LHC (Suuri hadronitörmäytin) – mikä se on ja miten se toimii
LHC (Suuri hadronitörmäytin) – CERNin 27 km hiukkaskiihdytin, joka luo varhaisen maailmankaikkeuden olosuhteita ja paljastaa kvarkkien sekä alkeishiukkasten saloja.
Large Hadron Collider (LHC) on maailman suurin ja tehokkain hiukkaskiihdytin, jonka on rakentanut Euroopan ydintutkimusjärjestö CERN. LHC on halkaisijaltaan noin 27 kilometriä pitkä pyöreä tunneli, joka kulkee 50–175 metriä maan alla Sveitsin ja Ranskan rajan alapuolella Sveitsin ja Ranskan välillä. Hankkeen toteuttamisessa työskenteli kymmeniä tuhansia tutkijoita ja insinöörejä yli 100 maasta, ja sen rakentaminen maksoi useita miljardeja (alun perin ilmoitettu noin 10,4 miljardia Sveitsin frangia). LHC on nykyisin yksi maailman monimutkaisimmista kokeellisista tutkimuslaitoksista.
Miten LHC toimii
LHC kiihdyttää ja törmäyttää pääasiassa protonien hiukkasjyväsiä, mutta ajoittain käytetään myös raskaita ioneja (esim. lyijyionit). Hadroni tarkoittaa hiukkasta, joka koostuu useista kvarkkeista, joita subatominen vahva voima pitää yhdessä — tyypillisiä hadroneja ovat esimerkiksi protonit ja neutronit. LHC:ssä protonit tuotetaan, kerätään ja esikiihdytetään pienemmissä kiihdyttimissä ennen sisäänsyöttöä päätunneliin.
Protonisuihkut kulkevat kahdessa erillisessä putkessa vastakkaisiin suuntiin. Niitä ohjataan voimakkailla ja erittäin kylmillä suprajohtavilla magneeteilla: suurin osa LHC:n magneeteista on dipolimagneetteja, jotka taivuttavat hiukkasten rataa. Magneettien jäähdytys toimii liki absoluuttisen nollan lämpötilassa (noin 1,9 K), ja järjestelmä pitää koko kiihdyttimen tyhjiössä ja tarkassa hallinnassa.
Protonit kiihdutetään lähes valonnopeuden kulkunopeuteen ja ohjataan törmäyksiin niin, että törmäyksissä syntyy suuria määriä energiaa hyvin pienessä tilassa — olosuhteita, jotka muistuttavat varhaisen maailmankaikkeuden tiloja. Protonit järjestetään pulsseiksi eli "joukoiksi" (bunches), ja törmäyksiä tapahtuu räjähdysmäisesti useita miljoonia sekunnissa kokonaisjärjestelmän tuottaman kirkkauden (luminosity) ansiosta.
Mihin tutkimusta käytetään
LHC:n tavoitteena on tutkia alkeishiukkasia ja niiden vuorovaikutuksia, syventää ymmärrystä kvanttifysiikasta ja selvittää, miten avaruuden ja ajan perusrakenteet toimivat. LHC on mahdollistanut useita merkittäviä havaintoja — tunnetuin on Higgsin bosonin löytö vuonna 2012 — ja jatkokokeilla pyritään vastaamaan suuriin kysymyksiin, kuten:
- Miksi hiukkasilla on massa (Higgsin mekanismi) ja miten massa syntyy;
- Mitä pimeä aine on ja löytyykö siitä merkkejä törmäyksistä;
- Miksi maailmankaikkeudessa on enemmän ainetta kuin antimateriaa (asymmetria);
- Mitä tapahtuu äärimmäisissä olosuhteissa, kuten kvarkki-gluoni-plasma -tilassa, joka syntyy raskasioni-törmäyksissä.
Kokeet ja laitteet
LHC:n törmäyksiä tarkkailevat useat suuret detektorit, joista tunnetuimmat ovat ATLAS ja CMS (yleisluontoiset hiukkastutkimukset ja Higgsin bosonin tutkiminen), ALICE (raskasioni- ja kvarkki-gluoni-plasman tutkimus) sekä LHCb (hentoja vinoja ilmiöitä ja antimaterian tutkimusta). Jokainen detektori rekisteröi törmäyksissä syntyneet hiukkaset hyvinkin eri tavoin: nopeutta, energiaa, varauksia ja törmäyspaikan tilannetta mittaamalla tutkijat rekonstruoivat tapahtumia ja etsivät uusia ilmiöitä.
Datamäärät ovat valtavia: LHC tuottaa petatavuja dataa vuosittain, ja analyysi vaatii maailmanlaajuisesti hajautettua laskentainfrastruktuuria, kuten Worldwide LHC Computing Grid -järjestelmää, jossa laskentatehoa ja tallennustilaa jaetaan tutkimusyhteisön kesken.
Muut tekniset ja käytännön seikat
LHC käyttää ensisijaisesti protonien törmäyksiä mutta myös kokeissaan raskasioneilla. Protonit kantavat positiivisen varauksen ja niitä manipuloidaan magneettikenttien avulla. Kun protonit törmäävät, tutkittavat tapahtumat summautuvat ja niistä voidaan päätellä alkeishiukkasten ominaisuuksia ja vuorovaikutuksia.
Tunneli, järjestelmät ja detektorit vaativat jatkuvaa ylläpitoa ja päivityksiä. LHC:ää on ajettu useissa ajoissa (Run 1, Run 2, Run 3) ja sitä parannetaan edelleen HL-LHC (High-Luminosity LHC) -projektilla, jonka tarkoituksena on kasvattaa törmäysten määrää ja parantaa mittausten herkkyyttä tulevina vuosikymmeninä.
Turvallisuus ja julkinen keskustelu
LHC:n turvallisuudesta on tehty laajoja arvioita. Julkisuudessa on esitetty huolia esimerkiksi mikromustien aukkojen tai muiden eksotisten ilmiöiden synnystä, mutta fyysikot ja turvallisuusarviot ovat osoittaneet, että LHC:n aiheuttamat tapahtumat ovat samanlaisia kuin luonnollisesti tapahtuvat kosmiset säteet ja eivät muodosta uhkaa maapallolle.
Yhteenveto
LHC on poikkeuksellinen laite, joka yhdistää suurimman mittakaavan tekniikan, matemaattisen ja fysikaalisen osaamisen sekä kansainvälisen yhteistyön. Sen avulla tutkijat pyrkivät selvittämään maailmankaikkeuden peruskysymyksiä — mistä aine koostuu, miten voimat toimivat ja miten maailmankaikkeus kehittyi varhaisessa vaiheessa. Samalla LHC on synnyttänyt suuria teknisiä innovaatioita jäähdytyksestä magneetteihin ja laskenta-arkkitehtuureihin, jotka hyödyttävät laajemmin tieteellistä työtä ja teknologiaa.
CERNin suuren hadronitörmäyttimen kartta
Miten se toimii
LHC ionisoi vetyatomeja saadakseen niiden protonit. Vetyatomi koostuu vain yhdestä protonista ja yhdestä elektronista. Kun atomeja ionisoidaan, niistä poistetaan yksi elektroni, jolloin ne saavat positiivisen nettovarauksen. Vetyprotonit ohjataan sitten ympyrän läpi sähkömagneettien avulla. Jotta magneetit olisivat tarpeeksi voimakkaita, on oltava hyvin kylmä. Tunnelin sisäpuolta jäähdytetään nestemäisellä heliumilla. Ne pitävät lämpötilan hieman absoluuttisen nollapisteen yläpuolella. Protonit osuvat toisiinsa lähes valonnopeudella ja muuttuvat energiaksi E=mc2:n avulla. Sitten se kääntyy päinvastaiseksi ja synnyttää massaa. Törmäyspaikalla on neljä kerrosta ilmaisimia. Räjähdys kulkee jokaisen kerroksen läpi, ja kukin ilmaisin tallentaa reaktion eri vaiheen.
Kun hiukkaset törmäävät toisiinsa, niiden energia muuttuu moniksi eri hiukkasiksi, ja herkät ilmaisimet pitävät kirjaa syntyneistä kappaleista. Tutkijat voivat tutkia tarkkaan ilmaisimien tietoja tarkastelemalla, mistä hiukkaset koostuvat ja miten ne ovat vuorovaikutuksessa keskenään. Tämä on ainoa tapa havaita joitakin hiukkasia, koska niiden syntyyn tarvitaan erittäin suurta energiaa. LHC:n hiukkastörmäyksissä on tarvittava energia.
