V.6.4. Acceleratorul Large Hadron Collider (LHC).

Cel mai mare accelerator circular, la ora actuală, este sincrotronul Large Hadron Collider (LHC) din cadrul laboratorului CERN (Centrul European pentru Cercetarea Nucleară), situat între Franța și Elveția, la 100 de metri sub pământ, cu o circumferință de 27 km. Particulele în LHC ajung să aibă o energie de 7 TeV.

Tunelul e compus din două conducte inelare adiacente separate care se intersectează în patru puncte. Protonii din aceste conducte se deplasează în tunel în direcții contrare. În total sunt instalați peste 1.600 magneți supraconductori, majoritatea cântărind peste 27 de tone. Pentru a păstra magneții supraconductori la temperatura lor de operare de 1,9 K (adică, -271,1 °C) sunt necesare aproximativ 96 de tone de heliu lichid, făcând din LHC cea mai mare uzină criogenică.

LHC este folosit la accelerarea şi ciocnirea protonilor la energii incredibile cu aproximativ 30 de milioane de ciocniri pe secundă. În fiecare dintre aceste ciocniri vor fi produse noi particule studiate cu ajutorul detectorilor.

Înainte de a fi injectate în LHC, particulele sunt accelerate progresiv, astfel:

• Primul sistem este acceleratorul liniar de particule LINAC 2 care generează protoni cu energii de 50 MeV;

• Următorul este Proton Synchrotron Booster (PSB) unde protonii sunt accelerați la 1,4 GeV;

• Din PSB protonii sunt injectați în sincrotronul de protoni (PS), unde sunt accelerați la 26 GeV;

• Din PS protonii accelerați intră în Super Proton Synchrotron (SPS) care le crește energia la 450 GeV;

• În cele din urmă, protonii sunt injectați în inelul principal al sincrotronului Large Hadron Collider (LHC). Aici, mănunchiurile de protoni sunt acumulate, accelerate (pe o perioadă de 20 de minute) până la vârful lor de energie și, în cele din urmă, circulă timp de 5 până la 24 de ore, în timp ce coliziunile apar la cele patru puncte de intersecție. În cele două inele concentrice, protonii sunt accelerați în direcții opuse.

Durează mai puțin de 90 μs ca un proton să efectueze o tură în jurul inelului principal.

În modul nominal de operare, un singur tunel accelerează 2.808 de fascicule (fiecare fascicul având aproximativ 1011 protoni), unul după altul, la un interval de 25 ns. Cele două inele se intersectează de patru ori, acolo unde două fascicule sunt lăsate să se ciocnească frontal, obținându-se în final doar aproximativ douăzeci de ciocniri pe fascicul.

S-au construit șase detectoare, situate sub pământ la punctele de intersecție ale LHC :

*- ATLAS și Compact Muon Solenoid (CMS), sunt detectoare mari de particule de uz general, care studiază bosonul Higgs și caută indicii despre teoriile din fizica modernă (de exemplu, originile masei sau dimensiuni superioare, indicii cu privire la natura materiei întunecate etc.). Ele au descoperit bosonul Higgs, o dovadă puternică a faptului că modelul standard are mecanismul corect de a da masă particulelor elementare.

- Detectorul ALICE studiază starea de agregare a materiei, numită plasmă quarc-gluon, care a existat la scurt timp după Big Bang.

- LHCb va încerca să investigheze ce s-a întâmplat cu antimateria acum dispărută, deoarece la Big Bang au fost create cantități egale de materie și antimaterie.

- TOTEM și LHCf sunt mult mai mici și sunt folosite pentru cercetări foarte specializate.

🤔 Pentru curioși

De când a fost pus în funcțiune LHC-ul, mulți oameni au vehiculat ideea că acesta ar putea crea găuri negre care ar înghiți Pământul.

Găurile negre conțin materie cu o densitate foarte mare (un miliard de tone de materie pe un milimetru cub), care curbează spațiul atât de mult încât gravitația acestora ține captivă chiar și lumina. Conform calculelor făcute de fizicieni, cea mai mică gaură neagră ar putea fi obținută dintr-o materie cu o masă Planck de 10^-8 kg (10¹⁹ GeV) și cu o dimensiune de ordinul lungimii Planck de 10^-35m.

Pentru a obține astfel de găuri negre microscopice am avea nevoie de particule accelerate la energii de ordinul 10¹⁹ GeV în acceleratorul LHC de la CERN. Ori, la ora actuală, energia protonilor accelerați în LHC este aproximativ 10⁴ GeV, mult mai mică decât masa Planck. Și chiar dacă în viitor am reuși să generăm o gaură neagră microscopică, aceasta s-ar evapora foarte repede (în 10^-26 s) și nu ar avea timp să înghită materia din jur.

Istoricul acceleratoarelor de la CERN

1957 – Primul accelerator: sincrociclotronul de 600 MeV.

1959 – Al doilea accelerator: sincrotronul pentru protoni de 28 GeV.

1965 –Observarea unor antinuclee (nuclee de antideuteriu formate dintr-un antiproton și un antineutron) obținute prin bombardarea unei ținte din beriliu cu un fascicul de protoni accelerați de sincrotronul pentru protoni.

