Large Hadron Collider
Large Hadron Collider (LHC) on maailman suurin ja tehokkain hiukkaskiihdytin. Sen on rakentanut Euroopan ydintutkimusjärjestö CERN. Se on jättimäinen maan alle rakennettu pyöreä tunneli. Tunneli on 17 mailia (27 kilometriä) pitkä ja 50-175 metriä maan alla. Se sijaitsee Sveitsin ja Ranskan rajan alapuolella. Hankkeen toteuttamisessa työskenteli 10 000 tiedemiestä ja insinööriä yli 100 eri maasta, ja sen rakentaminen maksoi 10,4 miljardia Sveitsin frangia (10 miljardia dollaria). Se on nyt maailman suurin ja monimutkaisin kokeellinen tutkimuslaitos.
Kuten nimikin kertoo, LHC:ssä tehdään tutkimusta hadronien törmäyksistä. Hadroni on hiukkanen, joka koostuu useista kvarkkeista, joita subatominen vahva voima pitää yhdessä. Esimerkkejä hadronista ovat protonit ja neutronit. LHC käyttää kokeissaan ensisijaisesti protonien törmäyksiä. Protonit ovat atomien osia, joilla on positiivinen varaus. LHC kiihdyttää näitä protoneja tunnelin läpi, kunnes ne saavuttavat lähes valonnopeuden. Eri protonit ohjataan tunnelin läpi vastakkaisiin suuntiin. Kun ne törmäävät toisiinsa, ne luovat varhaisen maailmankaikkeuden kaltaiset olosuhteet.
LHC pyrkii tutkimaan alkeishiukkasia ja niiden vuorovaikutustapoja. Tutkijat ovat käyttäneet sitä oppiakseen kvanttifysiikasta, ja he toivovat oppivansa paljon enemmän avaruuden ja ajan rakenteesta. Havainnot, joita tutkijat pystyvät tekemään, voivat auttaa meitä oppimaan, millainen maailmankaikkeus on saattanut olla millisekunneissa alkuräjähdyksen jälkeen.
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.