LHC:ssä on kolme pääosaa. Hiukkaskiihdytin, neljä ilmaisinta ja Grid. Kiihdytin aiheuttaa törmäyksen, mutta sen tuloksia ei voida suoraan havaita. Detektorit muuttavat sen käyttökelpoiseksi dataksi ja lähettävät sen Gridiin. Grid on tietokoneverkko, jota tutkijat käyttävät tietojen tulkitsemiseen. Verkossa on 170 toimipistettä 36 eri maassa, joissa on tavallisia pöytätietokoneita. Kaikki nämä tietokoneet on yhdistetty toisiinsa, ja yhdessä ne toimivat supertietokoneena. LHC:n Gridiä pidetään tehokkaimpana supertietokoneena, joka on koskaan rakennettu. Tietokoneet jakavat keskenään laskentatehon ja tiedon tallennustilan.
Grid on erittäin tehokas, mutta se pystyy vastaanottamaan vain noin yhden prosentin ilmaisimilta saamastaan datasta. Sen rajoitukset ovat kannustaneet pyrkimyksiin luoda kvanttitietokoneita, joissa voitaisiin käyttää hyväksi sitä, mitä LHC on opettanut meille kvanttimekaniikasta, nopeampien tietokoneiden valmistamiseksi.
Tutkijat löysivät LHC:n avulla Higgsin bosonin, hiukkasen, jonka ennustetaan olevan olemassa standardimallissa.
Jotkut ajattelivat, että LHC voisi luoda mustan aukon, mikä olisi hyvin vaarallista. On kaksi syytä olla huoletta. Ensimmäinen on se, että LHC ei tehnyt mitään sellaista, mitä Maahan päivittäin osuvat kosmiset säteet eivät tekisi, eivätkä nämä säteet luo mustia aukkoja. Toinen syy on se, että vaikka LHC tekisikin mustia aukkoja, ne olisivat hyvin pieniä. Mitä pienempi musta aukko on, sitä lyhyempi sen elinikä on. Hyvin pienet mustat aukot haihtuisivat ennen kuin ne voisivat vahingoittaa ihmisiä.
LHC:tä käytettiin ensimmäisen kerran 10. syyskuuta 2008, mutta se ei toiminut, koska jäähdytysjärjestelmä rikkoutui. Varattuja hiukkasia liikuttelevien magneettien on oltava kylmiä. Vika aiheutti osan laitoksesta romahtamisen. Laboratorio suljettiin talveksi, ja törmäytintä käytettiin uudelleen vasta marraskuussa 2009. Sen korjaamisen aikana tutkijat käyttivät Tevatronia Higgsin bosonin etsimiseen. Kun LHC käynnistettiin uudelleen marraskuussa 2009, se teki uuden nopeusennätyksen kiihdyttämällä protonit 1,18 TeV:iin (teraelektronivolttiin eli triljoonaan elektronivolttiin). Maaliskuun 30. päivänä 2010 LHC aiheutti 3,5 TeV:n törmäyksen.
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mikä on suuri hadronitörmäytin (LHC)?
V: LHC on maailman suurin ja tehokkain hiukkaskiihdytin. Sen rakensi Euroopan ydintutkimusjärjestö CERN, ja se on maan alle rakennettu jättimäinen pyöreä tunneli.
K: Missä LHC sijaitsee?
V: LHC sijaitsee Sveitsin ja Ranskan rajan alapuolella, ja sen tunneli on 27 kilometriä pitkä ja 50-175 metriä maan alla.
K: Ketkä työskentelivät hankkeen rakentamisessa?
V: 10 000 tiedemiestä ja insinööriä yli 100 eri maasta teki yhteistyötä tämän hankkeen rakentamiseksi.
K: Kuinka paljon sen rakentaminen maksoi?
V: Hanke maksoi 10,4 miljardia Sveitsin frangia (10 miljardia dollaria).
K: Mitä hiukkasia käytetään LHC:n kokeissa?
V: LHC:n kokeissa käytetään pääasiassa protoneja. Protonit ovat positiivisesti varattuja atomien osia, jotka kiihdytetään tunnelin läpi, kunnes ne saavuttavat lähes valonnopeuden.
K: Mitä tutkijat toivovat oppivansa tämän laitoksen käytöstä? V: Tutkijat toivovat oppivansa lisää kvanttifysiikasta ja saavansa käsityksen siitä, millaisia tila ja aika olivat millisekunneissa alkuräjähdyksen jälkeen.
Etsiä