό, διάμετρος 80 mm πάχος τοιχώματος 2 mm. • Κενό Αέρος στον LHC: Η εσωτερική πίεση στον LHC θα είναι 10-13atm , (υπερυψηλό κενό αέρος) για να αποφεύγονται οι συγκρούσεις των σωματιδίων με τα μόρια της ατμόσφαιρας.Στην πραγματικότητα το LHC έχει τρία συστήματα κενού:- κενό μόνωσης για τους ηλεκτρομαγνήτες 10-9 atm, 10-6 Torr.- κενό μόνωσης για τη γραμμή μεταφοράς ηλίου (QRL) - και κενό στο σωλήνα της δέσμης 10-13atm , 10-10 Torr..

18. Μαγνήτες στον LHC • Υπάρχει μεγάλη ποικιλία μαγνητών στον LHC, διπολικοί, τετραπολικοί, εξαπολικοί, οκταπολικοί, δεκαπολικοί κτλ. Απαριθμώντας συνολικά περίπου 9300 μαγνήτες. Κάθε είδος μαγνήτη συνεισφέρει με διαφορετικό τρόπο στη βελτιστοποίηση της τροχιάς των σωματιδίων. Οι μεγαλύτεροι μαγνήτες είναι οι 1232 διπολικοί μαγνήτες. • Για την κατασκευή των πηνίων των ηλεκτρομαγνητών χρησιμοποιoύνταιυπεραγώγιμα καλώδια τιτανιούχου νιόβιου (NbTi).

19. Διπολικοί μαγνήτες • p=0.3Bρ • Mαγνητικό πεδίο μέχρι και 8,4 Τ. • Οι διπολικοί μαγνήτες του LHC χρησιμοποιούν καλώδιαNbTi(τιτανιούχου νιόβιου) τα οποία γίνονται υπεραγώγιμα κάτω από τους 10 Κ (-263.2 οC). Στην πραγματικότητα ο LHC θα λειτουργεί σε ακόμα χαμηλότερη θερμοκρασία 1,9 Κ (-271,3 οC) • Στα δίπολα ρέει ρεύμα 11.700 Α

20. Τετραπολικοί και διορθωτικοί μαγνήτες Τετράπολα • ~858 στον αριθμό • Εστιάζουν την δέσμη σωματιδίων Εξάπολα: • Οκτάπολα:

21. Επιταχυντικές κοιλότητες RF Ο κύριος σκοπός των κοιλοτήτων του LHC είναι η συγκέντρωση των 2808 ομάδων σε όσο το δυνατό μικρότερο χώρο ώστε να έχουμε αυξημένη φωτεινότητα και άρα μεγαλύτερο αριθμό συγκρούσεων. Επίσης παρέχουν ισχύ ραδιοσυχνότητας (RF) στη δέσμη κατά την επιτάχυνση μέχρι να φτάσει τη μέγιστη ενέργεια. Η καλύτερη λύση είναι υπεραγώγιμες κοιλότητεςνιόβιου με μικρές απώλειες ενέργειας και μεγάλα ποσά αποθηκευμένης ενέργειας. Ο LHC χρησιμοποιεί 8 κοιλότητες ανά δέσμη με τη καθεμία να αποδίδει 2 MV (επιταχυντικό πεδίο 5 MV/m) στα 400 MHz. Οι κοιλότητες θα λειτουργούν στους 4,5 Κ (-268,7οC). Για τον LHC θα ομαδοποιηθούν ανά τετράδες σε κρυομονάδες (cryomodules), με δύο κρυομονάδες ανά δέσμη.

22. Κρυογονικά συστήματα ψύξης Η επιλογή της θερμοκρασίας λειτουργίας έχει να κάνει με τις ιδιότητες του ηλίου, καθώς και με αυτές του κράματος τιτανιούχου νιόβιου στα πηνία των μαγνητών. Υπό ατμοσφαιρική πίεση το ήλιο υγροποιείται στους 4,2 Κ, μα όταν ψυχθεί περαιτέρω υποβάλλεται σε μία δεύτερη αλλαγή φάσης στους περίπου 2,17 Κ στην υπερρευστή του κατάσταση. Ανάμεσα στις άλλες αξιοσημείωτες ιδιότητές του το υπερρευστό ήλιο έχει πολύ υψηλή θερμική αγωγιμότητα που το κάνει κατάλληλο για την ψύξη υπεραγώγιμων συστημάτων μεγάλου μεγέθους. • Οι υπεραγώγιμοι μαγνήτες θα βρίσκονται σε ένα λουτρό υπερρευστού ηλίου σε ατμοσφαιρική πίεση. Το λουτρό θα ψύχεται από υγρό ήλιο χαμηλής πίεσης που θα ρέει σε σωλήνες κατά μήκος των μαγνητών. • 96t ήλιο, 60% στους μαγνήτες, το υπόλοιπο 40% θα ρέει στο σύστημα ψύξης.

