Nagy hadronütköző

A Large Hadron Collider ( angolul  : Large Hadron Collider - LHC ) egy részecskegyorsító, amelyet 2008-ban állítottak üzembe, és amely Franciaország és Svájc közötti határrégióban található Genf északnyugati perifériája és a Gex-től ( Franciaország ) származó ország között . Ez az eddigi legerősebb részecskegyorsító, különösen annak fejlesztése óta, amely kétéves leállás után 2015- ben fejeződött be . Még a legnagyobb kísérleti eszközként is emlegetik, amelyet valaha építettek a fizikai elméletek érvényesítésére. Az 2012 -ben megerősítette a a Higgs-bozon .

Az LHC az elődje, az LEP ( Large Electron Positron ) ütköző kör alakú alagútjában (26,659  km kerülete) épült . Ez utóbbival ellentétben a hadron családból származó protonok  gyorsulnak, hogy ütközéseket eredményezzenek, az elektronok vagy a pozitronok helyett a LEP számára.

Ezek a protonok felgyorsul az energiája 7  TeV , vagy majdnem 7500-szeresére tömeg energia . Két beeső proton teljes energiája így 14  TeV lesz . Az LHC-t olyan nehéz ionok felgyorsítására is fel fogják használni, mint az ólom , amelynek teljes ütközési energiája a mag egészében 1150  TeV , azaz valamivel több, mint 2,75  TeV / benne lévő nukleon .

Nyolc detektor, amelyek közül négy nagyon nagy, telepítve vannak erre a gyorsítóra, nevezetesen az ATLAS , CMS , TOTEM , LHCb , ALICE , LHCf , MoEDAL és FASER ( lásd részletes leírásukat ).

Célok

A fizikusok remélik, hogy a detektorok segítségével válaszokat adnak a részecskefizikával és a kozmológiával kapcsolatos kérdésekre :

Történelmi

A nagy hadronütköző megépítésének projektjét hivatalosan jóváhagyták 1994. december, hogy sikeres legyen a LEP. A beépített négy nagy érzékelőt (ATLAS, CMS, ALICE és LHCb) 1996 és 1998 között hagyták jóvá. Az üzembe helyezést eredetileg 1999-re tervezték, de a többszörös technikai és pénzügyi késések 2007 végére, majd nyár végén 2008. A LEP leállítása végül 2000-ben történt, és leszerelése, majd az LHC építésének megkezdése szinte azonnal utána történt. Vitára 2000-ben került sor, amikor a LEP-t bezárták. Ez elő egyértelmű eredményeket a legmagasabb energiák működhetne (több mint 200  GeV ), ami arra utal, a felfedezés a Higgs-bozon egy részecske jósolta a standard modell a részecskefizika . Az LEP élettartamának meghosszabbításának lehetősége ennek az eredménynek a megerősítése érdekében szembeszállt az LEP szétszerelésével annak érdekében, hogy az LHC-t a lehető leggyorsabban felépítsék. A második megoldást végül elfogadták, mivel a LEP érzékenységét nem tartották elégségesnek ahhoz, hogy vitathatatlanul megerősítse a Higgs-bozon létezését, és annak a kockázatát, hogy a Higgs-bozont időközben az Egyesült Államokban telepített Tevatron fedezze fel, korlátozottnak tekintik .

Hasonló, de erőteljesebb gyorsítói projektet ( protononként 20  TeV energiát, az LHC-hez 7 helyett) az Egyesült Államokban is javasoltak , a Szupravezető szuper ütköztetőt (SSC), ám ezt különféle költségvetési okok miatt hagyták el 1993-ban .

A projekt teljes költsége a CERN számára 6 milliárd svájci frank (körülbelül 5,2 milliárd euró). Maga az LHC építése 4,6 milliárd svájci frankot tesz ki, beleértve a 20% -os bérköltséget. A detektorok építésében a CERN által finanszírozott rész 1,1 milliárd svájci frankot tesz ki, plusz a CERN-en kívüli többségi hozzájárulás (a CERN a CMS és az LHCb 20% -át, az ALICE 16% -át és az ATLAS 14% -át finanszírozza). Valamivel kevesebb mint 300 millió svájci frankot fektettek be az injektor ( a gerendákat előállító és a főgyűrűbe befecskendező gyorsítói lánc ) és az informatikai erőforrások fejlesztésébe is. A gyorsító és elemei (detektorok) minden eleme 2007 végén - 2008 elején volt a helyén.

A média a műtét következményeivel kapcsolatos félelmekről szól

Ha a tudományos sajtó különösen kiemelte a tudományos kérdések A kísérlet egyik aspektusa a legtöbb kezelt általános sajtó által alkotott jogi intézkedések néhány tudós, akik a felfüggesztés a kísérlet félelem létrehozására mikro lyukak. Fekete at az LHC. Az asztrofizikában a fekete lyukat olyan objektumként írják le, amely mindent elnyel az útjában, de az LHC-n valószínűleg létrejövő mikroszkopikus fekete lyukak nem osztanák ezt a tulajdonságot. Ha ők mégis elő, akkor, mivel a tömegük, alá kell vetni a jelenség a párolgás a fekete lyukak által megjósolt Stephen Hawking a 1975 és eltűnne mielőtt volt ideje, hogy felszívja a környező anyag. A fekete lyuk párolgásának jelenségét kísérleti jelleggel soha nem figyelték meg, és a nagyközönség számára ismeretlen, a kísérlet kockázatait hivatalosan nem lehetett megcáfolni, és népszerű témává váltak.

A 2008. március 21, két ember, Walter L. Wagner és Luis Sancho azonban pert indított a CERN ellen a hawaii honolului bíróságon azzal az indokkal, hogy az ütköző ilyen vagy olyan módon károsnak bizonyulhat, például fekete lyuk létrehozásával . Panaszukat elfogadhatónak ítélték, csak aztán végleg elutasították. Újabb panaszt nyújtottak be, vége 2008. augusztus, Európában, ugyanezen okokból a strasbourgi Emberi Jogok Európai Bírósága előtt . A panaszt végül néhány nappal később elutasították.