1968 – Georges Charpak de la CERN a inventat un nou detector de particule subatomice (cameră proporțională multifir)

1971 – Au loc primele ciocniri între protoni în sincrotronul pentru protoni (Proton Synchrotron, PS) care mărește energia particulelor până la 26 GeV.

1976 – Intră în funcțiune Super Proton Synchrotron (SPS) care accelerează particulele până la 450 GeV.

1981 – Au loc primele ciocniri proton-antiproton în SPS.

1983 – Descoperirea bozonilor W și Z la Super Proton Synchrotron, preziși în mod teoretic în 1968 de către Sheldon Glashow, Steven Weinberg și Abdus Salam. Bosonii W și Z mediază forța nucleară slabă. Bosonul W este cel mai bine cunoscut pentru medierea reacțiilor de dezintegrare nucleară (fisiune). Modelul standard postulează că cele trei forţe fundamentale (electromagnetică, slabă și tare) sunt rezultatul unui schimb de particule purtătoare de forţă, particule numite bosoni. Particulele de materie interacționează între ele transferând cantităţi discrete de energie sub forma unui schimb de bosoni. Astfel, fiecărei forţe fundamentale îi corespunde un boson. De exemplu, bosonul forței electromagnetice se numește foton, cel al forței tari se numește gluon, iar în cazul forței slabe există bosonii W și Z.

1986 – Se efectuează experimente cu ciocniri între ioni (nuclee de sulf și de oxigen), pentru confirmarea existenței plasmei quarc-gluon în SPS. Din păcate, acestea sunt nuclee ușoare și în urma ciocnirii lor nu s-a produs plasma quarc-gluon.

1989 – Intră în funcțiune colizionatorul Large Electron-Positron collider (LEP), cel mai mare accelerator de leptoni (particule care au numărul de spin egal cu ½ și care se supun principiului de excluziune al lui Pauli, cum sunt electronii).

1990 - Berners-Lee creează prima pagină web din istoria lumii (info.cern.ch.), folosind sintagma World Wide Web (www), prin instalarea unui soft necesar pe unul dintre calculatoarele CERN, fapt care a revoluționat internetul.

1995 – Se obțin primii atomi de antihidrogen alcătuiți dintr-un antiproton (cu sarcină electrică negativă) în jurul căruia se învârte un pozitron (cu sarcină electrică pozitivă). Atomii de antihidrogen se obțin prin ciocnirea protonilor cu pozitroni. Experimentele în care sunt creați antiatomi ajută la obținerea unui răspuns la întrebarea: De ce Universul nostru este alcătuit din materie și nu din antimaterie?

2008 – Pornirea sincrotronului Large Hadron Collider (LHC).

2010 - În SPS s-a obținut ”supa” quarc-gluon, prin ciocnirea unor ioni de plumb.

2011 – Atomi de antihidrogen sunt ținuți în viață timp de 16 minute la o temperatură mai mică de un grad Kelvin.

2012 – Identificarea bozonului Higgs, care explică de ce forţa slabă este aşa de slabă şi mecanismul care dă masă particulelor, pentru că Higgs interacționează cu absolut orice. Interacțiunea este un mod de a spune "energie", iar energia şi masa sunt interschimbabile (formula lui Einstein: E = m ∙ c²), astfel încât bosonul Higgs nu doar dă masă altor particule, dar capătă şi masă de la acestea (o masă care nu este neapărat masa reală).

Dezintegrarea bosonului Higgs în doi quarci bottom făcută de detectorul ATLAS

2020-2024 - modernizarea LHC-ului, în urma căreia se urmărește creșterea numărului de ciocniri între particulele elementare în timpul experimentelor (luminozitatea).

Cercetătorii speră ca LHC și alte acceleratoare de particule din lume să ofere răspunsuri la cele mai discutate provocări ale fizicii teoretice:

- Bosonii Higgs, "particulele lui Dumnezeu", despre care cercetătorii spun că se află la originea maselor tuturor corpurilor din Univers.

- Mecanismul prin care particulele elementare capătă masă.

- De ce este gravitația cu atâtea ordine de mărime mai slabă decât forța electromagnetică, forța nucleară tare (cea care este ține împreună atât protonii și neutronii din nucleul atomic, cât și quarcii care formează hadroni) și forța nucleară slabă (care este responsabilă de atât de dezintegrarea radioactivă cât și de fuziunea nucleară)?

- Există dimensiunile superioare prezise de teoria coardelor?

- Starea de agregare a materiei după Big-Bang etc.

- Dacă la începutul Universului au fost create cantități egale de materie și antimaterie, iar Universul actual e format 99% doar din materie, unde a dispărut antimateria?

- Dacă în prezent se consideră că doar 5% din Univers este format din materie obișnuită (planete, stele), dar 25% este formată dintr-o formă de materie invizibilă (denumită materie neagră sau întunecată), din ce particule elementare este creată acestă materie neagră? Mai rămâne și restul de 70%, care face ca Universul să se extindă tot mai accelerat, care pare a fi un fel de energie întunecată, despre care nu se știe nimic, nici măcar dacă este într-adevăr o formă de energie.

- Cum se unifică într-o singură teorie toate cele patru forțe elementare din Univers (electromagnetică, slabă, tare și gravitațională)?