23. Χαρακτηριστικά δέσμης στον LHC • Στοn LHC, υπό κανονικές συνθήκες λειτουργίας, η κάθε δέσμη αποτελείται από 2808 ομάδες και η κάθε ομάδα από 1011 πρωτόνια. • Οι ομάδες έχουν μήκος μερικών εκατοστών και πλάτος 1mm περίπου όταν βρίσκονται μακριά από κάποιο σημείο σύγκρουσης αλλά καθώς πλησιάζουν στα σημεία σύγκρουσης συμπιέζονται περίπου σε ένα πλάτος 16μm ώστε να αυξηθούν οι πιθανότητες σύγκρουσης p-p. Στο LHC η απόσταση μεταξύ των ομάδων είναι 25ns (ή περίπου 7m).

24. Όταν διασταυρωθούν δύο ομάδες θα υπάρξουν περίπου μόνο 20 συγκρούσεις για 200 δις σωματίδια. Ομάδες θα διασταυρώνονται περίπου 30 εκατομμύρια φορές το δευτερόλεπτο οπότε θα παράγονται 600 εκατομμύρια συγκρούσεις το δευτερόλεπτο.

25. Τα πειράματα Έξι πειράματα είναι εγκατεστημένα στο LHC: ATLAS (AToroidal LHC ApparatuS), CMS (Compact Muon Solenoid), ALICE (A Large Ion Collider Experiment), LHCb (Large Hadron Colliderbeauty), TOTEM (TΟΤal Εlastic and diffractive cross section Μeasurement), LHCf (Large Hadron Collider forward). ΤαATLAS, CMS, ALICEκαιLHCb είναι εγκατεστημένα σε τέσσερις τεράστιες υπόγειες σπηλιές, κατασκευασμένα γύρω από τα τέσσερα σημεία σύγκρουσης των δεσμών. Το ΤΟΤΕΜ θα εγκατασταθεί κοντά στο σημείο αλληλεπίδρασης του CMS και θα έχει ανιχνευτές σε τρία διαφορετικά σημεία κατά μήκος του σωλήνα κενού του LHC.

26. ALICE Eίναι ένας ανιχνευτής που ειδικεύεται στην ανάλυση συγκρούσεων ιόντων μολύβδου. Θα μελετήσει τις ιδιότητες του πλάσματος κουάρκ-γλουονίων, μία κατάσταση της ύλης όπου τα κουάρκ και τα γλουόνια, υπό συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας και πίεσης, δεν περιορίζονται πλέον μέσα στα αδρόνια. Μία τέτοια κατάσταση υπήρξε αμέσως μετά το big bang πριν σχηματιστούν σωματίδια όπως νετρόνια και πρωτόνια. Η διεθνής συνεργασία περιλαμβάνει περισσότερα από 1000 μέλη από 94 ιδρύματα σε 28 χώρες

27. ATLAS Eίναι ένας ανιχνευτής γενικής χρήσης που σχεδιάστηκε για να καλύψει το ευρύτερο δυνατό φάσμα έρευνας στο LHC, από την έρευνα για το μποζόνιο του Higgs μέχρι την υπερσυμμετρία (SUSY) και τις επιπλέον διαστάσεις. Έχει μήκος 46 m και ύψος 25 m, και είναι ο πιο ογκώδης ανιχνευτής που έχει κατασκευαστεί. Η συνεργασία περιλαμβάνει 1700 μέλη από 159 ιδρύματα σε 37 χώρες.

28. CMS Eπίσης ένας ανιχνευτής γενικής χρήσης σα τον ATLAS, αλλά με διαφορετικές τεχνικές λύσεις και σχεδιασμό. Είναι χτισμένος γύρω από ένα τεράστιο υπεραγώγιμο σωληνοειδές. Περισσότεροι από 2000 επιστήμονες δουλεύουν στον CMS, από 182 ιδρύματα σε 38 χώρες.

29. LHCb Ειδικεύεται στη μελέτη της ελαφριάς ασυμμετρίας ανάμεσα στην ύλη και την αντιύλη που είναι παρούσες σε αλληλεπιδράσεις Β-σωματιδίων (σωματίδια που περιέχουν το b quark). Η κατανόησή της θα είναι ανυπολόγιστης αξίας για την απάντηση του ερωτήματος: «γιατί αποτελείται το σύμπαν από την ύλη που παρατηρούμε;» Η συνεργασία αποτελείται από περισσότερα από 650 μέλη από 48 ιδρύματα σε 13 χώρες