Ezen esetek eredményeként több kutató, majd a CERN különféle dokumentumokat tett közzé az LHC biztonságáról , és arra a következtetésre jutott, hogy a gyorsító biztonságos. A fő érv az, hogy a Föld felső légkörét, sőt, minden égitestet folyamatosan nagyon energikus részecskék, kozmikus sugarak bombázzák . Az ütközések által leadott energia néha sokkal nagyobb lehet, mint amit a Föld részecskegyorsítójában, például az LHC-ben játszanak, tehát biztosak abban, hogy bármi legyen is ezeknek a reakcióknak a mellékhatása, nem lesznek veszélyesek az emberekre. bioszféra, különben több milliárd évig nem fejlődhetett.

A félelem, hogy az elemi részecske-ütközések katasztrofális eseményhez vezetnek, nem új keletű, csaknem tíz éves múltra tekint vissza. Amikor a Brookhaven Nemzeti Laboratórium ( New York ) relativisztikus nehézion-ütközőjét (RHIC) megbízásba helyezték , Alvaro de Rujula fizikus és két munkatársa olyan katasztrófa-forgatókönyvet képzelt el , amely elvileg valószínűleg a Föld pusztulását okozhatja. Az eset akkoriban is elegendő érdeklődést váltott ki ahhoz, hogy részletes elemzést igényeljen, amely elmagyarázza egy ilyen kísérlet biztonságát.

Stephen Hawking fizikus , miután elmagyarázta okait annak a feltételezésnek, hogy a bozont 2008-ban nem fogják megfigyelni, 2014-ben a Higgs-bozonnal kapcsolatos félelmeiről beszélt:

A Higgs-bozon aggodalomra ad okot, hogy a 100 milliárd gigaelektron voltot meghaladó energiák esetén áttételessé válhat. Ez azt jelentheti, hogy az univerzum katasztrofális vákuum-szétesést tapasztalhat, a buborék fénysebességgel tágul. […] Ez bármikor megtörténhet, és nem látnánk, hogy jön .

Protononként 100 milliárd GeV értéknél történő ütközéshez Föld méretű gyorsítóra lenne szükség.

Az első fénysugár az LHC-ben

Az LHC végül elindult 2008. szeptember 10. A CERN sajtóközleménye a következőképpen számolt be az első fénysugárnak a gázpedálba történő befecskendezéséről: „Történelmi pillanat a Vezérlőközpontban: a fénysugár éppen most hajtotta végre a gyorsítót. Genf,2008. szeptember 10. At 10  h  28 ma reggel, az első sugár a Large Hadron Collider (LHC) a CERN tette a teljes fordulat a 27 kilométeres gyűrűben hogy a házak a részecskegyorsító a legerősebb a világon. Ez a történelmi esemény áttérést jelent a tudományos felfedezések új korszakára, amely több mint húsz éve forog ” .

Néhány nappal később az LHC-t először leállították a hűtőrendszert érintő elektromos probléma miatt. Újrakezdték2008. szeptember 18, mielőtt újra letartóztatták, és valamivel több mint egy évig, egy teszt során történt incidens miatt. A CERN sajtóközleménye szerint a probléma az alagútban bekövetkezett jelentős héliumszivárgásból származik. Ezt a szivárgást egy elektromos csatlakozási probléma okozta, amelynek következtében két mágnes megolvadt.

A gázpedál újraindult 2009. október 23 protonok és nehéz ionok injektálásával és a 2009. november 7, az első részecskéket a CMS detektorban detektáltuk .

A 2009. november 20, a protonnyaláb ismét több teljes fordulatot hajt végre az ütközőben. Az újraindítás fokozatosan , először 1,2  TeV energiával történik . A2009. november 30, A CERN szerint a világ legenergikusabb nyalábját keringette az LHC-ben, így a protonok 1,18  TeV energiát kaptak, ezzel felülmúlva a Tevatron amerikai részecskegyorsító által korábban felállított rekordot .

Első ütközések

hétfő 2009. november 23a részecskesugarak első ütközését jelenti a műszeren belül. A délután elején, miután két protonnyaláb ellentétes irányban keringett, az ATLAS detektor szintjén találkoztak. Ezután késő este a kísérletet megismételték a CMS, ALICE és LHCb detektoroknál. A2009. november 28, az ALICE együttműködés fizikusai az arXiv oldalon jelentek meg cikket a protonok első ütközéséről ezen a detektoron belül. A 2009. december 8, a gyorsítóban előállított legenergikusabb részecskeütközések történtek. Az összes energia elérte a 2,36  TeV-t, ezzel megdöntve a korábbi Tevatron-rekordot.

Közepétől2009. december technikai leállításra került sor, amely 2007 végén ért véget 2010. február ; A cél az volt, hogy előkészítse a gép üzemelésre 3,5  TeV sugaranként az év során 2010-ben Ez lehetővé tette, hogy végre az ütközést egy teljes energiájának 7  TeV on2010. március 30de 1 × 10 27 cm −2  s −1 fényerővel sokkal alacsonyabb, mint az LHC névleges célpontja. Májusban hatszorosára nőtt a protonnyalábok intenzitása és 60-szorosára nőtt az ütközések fényereje. Ez a fényerő 2010 nyarán tovább nőtt az injektált csomagok számának növelésével, amíg szeptemberben el nem éri a 2 × 10 31 cm –2  s –1 fényerőt . A 2010-re kitűzött csúcsfényességi célt túllépték  Október 14elért fényereje 1,48 × 10 32  cm −2  s −1 .

A 2010. november 4A proton gerendák megállt helyébe nehézion gerendák és különösen ólom ionsugarakkal . A 2011. május 23, az LHC elegendő fényerőt ért el másodpercenként 100 millió ütközéshez.

Elején a 2013-ütközések protonok és ólomionoktól végeztük részeként kutatás a halmazállapot csak miután a Big Bang . Jelenlegi2013 február, az LHC néhány napra visszatért a proton-proton ütközésekbe. Ezután az LHC-t leállították, még mindig futott2013 február, hosszú, körülbelül kétéves munkára. Ez a munka lehetővé tette az LHC korszerűsítését ütközésekre még magasabb energiarekordokkal, 13  TeV nagyságrendűre , várhatóan2015. június. Az LHC folytatta tevékenységét2015. április 5.

Technikai sajátosságok

A 3 méter átmérőjű és 27 km hosszú alagútban épült,  amely az LEP-t (1989-2000) helyezte el, a Genfi- tó síksága alatt, Genf és a Jura között fúrták, a Gex országa alatt haladva , átlagosan 100 méter mélységben (között 50 és 175 méter), az LHC mindenekelőtt egy kör alakú protongyorsító-ütköző (protonok protonok ellen, vagy pp ). A készülék szinkrotron technológiát használ . A két részecskesugarat ellentétes irányban gyorsítja fel a gyorsuló üregek és a klystronok nagyon nagy frekvenciájú elektromos mezője . Két ikercsőben forognak, ahol ultravákuum uralkodik , ugyanabba a szupravezető mágneses rendszerbe helyezve, amelyet folyékony hélium hűt. További mágnesekkel irányítják a gerendákat a négy kereszteződéshez, ahol az ütközések lehetővé teszik a részecskék közötti kölcsönhatást.

Az alagút

Az alagutat, amelyben az LHC épül, költségvetési okokból korábban az LEP használta. Ez az alagút alig 27 kilométer (26 659 méter) hosszú és körülbelül kör alakú. Tulajdonképpen nyolc ívből álló körökből áll, amelyeket oktánsoknak nevezünk, amelyeket egyenes szakaszok kötnek össze, amelyeket betoldásoknak nevezünk. A nyolc oktáns azonos felépítésű, és mágnesekkel tarkított, amelyek feladata a részecske nyaláb hajlítása.

A feltárási munkálatok 1983 és 1988 között zajlottak, többek között három alagútfúró gép felhasználásával . Abban az időben ez volt a legnagyobb európai építkezés több mint 1,4 millió köbméter feltárásával. Meg kell jegyezni, hogy maga a gyűrű paradox módon ennek a térfogatnak kevesebb mint felét képviselte, a többi a bejárati aknáknak, a kísérletek befogadására szánt üregeknek, valamint több alagútnak és szervizgalériának felel meg.

Ez a vállalkozás nem volt nehézségek nélkül: a szerelvény nagysága ellenére pontosságra volt szükség, és végül az elméleti úttól való eltérés nem haladta meg az egy centimétert. Geológiai probléma miatt a szerkezet vízszintesen nem volt tökéletesen megépíthető: a gyűrű elhelyezkedésének síkja így 1,4% -os lejtéssel rendelkezik. Végül 1986-ban az alagút nagy mennyiségű víz, homok és iszap behatolását szenvedte el, ami a helyszín több hónapos megszakadásához vezetett.

Szupravezető mágnesek

A 7  TeV protonnyaláb hajlításához szükséges mágneses tér 8,3  Tesla . Az ilyen mágneses mezők hagyományos elektromágnesek segítségével érhetők el , de jelentős elektromos áram árán. Normál időkben egy ilyen elektromos áram egy nagyon fontos hőfelszabadulásnak az oka. A probléma elkerülésének egyetlen módja a szupravezetés jelenségének alkalmazása , amely lehetővé teszi az elektromos áram hőelvezetés nélküli áramlását. A szupravezetés csak nagyon alacsony hőmérsékleten, néhány fokkal az abszolút nulla felett jelentkezik .

9593 szupravezető elektromágnes, köztük 1232 görbületű dipólmágnes van elosztva a két egymásba tekercselt gyorsítógyűrű körül. Ezek a dipólmágnesek homogén módon oszlanak el, oktánenként 154 mágnes. A kvadrupólos elektromágnesek fókuszálják a részecskesugarakat. Az LHC 392 fő kvadrupól mágnessel rendelkezik.

A hajlító elektromágnesek 15 méter hosszúak, kissé íveltek, egyenként 34 tonna súlyúak, 8,3 tesla ( 83 000  gauss) mágneses teret generálnak, és 0,6 mm / méter sugarat engednek meg  . Vannak tekercselve egy komplex drótkötél készült nióbium-titán szálat helyezünk réz . Több ezer 7 µm-es szál  alkotja a kábelt. Ezekhez a tekercsekhez 7000  km kábelt (1200 tonna) gyártottak. A szupravezetés 12 000 ampernél nagyobb elektromos áramot tart  a kábelben (névleges áram). A kriogén hűtés 1,9  K-ra ( –271,3  ° C ) 94 tonna hélium felhasználásával valósul meg . A készülék 40 000 tonnájának 1,9  K- ra állításához hat hét hűtés szükséges .

LHC injektorok

A gyorsulás szakaszokban (előgyorsítók) történik, mint a Tevatronban . Az LHC egy létező lánc részecskéit fogadja, amely a Linac sorozat lineáris gyorsítóját tartalmazza (a lineáris részecskegyorsítóhoz ).

Az 1978-ban telepített 50  MeV protongyorsító (Linac2) Boostert ( Proton Synchrotron Booster vagy PSB) lát el . A protonokat ezután 1,4  GeV-vel injektálják a Proton Synchrotronba (PS), amely 25  GeV-ra gyorsítja őket, mielőtt áthaladna a 2 km átmérőjű Super Proton Synchrotronon (SPS)  , és akár 450 GeV energiát is megnövelhet . Két eszköz, a LEIR ( Low Energy Injector Ring ), egy iontároló és hűtő gyűrű, valamint az AD ( Antiproton Decelerator ), egy 2 GeV antiproton generátor teszi lehetővé lehűtött és lassított részecskék előállítását.   

Nehézionos ütközési módban a gyorsulási lánc kissé eltér. Egy második lineáris gyorsító, a Linac3 nagyon tiszta, 500 kilogrammos forrásból gyorsítja fel az ólom atomjait. Ezek az atomok részlegesen ionizálódnak, akár 29 elektron elvesztésével  (az eredetileg 82-ből). Csak azokat az ionizált ionokat őrizzük meg. Ezután nukleonenként 4,2  MeV (vagy a teljes sejt esetében körülbelül 875  MeV ) energiára gyorsulnak fel, és összeütköznek egy szénlappal, amely 25 további elektronot szakít le. Ezután áthaladnak egy LEIR nevű műszeren (az alacsony energiájú iongyűrűhöz vagy az alacsony energiájú ionok gyűrűjéhez), ahol nukleonenként 72  MeV- re gyorsulnak . Ezután befecskendezik őket a PS-be (anélkül, hogy a protonokkal ellentétben a Boosteren mennének keresztül), amely nukleononként 5,9  GeV- re gyorsítja őket . Egy második lap befejezi az összes elektron levágását az SPS-en áthaladó ionokról, amelyek az ólommagokat nukleononként 177  GeV-ra gyorsítják , mielőtt befecskendezik őket az LHC-be, ami 2,76  TeV / nukleon / nukleon energiát ér el .

-Én felavatták a Linac 4 lineáris gyorsítót 2017. május 9. 12 méter hosszú, és két nyomás alatt álló hidrogénpalack hajtja. A hidrogén bejut egy plazmakamrába, ahol a céziumgázzal képzett keverék az elektronokat a céziumból a hidrogénbe továbbítja, és H - hidrid anionokat hoz létre , amelyek töltése lehetővé teszi felgyorsítását. Számos tesztet hajtanak végre, mielőtt 2019-ben csatlakoznának az LHC-hez. A Linac 4 részt vesz a HL-LHC (HL jelentése „nagy fényerő”) projektben, amely azt tervezi, hogy 2026-ig 5-re növeli az LHC fényerejét .

Protonnyalábok

A protonokat a fény sebességéhez rendkívül közel álló sebességre gyorsítják fel. Energiájú 7  TeV , vagy 7500-szerese a tömeges energia , a sebesség mintegy 0.999 999 991-szor, hogy a fény, más szóval, mozognak mindössze 2,7 méter másodpercenként lassabb, mint a fény. (299,792,455.3 helyett 299.792.458 méter másodpercenként) .

A nyalábok a 27  km -es kerületet másodpercenként körülbelül 11 000-szer haladják meg (mindegyik proton szinte fénysebességgel mozog , 89 µs-ban haladja a gyűrűt  ). Mindegyikük 2808 nagyon sűrű részecskeklaszterből áll, ami óriási előrelépés az LEP-hez képest, amelynek csak négy fürtje volt. A csomagok közötti intervallum általában 7,5 méter, vagy 25 nanomásodpercnyi különbség van két csomagcsomag között. Egyes csomagok sokkal karbantartottabbak különböző karbantartási okokból (új csomagok beadása vagy a meglévő csomagok kiadása). Végül minden ütközési ponton másodpercenként 31,5 millió csomagütközés tapasztalható.

Minden csomag 10 11 protont tartalmaz , de ütközés közben a protonoknak csak egy apró része ütközik össze. Az ütközés esélyének maximalizálása érdekében a csomagokat az érzékelők közelében összenyomják, 16 mikron mérésére, míg a detektorok között terjedésük elérheti a több centiméter hosszúságot (a nyaláb mentén) és egy milliméter szélességet (merőlegesen). ). a gerendára). A nyaláb fókuszálási képességeivel körülbelül 20 ütközés várható két csomag találkozásakor, vagy alig több mint 600 millió rögzíthető ütközés másodpercenként detektoronként. Az ütközések és a csomagok közötti kölcsönhatások során a pályájuktól eltért részecskék miatt a protonsugarak fokozatosan kimerülnek. Élettartamuk néhány óra.

A részecskék által elveszített teljesítmény arányos a nyaláb energiája és a felgyorsult részecskék tömege közötti arány negyedik teljesítményével, és fordítottan arányos a gyorsító sugarával. Mivel a protonok 1836-szor nehezebbek, mint az elektronok, fordulatonként 10-13- szor kevesebb energiát veszítenek, mint az adott sugárenergiához tartozó elektronok. De a protonok összetett objektumok ( partonok ), kvarkokból és gluonokból állnak, ami összetettebbé teszi az ütközések tanulmányozását, mint az elektron - pozitron ütközések esetében, ahogy az a LEP esetében történt. Minden proton-proton ütközés valójában két ütközés lesz, amelyek az egyik és a másik protonhoz tartoznak. A detektorok kvark-kvark, kvark-gluon vagy gluon-gluon ütközéseket figyelnek meg.

Az LHC általános paraméterei
Ütközési energia 7  TeV
Injekciós energia 450  GeV ( 0,45  TeV )
Dipoláris mágneses tér a protonok keringésére 7  TeV-on 8,33  T
Fényerősség 1 × 10 34  cm −2  s −1
A protonsugár elektromos áramát 0,56  A
Hely a puffadások között 7,48  m

IT menedzsment

A normál gépi működés során harminc millió keresztezés történik a gyorsító protoncsokrok között másodpercenként a négy LHC kísérlet (Alice, Atlas, CMS és LHCb) detektorában. Minden keresztezés részecskeütközéseket generál, amelyek aztán másodlagos részecskék sokaságát hozzák létre (több mint 6000 nyom rekonstruálódik nehézionos eseményenként egy detektorban, például CMS-ben).

Az így létrejövő adatfolyam jóval meghaladja a jelenlegi feldolgozási és tárolási képességeket, ezért az előállított eseményeket online gyorsindító folyamatok dolgozzák fel, amelyek elvetik az alacsony érdeklődésűnek ítélt eseményeket még az adatok kiadása előtt.

Azonban ez az első kiválasztás után is, amely csak néhány eseményt tart meg termelt milliónként, ez így is másodpercenként néhány tíz-néhány száz eseményt eredményez, amelyek mindegyike megabájt nagyságrendű súllyal esik a nyers adatokhoz (néhány száz kilobájt a rekonstruált adatokhoz). adatok) tárolására, majd elemzésére.

Összesen évente körülbelül tizenöt petabájt adatot kell rögzítenie és elemeznie az LHC-hez társított számítógépes rendszernek.

Mivel a CERN önmagában nem rendelkezik elegendő számítási erővel, mivel a projekten dolgozó intézetek és fizikusok az egész bolygón elterjedtek, úgy döntöttek, hogy az elemzéseket az egész világon elosztják az adatokhoz, és létrehoznak egy szoftver réteget (a hálózatot). csináld ezt.

Az LHC számítógép rács

Az LHC számítási rács neve WLCG ( Worldwide LHC Computing Grid ). Hardveri szempontból több tízezer számítógép, több tíz petabájt lemez- és szalagtároló alkotja a világ több mint száz adatközpontjában. Ezt a hardverkészletet a gLite szoftverinfrastruktúra ( grid middleware ) koordinálja .

Ez a rács hierarchized a Tiers (szintek), annak érdekében, hogy osztja a szerepeket a különböző adatközpontok részt WLCG. Középen a CERN (Tier-0) az adatforrás (itt található a gázpedál és az érzékelők). A 0-as szinthez azonnal kapcsolódik a Tier-1, amely dedikált nagysebességű kapcsolatokon keresztül kapja az elsődleges adatok egy példányát (legalább 10  gigabit / másodperc ). Az 1. szintű tevékenység hét európai központot foglal magában (köztük Franciaország esetében a villeurbanne-i IN2P3 számítógépes központot , amely az adatok körülbelül egytizedét fogja tárolni), három amerikai laboratóriumot és egy ázsiai laboratóriumot. Sok kisebb laboratórium (világszerte körülbelül 100) alkotja a szerkezet második körét (Tier-2), amely biztosítja az elemzések és szimulációk számítási teljesítményét, valamint ideiglenes tárolóhelyeket.

Amikor az LHC megadja az adatokat, másodpercenként több gigabites adatfolyam fog elérni az 1. szintre. Ezek az intézetek harmadik fél laboratóriumaihoz, más hálózatokhoz és az internethez kapcsolódnak. Összesen 140 számítógépes központ érintett 33 országban. Amikor az LHC 14  TeV- on működik , az évente előállított adatok el fogják érni a 15 millió GB-ot , vagyis 15 petabájtot.

A sugárütközésekből származó fizikai adatok mellett a kozmikus sugárzás által előállított adatok (amelyeket az érzékelők tesztelésére használnak az LHC működése előtt), valamint az LCG számítási rácsán végrehajtott számítógépes szimulációk adatai hozzáadódnak.

Az LCG projektben részt vevő webhelyek többsége más tudományos projektekhez is felhasználja informatikai erőforrásait. Különösen Európában az EGEE rács számos tudományterület tudósa számára nyitott a részecskefizikán kívül, miközben ugyanazt a szoftverinfrastruktúrát használja, mint a WLCG.

Ezen adatok feldolgozásában bárki segíthet az LHC @ Home használatával .

Detektorok

A LEP alagút építése során nyolc nagy üreg jött létre egy nagy detektor elhelyezésére. Ezeket az üregeket egy függőleges alagút túllépte a detektor műszerének leereszkedése érdekében. E helyek közül négyben LEP detektorok voltak elhelyezve ( ALEPH , DELPHI , OPAL és L3 ). Néhányat újból felhasználtak az LHC, az ATLAS , a CMS , az ALICE és az LHCb négy nagy detektorához .

Ezekhez később két másik, szerényebb méretű detektor került, a TOTEM és az LHCf . Ez utóbbiakat az is megkülönbözteti, hogy nem elemzik a részecskék közötti frontális ütközések eredményét: valójában érdeklik őket az úgynevezett "kis szögű részecskék", vagyis azok a részecskék, amelyek egyszerűen egymáshoz simultak amikor a csomagok keresztezték egymást, és így ütközés nélkül eltérítették pályájuktól.

Az LHC-vel felszerelt detektorok ezért az ATLAS , CMS , TOTEM, LHCb , ALICE , LHCf , MoEDAL és FASER . Az első kettő, különböző technológiai megoldások alapján, a részecskefizikát vizsgálja , különös tekintettel a Higgs-bozon és a szuperszimmetrikus részecskék felkutatására . A szerényebb méretű TOTEM a protonok effektív szakaszának mérésére szolgál . Az LHCb a CP-szimmetria megsértését vizsgálja a proton-proton ütközések során keletkező részecskéken keresztül, amelyek tartalmaznak egy b kvarkot (innen származik a neve). ALICE tanulmányozni fogja a nukleáris fizika , a nehézion ütközések módban. Az ugyancsak szerény méretű LHCf a beeső protonok pályájának nagyon kis szögében keletkező részecskék tanulmányozására szolgál, lehetővé téve ezáltal a nagyon nagy energiájú kozmikus sugarak és a Föld felső részének kölcsönhatásának jelenségét. légkör . A MoEDAL küldetése a mágneses monopólus , egy hipotetikus részecske, amely mágneses töltetet hordoz, kutatása . Végül a FASER hipotetikus részecskék felderítésére törekszik, nagyon kis elektromágneses tömeggel vagy alacsony kölcsönhatásokkal.

