Tänk om det var möjligt att observera de grundläggande byggstenarna som universum är baserat på? Inget problem! Allt du behöver är en massiv partikelaccelerator, en underjordisk anläggning som är tillräckligt stor för att passera en gräns mellan två länder, och förmågan att accelerera partiklar till den punkt där de förintar varandra – frigör energi och massa som du sedan kan observera med en serie av speciella monitorer.
Tja, som tur är finns en sådan anläggning redan och är känd som CERN Large Hardron Collider (LHC), även känd som CERN-partikelacceleratorn. Den mäter cirka 27 kilometer i omkrets och ligger djupt under ytan nära Genève, Schweiz, och är den största partikelacceleratorn i världen. Och sedan CERN vände på strömbrytaren har LHC kastat lite allvarligt ljus över några djupare mysterier i universum.
Ändamål:
Colliders, per definition, är en typ av partikelaccelerator som förlitar sig på två riktade strålar av partiklar. Partiklar accelereras i dessa instrument till mycket höga kinetiska energier och får sedan att kollidera med varandra. Biprodukterna av dessa kollisioner analyseras sedan av forskare för att fastställa strukturen i den subatomära världen och de lagar som styr den.
Large Hadron Collider är den mest kraftfulla partikelacceleratorn i världen. Kredit: CERN
Syftet med kolliderar är att simulera typen av högenergikollisioner för att producera partikelbiprodukter som annars inte skulle existera i naturen. Dessutom sönderfaller dessa typer av partikelbiprodukter efter mycket kort tid och är därför svåra eller nästan omöjliga att studera under normala förhållanden.
Termen hadron syftar på sammansatta partiklar som består av kvarkar som hålls samman av den starka kärnkraften, en av de fyra krafterna som styr partikelinteraktion (de andra är svag kärnkraft, elektromagnetism och gravitation). De mest kända hadronerna är baryoner – protoner och neutroner – men inkluderar även mesoner och instabila partiklar som består av en kvark och en antikvark.
Design:
LHC fungerar genom att accelerera två strålar av 'hadroner' - antingen protoner eller blyjoner - i motsatta riktningar runt sin cirkulära apparat. Hadronerna kolliderar sedan efter att de har uppnått mycket höga energinivåer, och de resulterande partiklarna analyseras och studeras. Det är den största högenergiacceleratorn i världen, mäter 27 km (17 mi) i omkrets och på ett djup av 50 till 175 m (164 till 574 fot).
Tunneln som inrymmer kollideraren är 3,8 meter (12 ft) bred och användes tidigare för att hysa Stor elektron-positron kolliderare (som verkade mellan 1989 och 2000). Denna tunnel innehåller två intilliggande parallella strållinjer som skär varandra vid fyra punkter, som var och en innehåller en stråle som rör sig i motsatta riktningar runt ringen. Strålen styrs av 1 232 dipolmagneter medan 392 kvadrupolmagneter används för att hålla strålarna fokuserade.
Supraledande fyrpoliga elektromagneter används för att rikta strålarna till fyra skärningspunkter, där interaktioner mellan accelererade protoner kommer att ske. Kredit: Wikipedia Commons/gamsiz
Cirka 10 000 supraledande magneter används totalt, som hålls vid en driftstemperatur på -271,25 °C (-456,25 °F) – vilket bara är rädd för absolut noll – med cirka 96 ton flytande helium-4. Detta gör också LHC till den största kryogena anläggningen i världen.
När man genomför protonkollisioner börjar processen med den linjära partikelacceleratorn ( LINAC 2 ). Efter att LINAC 2 ökar protonernas energi, injiceras dessa partiklar sedan i Proton Synchrotron Booster (PSB), vilket accelererar dem till höga hastigheter.
De injiceras sedan i Protonsynkrotron (PS), och sedan till Super Proton Synchrtron (SPS), där de snabbas upp ytterligare innan de sprutas in i huvudacceleratorn. Väl där ackumuleras protonknippen och accelereras till sin maximala energi under en period av 20 minuter. Till sist cirkuleras de under en period av 5 till 24 timmar, under vilken tid kollisioner inträffar vid de fyra skärningspunkterna.
Under kortare löpperioder ingår tunga jonkollisioner (typiskt blyjoner) i programmet. Blyjonerna accelereras först av linjäracceleratorn LINAC 3 , och den Lågenergijonring (LEIR) används som jonlagring och kylare. Jonerna accelereras sedan ytterligare av PS och SPS innan de injiceras i LHC-ringen.
Medan protoner och blyjoner kolliderar används sju detektorer för att söka efter deras biprodukter. Dessa inkluderar En toroidformad LHC-apparat (ATLAS) experiment och Kompakt Muon solenoid (CMS), som båda är detektorer för allmänt ändamål utformade för att se många olika typer av subatomära partiklar.
Sedan finns det de mer specifika Ett experiment med stort jonkollider (ALICE) och Stor Hadron Collider skönhet (LHCb) detektorer. Medan ALICE är en detektor för tunga joner som studerar starkt interagerande materia vid extrema energidensiteter, registrerar LHCb sönderfallet av partiklar och försöker filtrera b- och anti-b-kvarkar från produkterna av deras sönderfall.
Sedan finns det de tre små och högt specialiserade detektorerna – den TOTAL Elastisk och diffraktiv tvärsnittsmätning (TOTEM) experiment, som mäter totalt tvärsnitt, elastisk spridning och diffraktiva processer; de Monopol & Exotics Detektor (MoEDAL), som söker efter magnetiska monopoler eller massiva (pseudo-)stabila laddade partiklar; och den Large Hadron Collider framåt (LHCf) som övervakar astropartiklar (alias kosmiska strålar).