30. LHCf Eίναι ένα μικρό πείραμα που θα μετρήσει σωματίδια που παράγονται πολύ κοντά στην κατεύθυνση των δεσμών σε συγκρούσεις p-p στον LHC. Το κίνητρο είναι ο έλεγχος των μοντέλων που χρησιμοποιούνται για την εκτίμηση της πρωταρχικής ενέργειας των κοσμικών ακτινών υπερυψηλής ενέργειας. Θα έχει ανιχνευτές 140 m από το σημείο σύγκρουσης του ATLAS. Η συνεργασία περιλαμβάνει 22 μέλη από 10 ιδρύματα σε 4 χώρες TOTEM Θα μετρήσει το ενεργό μέγεθος ή «διατομή» του πρωτονίου. Επίσης μικρό σε μέγεθος, θα εγκατασταθεί κοντά στο σημείο αλληλεπίδρασης του CMS. Θα έχει ανιχνευτές σε τρεις διαφορετικές τοποθεσίες. Συγκεκριμένα, θα εγκατασταθούν αισθητήρες πυριτίου σε ειδικούς τομείς του θαλάμου κενού στη σήραγγα του LHC περίπου 200μ μακριά από το CMS. To TOTEM έχει 82 μέλη από 11 ιδρύματα σε 8 χώρες.

31. Επεξεργασία δεδομένων (GRID) Το μέγεθος των δεδομένων που θα παράγεται από τα πειράματα του LHC θα είναι περίπου 10 Petabytes (10.000 Terabytes) το χρόνο, περισσότερο από 1000 φορές τη ποσότητα πληροφορίας σε έντυπη μορφή που τυπώνεται κάθε χρόνο σε όλο τον κόσμο, και σχεδόν το 1% του συνόλου των πληροφοριών που παράγονται από ανθρώπους σε ολόκληρη τη Γη κάθε χρόνο-συμπεριλαμβανομένων ψηφιακών φωτογραφιών κτλ. Ο μόνος τρόπος να γίνει επεξεργασία αυτού του τεράστιου ποσού πληροφορίας καθώς και η πρόσβαση σε αυτή από χιλιάδες επιστήμονες ανά τον κόσμο είναι μία νέα τεχνολογία που ονομάζεται GRID. Η τεχνολογία αυτή διαφέρει από το γνωστό μας www στο ότι είναι μια υπηρεσία για τη διανομή αποθηκευτικού χώρου και υπολογιστικής ισχύοςμέσω του Internet αντί απλώς πληροφορίας.

32. Κόστος Η κατασκευή του LHC εγκρίθηκε οριστικά το 1995 με τελικό προϋπολογισμό 3δις€, με άλλα 710 εκ. € για να καλυφθεί το κόστος των πειραμάτων και 160 € για τους υπολογιστές.Παρ’ όλα αυτά λόγω υπερβάσεων των εξόδων και εξαιτίας περικοπών στον προϋπολογισμό του CERN η ημερομηνία ολοκλήρωσης μετατέθηκε για τον Μάιο του 2008. Ζητήματα ασφαλείας Αρκετοί, ειδικευμένοι επιστήμονες ή μη, εκφράζουν ανησυχίες για την πιθανότητα πρόκλησης θεωρητικών καταστροφών που θα μπορούσαν να καταστρέψουν τη Γη ή και ολόκληρο το Σύμπαν. Τέτοια σενάρια αφορούν κυρίως τα παρακάτω θεωρητικά γεγονότα: -Δημιουργία μιας σταθερής μαύρης τρύπας -Δημιουργίαπαράξενης ύλης, πιο σταθερής από την συνήθη ύλη -Δημιουργία μαγνητικών μονόπολων που θα μπορούσαν να δράσουν ως καταλύτες της διάσπασης πρωτονίων -Δημιουργία ενός stranglet. Ένα ισχυρό επιχείρημα κατά αυτών των ανησυχιών είναι το γεγονός ότι κοσμικές ακτίνες που φτάνουν στη Γη παράγουν γεγονότα υψηλότερων ενεργειών από τον LHC, προφανώς χωρίς καταστροφικά αποτελέσματα.

33. Βιβλιογραφία • Εισαγωγή στη Φυσική Υψηλών Ενεργειών, Perkins (βιβλίο μαθήματος) • Introduction to Experimental Particle Physics, Fernow • LHC, the guide, Έκδοση του CERN • Διδακτορική διατριβή του Δημήτριου Δρακουλάκου στο CERN • Διδακτορική διατριβή της Ραχήλ-Μαρίας Αβραμίδου στο CERN Διαδίκτυο: • www.cern.ch (Βασική σελίδα του CERN) • http://lhc.web.cern.ch/lhc/ (Βασική σελίδα του LHC) • LHC Design Report • http://press.web.cern.ch/press/PhotoDatabase/welcome.html (φωτογραφικό υλικό) • en.wikipedia.org (Γενικές πληροφορίες) • www.howstuffworks.com/atom-smasher.htm (Γενικές πληροφορίες) • http://gridcafe.web.cern.ch/gridcafe/ (Βασική σελίδα του Grid) Προτεινόμενη Ιστοσελίδα: • http://athome.web.cern.ch/athome/ (Βασική σελίδα του LHC@home)

34. Τέλος