LHC sugárkísérletek
Oktáns Vezetéknév Leírás Régi LEP detektor
1 ATLASZ Részecske-detektor több koncentrikus kaloriméterréteggel.
46  m hosszú, 25  m széles, 25  m magas. Tömeg: 7000 tonna. 		-
1 (140 méter az ATLAS mindkét oldalán) LHCf Az előremozdult részecskék tanulmányozása a kozmikus sugarak hatásainak szimulálása céljából .
Két érzékelő 30  cm hosszú, 10  cm széles, 80  cm magas. Súly: 2 × 40  kg . 		-
1 (480 méterre az ATLAS-tól) Gyorsabban Keressen új könnyű és gyengén kölcsönhatásban lévő részecskéket, például sötét fotonokat , axiónszerű részecskéket és a ritka hadronbomlást kísérő steril neutrínókat . -
2 ALICE A nehéz ionok közötti kölcsönhatások detektora.
26  m hosszú, 16  m széles, 16  m magas. Tömeg: 10 000 tonna. 		L3
3 - Gerenda karbantartása
4 - - ALEPH
5. CMS Kompakt müon mágnesszelep .
21  m hosszú, 15  m széles, 15  m magas. Tömeg: 12 500 tonna. 		-
5 (a CMS mindkét oldalán) TOTEM "Teleszkóp" két proton keresztmetszetét mérte 14  TeV-on .
Több elem 5  m széles és magas, 440 m-re terjed  . Teljes tömeg: 20 tonna. 		-
6. - Sugárvérzés OPÁL
7 - Gerenda karbantartása -
8. LHCb Anyag és antianyag közötti aszimmetriák mérése.
21  m hosszú, 13  m széles, 10  m magas. Tömeg: 5600 tonna. 		DELPHI
8. MoEDAL Mágneses monopólus keresés -

A gerendákat az 1. és a 2., valamint az 1. és a 8. oktáns közé injektálják (vagyis egyrészt az ALICE és az ATLAS detektorok, másrészt az LHCb és az ATLAS között).


Felfedezések

Két évvel a kísérletek megkezdése után az ATLAS-on dolgozó kutatók bejelentették, hogy először figyelték meg az elméletileg megjósolt bottomonium , a chi b mezon állapotát .

Vége 2012. április, a CMS-en dolgozó kutatók az arXiv előkiadási oldalon jelentették be egy új gerjesztett b típusú barion felfedezését, amelynek neve Ξb ​​* 0 .

A 2012. július 4, A CERN egy konferencián bejelenti, hogy 99,99997% (5 σ ) konfidenciaszinttel azonosított  egy új bozont egy 125–126 GeV c −2 nagyságrendű tömegtartományban  , amely kompatibilisnek tűnik a Higgséval. bozon. A bejelentést követik, a 2012. szeptember 17A kiadvány két cikk a lapban Physics Letters B . A 2013. március 15, A CERN megerősíti, hogy minden valószínűség szerint valóban a Higgs-bozonról van szó.

Az LHC költségei

9 milliárd dolláros költségvetésével  az LHC a legdrágább tudományos kísérlet a közelmúlt történelmében.

Az LHC építési költségei, a fizetéseket is beleértve, 8,9 milliárd euró volt, a CERN (60%) és a 113 országban elosztott 608 egyéb intézmény között megosztva.

Az LHC a művészetben és a kultúrában

Még az üzembe helyezése előtt az LHC jelen volt néhány kulturális műben. Így Dan Brown az Angyalok és démonok ( Angyalok és démonok ) című könyvében felidézi az LHC-t.

Az LHC központi szerepet játszik Robert J. Sawyer , a Flashforward regényének cselekményében . Ebben a könyvben az LHC-n végzett kísérlet lehetővé teszi az egész emberiség számára, hogy 20 évvel később, néhány percre bepillantást nyerhessen a jövőjébe.

Az LHC a South Park egyik epizódjában is szerepel , megemlítik az Eureka sorozat egyik epizódjában (amelyben egy másik gyorsító megelőzi), és a Közép című szitkom epizódjában , valamint A nagy bummban is megemlítik. Elmélet .

A Scribblenauts videojáték lehetővé teszi az LHC megjelenését a nevének megírásával. Aktiválásával azonnal kiderül egy fekete lyuk , egy bólintás az üzembe helyezését körülvevő médiajelenség felé .

A Steins; Gate- ben az LHC-t a SERN ( CERN- deformáció ) használná mini fekete lyukak előállítására, hogy lehetővé tegyék a szerves anyagok (emberből) átadását az időben.

A Decay egy horrorfilm, amelyet 2012-ben készített Luke Thompson, akkor a CERN brit hallgatója. Az akció magában az LHC-ben zajlik. Ezt a filmet az ő beleegyezése nélkül a CERN oldalán forgatták. Ezek azonban nem akadályozták meg az internetes terjesztést.

A nagy hadronütköző is bekerült a zenei világba:

Ezenkívül az internethasználók fiziognómikus összehasonlításokat végeztek két férfi között, amelyek két különböző fényképen láthatók az LHC komplexumban, Gordon Freeman és G-Man karaktereivel a Half-Life videojáték-sorozatból . Ezeknek az összefüggéseknek akkor van értelme, ha tudjuk, hogy Gordon Freeman doktori fokozattal rendelkezik az elméleti fizikában, és hogy a G-embert többször látják munkahelyén, egy tudományos kutatási komplexumban.

A Thrash Metal zenekar, a Megadeth az LHC fényképével illusztrálta a Super Collider című albumuk borítóját .

Az LHC jövője

A nagy fényerejű hadronütköző

A High Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC ) a 2010-ben elhatározott és 2026-ban működni tervezett LHC fejlesztése, amely lehetővé teszi az ütközések 5-10-szeres szorzását.

Jövőbeli körütköző

A Futuristic Circular Collider (FCC angolul: Future Circular Collider ) egy átfogó tervezési tanulmány a nagy hadron ütköző (LHC utóvizsgálat) utódprojektjéhez, amely új, 80 100 km hosszú alagutat biztosít.

Lásd is

Kapcsolódó cikkek

Bibliográfia

Filmográfia

Megjegyzések és hivatkozások

Megjegyzések

  1. Ezt a homályos állítást továbbra is nehéz megalapozni. Például a Nagyon nagy tömb vagy a Nagyon hosszú alapvonal tömb interferométerei csillagászati ​​műszerek, amelyek térbeli kiterjedése sokkal nagyobb (az utolsó város esetében több ezer kilométer), de a Nagy hadron ütköző tudományos eszközök mennyiségét reprezentálja.
  2. A törvények speciális relativitáselmélet azt jelzik, hogy az energia- E egy tömegű részecske m van a következő képlet adja , ahol c jelentése a fény sebessége , és γ adja , v pedig a sebesség a részecske. Sebességüket tehát a képlet adja meg . Itt, a proton energiája 7 TeV , sokkal magasabb (szorzóval 7,500), mint a tömege energia m c 2 a 938 MeV . A sebességet megadó képlet ekkor újraírható .  

Hivatkozások

  1. Francia hivatalos megjelölés a svájci CERN webhely szerint .
  2. "  LHC újraindítás: A lehetőségek ezúttal végtelenek  " (hozzáférés : 2015. augusztus 27. ) .
  3. (in) LHC 2. évad  : kulcsfigurák .
  4. GF Giudice, A zeptoespace odüssziája: Utazás az LHC fizika szívébe, PPUR, Lausanne 2013, ( ISBN  978-2-88-074998-9 ) .
  5. Az LHC GYIK [PDF] .
  6. (in) New York Times , bíró felkérése a világ megmentésére, és talán még sok minden , Dennis Overbye,2008. március 29.
  7. Röviden: az LHC elleni amerikai panaszt végleg elutasították! a Futura-tudományokról.
  8. Swissinfo.ch - CERN: panasz az LHC beindítása ellen .
  9. tsr.ch - CERN: az LHC a terveknek megfelelően indulhat .
  10. (in) J. Ellis , GF Giudice , ML Mangano, I. Tkachev, U. Wiedemann felülvizsgálata Biztonságáért LHC Ütközések , arXiv: 0.806,3414 (hepatitis-ph), 2008 június See Online .
  11. (a) Benjamin Koch , Marcus Bleicher & Horst Stoecker , kizárása fekete lyuk katasztrófa-forgatókönyvek az LHC , arXiv: 0.807,3349 (hep-Ph)2008. júliusLásd online . Francia nyelvű fordítás is elérhető [PDF] .
  12. CERN sajtóközlemény2008. június 20 : A CERN Tanácsa türelmetlenül várja az LHC kezdetét . A jelentés megállapításainak összefoglalása nem szaknyelven is elérhető.
  13. Válaszok biztonsági kérdésekre [PDF] .
  14. (in) Arnon Dar , Alvaro De Rújula & Ulrich Heinz , Will relativisztikus nehézion gyorsítókban pusztítani a bolygót? , Physics Letters B , 470 , 142-148 (1999), hep-ph / 9910471. Lásd online .
  15. (in) Robert Jaffe , W. Busza , J. Sandweiss & Frank Wilczek , felülvizsgálata spekulatív "katasztrófa-forgatókönyvek" RHIC , vélemények a modern fizika , 72 , 1125-1140 (2000), a hepatitis-ph / 9910333 Részletek Online .
  16. "  Stephen Hawking fogadások a részecskegyorsítóra nem találnak Higgeket  " a ladepeche.fr oldalon ,2008. szeptember 10
  17. „  Stephen Hawking azt állítja, a Higgs-bozon képes elpusztítani az univerzum ... és megkapja márkás szenzációhajhászás,  ” a Slate.fr ,2014. szeptember 9
  18. „  Nem, Stephen Hawking nem mondta, hogy a CERN és a Higgs-bozon is fog elpusztítani az univerzum  ” , a journalmetro.com (elérhető június 17, 2015 ) .
  19. CERN sajtóközlemény: Első sugár az LHC - tudományos gyorsítóban , publikálva2008. szeptember 10.
  20. CERN sajtóközlemény: Incidens az LHC 34 szektorában , közzétéve2008. szeptember 20.
  21. (en) összefoglaló elemzése Incidensjelentés2008. szeptember 19[PDF] .
  22. (in) A részecskék visszatértek az LHC-be! , megjelent a2009. október 26.
  23. LHC: Ismét ütközések a Futura-sciences CMS detektorában .
  24. A CERN LHC részecskegyorsítójának csúcstechnológiás arcjavítása .
  25. Új világrekord az LHC számára ,2009. november 30.
  26. Az LHC autópálya a tudományos sajtó által .
  27. "LHC: proton ütközések már!" » A futura-sciences.com oldalon.
  28. (in) Első proton - proton ütközések az LHC-n az ALICE detektorral megfigyelve: a töltött részecskesűrűség pszeudorapiditásának mérése sqrt (s) mellett = 900 GeV .
  29. Új rekord az LHC-n: ütközések 2,36  TeV-nél  ! a futura-sciences.com oldalon.
  30. Az LHC belép egy új fázist , CERN Bulletin, n o  04-05 / 2010,2010. január 5.
  31. CERN 2010. március 30-i sajtóközlemény .
  32. felé nagyobb intenzitású , CERN Bulletin, n o  21-22 / 2010,2010. május 24.
  33. CERN Hírek 2010.07.24 .
  34. Legfrissebb hírek az LHC-től: elérte a 2010-es fényességi célt! CERN Bulletin N o  42-43 / 2010,2010. október 18.
  35. Az LHC új szakaszba lép ,2010. november 4.
  36. CERN részecskegyorsítója új rekordot állít fel , a lemonde.fr,2011. május 23.
  37. [1] , [2] , [3] .
  38. Laurent Sacco, "LHC: A 2. évad megkezdődött a Cernben" , futura-sciences.com ,2015. április 7.
  39. CERN 50 th  születésnapját; Képes jubileum , lásd a dátumokat: 1983 „A precízió mint mottó” és 1986 „A nagy földalatti hurok”.
  40. François Vannucci, ATLAS - Az elemi részecskék új kihívása, Ellipszis   szerk. , 2007.
  41. Fabien Goubet, "A  CERN új részecskegyorsítót mutat be  " a letemps.ch oldalon ,2017. május 9(megtekintés : 2017. június 8. ) .
  42. CERN GYIK [PDF] , LHC útmutató.
  43. (in) rekonstrukció Heavy Ion események a CMS Tracker , Christof Roland.
  44. (in) LHCC-k Az LHC kísérletek számítási modelljeinek és követelményeinek áttekintése .
  45. WLCG projekt bemutató weboldala A működés megkezdése után évente nagyjából 15 petabájt (15 millió gigabájt) adatot állít elő .
  46. François Vanucci, A számítási környezet az ATLAS-ban - Az elemi részecskék új kihívása, Ellipszis   szerk. , 2007.
  47. Projekt weboldal .
  48. La Doua-ban az Univerzum emlékét tároljuk .
  49. CC-IN2P3 .
  50. http://www.eu-egee.org/
  51. (fr) public.web.cern.ch; Az LHC; Az élmények .
  52. public.web.cern.ch/Public/Welcome-fr - az LHC - ATLAS .
  53. public.web.cern.ch/Public/Welcome-fr - az LHC - LHCf .
  54. F (orw) A (rd) S (earch) E (xpe) R (iment) "FASER" rövidítése .
  55. public.web.cern.ch/Public/Welcome-fr - az LHC - ALICE .
  56. public.web.cern.ch/Public/Welcome-fr - az LHC - CMS .
  57. public.web.cern.ch/Public/Welcome-fr - az LHC - TOTEM .
  58. CERN dokumentumszerver; Értesítő száma: 35. és 36., 2009. augusztus 24 .  ; TOTEM és LHCf: finomhangolja az újraindítást .
  59. public.web.cern.ch/Public/Welcome-fr - az LHC - LHCb .
  60. "  MOEDAL | CERN  ” , a home.cern oldalon (hozzáférés : 2016. január 3. ) .
  61. (in) Tommaso Dorigo, ATLAS felfedezi New Chi_b Resonance , science20.com , december 24, 2011.
  62. Új részecske felfedezése a CERN, Sciences & Avenir cégnél .
  63. CMS együttműködés , izgatott Xi (b) barion arXiv megfigyelése: 1204.5955 .
  64. "A  CERN kísérletei olyan részecskét figyelnek meg, amelynek jellemzői kompatibilisek a régóta várt Higgs bozonnal  ", CERN Bulletin ,2012. július 2( online olvasás )
  65. (in) Georges Aad et al. ( ATLAS együttműködés ), „  Új részecske megfigyelése a Higgs-bozon standard modelljének felkutatásakor az LHC ATLAS detektorával  ” , Physics Letters B , vol.  716, n o  1,2012. szeptember 17, P.  1-29 ( DOI  10.1016 / j.physletb.2012.08.020 , Bibcode  2012PhLB..716 .... 1A , arXiv  1207.7214 , online olvasás [PDF] , hozzáférés : 2014. augusztus 29. )
  66. (en) Szergej Chatrchyan és mtsai. ( CMS együttműködés ), „  Egy új bozon megfigyelése 125 GeV tömeggel az LHC CMS kísérletével  ” , Physics Letters B , vol.  716, n o  1,2012. szeptember 17, P.  30–61 ( DOI  10.1016 / j.physletb.2012.08.021 , Bibcode  2012PhLB..716 ... 30C , arXiv  1207.7235 , online olvasás [PDF] , hozzáférés : 2014. augusztus 29. )
  67. "Az  új eredmények azt mutatják, hogy a CERN-ben felfedezett részecske egy Higgs-bozon  " , a press.web.cern.ch oldalon (CERN Sajtóiroda) ,sajtóközlemény, 2013. március 14(megtekintve 2014. augusztus 29. )
  68. (en) Egy (nagyon) kis nagy durranás .
  69. Science et VIE, 2011. október N o  1129, p.  70 : „Az anyag beszélni fog! "
  70. (in) Rebecca Boyle , "  Large Hadron Collider Rampaging szabadít zombik  " a Popular Science ,2012. október 31(megtekintés : 2012. november 22. )
  71. (it) Gianluca Ranzini : „  Zombi al Cern di Ginevra!  » , On Focus (olasz magazin) ,2012. november 5(megtekintés : 2012. november 22. )
  72. Catherine McAlpine nagy Hadron Rap videója .
  73.  Canyayeda " Blind Man " című dala  .
  74. Fotók olyan férfiakról, mint Gordon Freeman és G-Man .
  75. "  a nagy fényerejű LHC: A New Horizon Tudományos és Technológiai  " [PDF] , a https://press.cern/en (elérhető november 2, 2018 )
  76. (in) "  The Future Circular Collider study - CERN Courier  " a CERN futárral ,2014. március 28(megtekintés : 2020. augusztus 14. ) .
  77. Michael Benedikt, Frank Zimmermann, „  Future Circular Collider (FCC) Study  ” (hozzáférés : 2015. szeptember 21. )
  78. Dokumentumfilm.

Külső linkek