Operationshistorik:
CERN, som står för Europeiska rådet för kärnforskning (eller European Council for Nuclear Research på engelska) inrättades den 29 september 1954 av tolv västeuropeiska undertecknande nationer. Rådets huvudsyfte var att övervaka skapandet av ett partikelfysiklaboratorium i Genève där kärntekniska studier skulle genomföras.
Illustration som visar biprodukterna från blyjonkollisioner, övervakade av ATLAS-detektorn. Kredit: CERN
Strax efter skapandet gick laboratoriet längre än till detta och började också bedriva högenergifysikforskning. Det har också vuxit till att omfatta tjugo europeiska medlemsländer: Frankrike, Schweiz, Tyskland, Belgien, Nederländerna, Danmark, Norge, Sverige, Finland, Spanien, Portugal, Grekland, Italien, Storbritannien, Polen, Ungern, Tjeckien, Slovakien , Bulgarien och Israel.
Konstruktionen av LHC godkändes 1995 och var ursprungligen avsedd att vara färdig 2005. Kostnadsöverskridanden, budgetnedskärningar och olika tekniska svårigheter förde dock slutdatumet till april 2007. LHC gick online den 10 september 2008, men initiala tester försenades i 14 månader efter en olycka som orsakade omfattande skador på många av kolliderens nyckelkomponenter (som supraledande magneter).
Den 20 november 2009 togs LHC online igen och dess första körning körde från 2010 till 2013. Under denna körning kolliderade den två motstående partikelstrålar av protoner och blykärnor med energier på 4 teraelektronvolt (4 TeV) och 2,76 TeV per nukleon, respektive. Huvudsyftet med LHC är att återskapa förhållanden strax efter Big Bang när kollisioner mellan högenergipartiklar ägde rum.
Viktiga upptäckter:
Under sin första körning inkluderade LHCs upptäckter en partikel som tros vara den länge eftertraktade Higgs Boson, som tillkännagavs på 4 juli 2012 . Denna partikel, som ger andra partiklar massa, är en viktig del av standardmodellen för fysik. På grund av dess höga massa och svårfångade natur, baserades denna partikels existens enbart på teori och hade aldrig tidigare observerats.
Upptäckten av Higgs Boson och den pågående driften av LHC har också gjort det möjligt för forskare att undersöka fysik bortom standardmodellen. Detta har innefattat tester ang supersymmetri teori . Resultaten visar att vissa typer av partikelsönderfall är mindre vanliga än vad vissa former av supersymmetri förutsäger, men kan fortfarande matcha förutsägelserna från andra versioner av supersymmetriteorin.
I maj 2011 rapporterades det att kvarg-gluonplasma (teoretiskt sett den tätaste materialet förutom svarta hål) hade skapats i LHC. Den 19 november 2014 tillkännagav LHCb-experimentet upptäckten av två nya tunga subatomära partiklar , som båda var baryoner sammansatta av en botten, en dun och en märklig kvark. De LHCb-samarbete observerade också flera exotiska hadroner under den första körningen, möjligen pentaquarks eller tetraquarks.
Sedan 2015 har LHC genomfört sin andra körning. Under den tiden har det ägnats åt att bekräfta upptäckten av Higgs-bosonen och göra ytterligare undersökningar av supersymmetriteori och förekomsten av exotiska partiklar på högre energinivåer.
ATLAS-detektorn, en av två allmänna detektorer vid Large Hadron Collider (LHC). Kredit: CERN
Under de kommande åren är LHC planerad för en rad uppgraderingar för att säkerställa att den inte drabbas av minskad avkastning. Under 2017-18 är LHC planerad att genomgå en uppgradering som kommer att öka dess kollisionsenergi till 14 TeV. Dessutom, efter 2022, kommer ATLAS-detektorn att få en uppgradering utformad för att öka sannolikheten att den upptäcker sällsynta processer, så kallade LHC med hög ljusstyrka .
Den kollaborativa forskningsinsatsen som kallas LHC Accelerator Research Program (LARP) bedriver för närvarande forskning om hur man kan uppgradera LHC ytterligare. Främst bland dessa är ökningar i strålströmmen och modifieringen av de två högljussamma interaktionsregionerna och ATLAS- och CMS-detektorerna.
Vem vet vad LHC kommer att upptäcka mellan nu och dagen när de äntligen stänger av strömmen? Med tur kommer det att kasta mer ljus över universums djupare mysterier, som kan inkludera den djupa strukturen av rum och tid, skärningspunkten mellan kvantmekanik och allmän relativitet, förhållandet mellan materia och antimateria och existensen av 'mörk materia'. ”.
Vi har skrivit många artiklar om CERN och LHC för Universe Today. Här är Vad är Higgs Boson? , Hypemaskinen töms efter att CERN-data inte visar någon ny partikel , BICEP2 igen? Forskare placerar Higgs Boson Discovery i tvivel , Två nya subatomära partiklar hittades , Kommer en ny partikel att tillkännages? , Fysiker kanske, bara kanske, bekräftar den möjliga upptäckten av 5:e naturkraften .
Om du vill ha mer information om Large Hadron Collider, kolla in LHC hemsida , och här är en länk till CERNs webbplats .
Astronomy Cast har också några avsnitt om ämnet. Lyssna nu, Avsnitt 69: The Large Hadron Collider och The Search for the Higgs Boson och Avsnitt 392: Standardmodellen – Intro .
Källor: