Velký hadronový urychlovač

Jeden z více než 1800 supravodivých magnetů urychlovače LHC na transpotrním vozíku uvnitř 27 km dlouhého podzemního tunelu.

Large Hadron Collider (LHC) je urychlovač částic, který se nachází mezi pohořím Jura ve Francii a Ženevským jezerem ve Švýcarsku. V současné době je ve stádiu výstavby a pracovat by měl začít v květnu 2008.. LHC by se měl stát největším světovým urychlovačem. Na výrobě a financování LHC se podílí přes 2000 vědců ze 34 zemí.

LHC je instalován v kruhovém tunelu o obvodu 27 km ve hloubce 50 – 150 m pod zemí. Tunel byl postaven roku 1980 pro předchozí velký urychlovač Large Electon-Positron (LEP). Zajímavostí je, že tunel není umístěn vodorovně, ale má mírný sklon, protože tehdejší technologie nebyly schopny zajistit vyhloubení skrz některé horniny. Tunel přechází mezi hranicemi Francie a Švýcarska ve čtyřech místech, nicméně jeho většina leží ve Francii. Přestože je tunel pod zemí, na povrchu se nachází některé budovy umožňující jeho existenci (např. kompresory, ventilace, chladící zařízení a ovládácí stanice).

Výsledky měření z urychlovače Large Hadron Collider (LHC) jsou nesmírně důležité pro jaderné fyziky, otvírají nové možnosti v oblasti výzkumu a odhalují neznámé stránky vesmíru. Přístroj urychluje dva paprsky částic proti sobě rychlostí větší než 99,9 % c. Vzájemné srážky svazků vytváří spršky nových částic, které jsou poté předmětem studia vědců.

Jak funguje

LHC bude produkovat čelní srážky mezi dvěma svazky částic stejného druhu, buď protony, nebo různými typy iontů, především iontů olova. Svazky budou vytvářeny v již existujícím řetězci urychlovačů a budou vstřikovány do LHC, kde budou cestovat skrz vakuum přirovnatelné k vakuu ve vesmíru. Supravodivé magnety pracující při extrémně nízkých teplotách budou usměrňovat svazky v trubici urychlovače. Každý vyslaný paprsek bude obsahovat okolo 3000 svazků částic a v každém z nich bude obsaženo přibližně 100 miliard částic. Částice jsou tak drobounké, že pravděpodobnost vzájemné srážky je velmi malá - vychází na něco okolo 20 srážek na každých 200 miliard částic. Nicméně i přes to se budou částice svazku srážet 30 milionkrát za sekundu a LHC bude vytvářet 600 milionů srážek za sekundu. Při rychlosti blížící se rychlosti světla udělá proton v LHC 11 245 oběhů za sekundu. Svazek bude mít možnost obíhat dokola až 10 hodin a urazit dráhu větší než 10 miliard kilometrů – pro srovnání je to větší vzdálenost než cesta na planetu Neptun a zase zpět.

Účel

Pohled na částicový detektor ATLAS v průběhu výstavby, jeden ze šesti hlavních vědeckých přístrojů LHC.

Očekávaný start projektu v roce 2007 zajistí srážky o největší energii, jaká kdy byla dosažena v laboratorních podmínkách, a už dnes se fyzici nemohou dočkat, co se jim podaří odhalit. Čtyři obrovské detektory – ALICE, ATLAS, CMS a LHCb – budou zkoumat srážky a tímto způsobem budou možná fyzici schopni prozkoumat nové teorie hmoty, energie, vesmíru a času.

Výkonnost

LHC je přístroj pro koncentraci energie ve velmi malém prostoru. Částice budou mít energii řádově TeV. 1 TeV je energie srovnatelná s energií letícího komára, háček je v tom, že proton je asi trilionkrát menší než komár. Každý proton rotující v LHC bude mít energii 7 TeV, takže když se srazí dva protony, energie srážky bude 14 TeV. Ionty olova mají 82 protonů a dohromady dávají ekvivalentně vysokou energii: kolize dvou svazků iontů olova bude mít energii srážky okolo 1150 TeV. Při plném výkonu bude mít každý svazek energii 350 MJ, což je energie jakou má vlak o váze 400 tun jedoucí rychlostí 200 km/h. Tato energie je dostatečná k roztavení 500 kg mědi. Energie uložená v magnetech je ještě přibližně třicetkrát vyšší (11 GJ).

Cena

LHC původně v roce 1995 dostal rozpočet 2.6 miliard švýcarských franků a k tomu ještě 210 milionů švýcarských franků na experimenty. Nakonec však cena ještě více vzrostla a konečná cena je tedy 8 miliard amerických dolarů.

Bezpečnostní problémy

Vědci i lidé, kteří nejsou součástí komunity kolem LHC, vyjádřili znepokojení, že LHC může způsobit jednu z několika teoretických katastrof, které by mohly zničit Zemi nebo dokonce celý vesmír:

• Vytvoření stabilní černé díry
• Vytvoření zvláštní hmoty, která by byla více stabilní než normální hmota

CERN vytvořil studii, která by vyšetřila, jestli se takové nebezpečné události jako vytvoření stabilní mikroskopické černé díry mohou stát. Studie došla k závěru: "Nenašli jsme žádný podklad pro jakoukoli možnou hrozbu." Například, není možné vytvořit mikroskopické černé díry, pokud by určité neotestované teorie byly správné. I kdyby však vznikly, ihned by se vytratily a byly by tak neškodné. Jeden z nejsilnějších argumentů, že LHC je bezpečné, je fakt, že kosmické paprsky o mnohem větší energii, než může LHC kdy vyprodukovat, bombardovaly Zemi a všechny tělesa ve Sluneční soustavě miliardy let bez žádných takovýchto účinků. Stejně ale u každého nového experimentu nikdy není možné s jistotou říct, co se stane. John Nelson z Birmingham University řekl, že "je velmi, velmi nepravděpodobné, že existuje nějaké riziko - ale nemohu to dokázat."

RHIC, podobný, jen mnohem menší urychlovač, funguje již od roku 2000 a nezpůsobil zatím žádné Zemi-ničící efekty.

Jak pracuje

Schematický náčrt konfigurace urychlovačů LHC a detektorů(žlutě).

Po dosažení energie 0,45 TeV se ze soustavy urychlovačů vstříknou částice do LHC kde udělají miliony oběhů. Při každém oběhu částice dostanou další impuls od elektrického pole umístěného ve speciálních dutinách, dokud jim nebude udělena konečná energie 7 TeV. Pro kontrolu svazku o tak obrovské energii bude v LHC použita soustava 1800 supravodivých magnetů. Tyto elektromagnety jsou stavěny ze supravodivých materiálů. Při nízkých teplotách mohou vést elektrický proud s nulovým odporem, proto mohou vytvořit mnohem silnější magnetické pole. Tyto vodiče jsou vyrobeny z nobiotitanové slitiny a pracují při teplotě pouhých 1,9 K (-271°C). Kdyby LHC používalo běžné „teplé“ magnety namísto supravodivých, prstenec by musel mít obvod 120 km a pro dosažení stejných výsledků by spotřeboval 40x více energie. Jednotkou intenzity magnetického pole je tesla. LHC bude pracovat okolo 8 tesla, přičemž běžné „teplé“ magnety jsou schopné vytvořit magnetické pole okolo 2 tesla. CERN v současné době pracuje na vývoji technologie počítačových sítí zvané GRID. To má spojovat desítky a později stovky PC pro vytvoření prostředku pro zpracování dat zaznamenaných na detektorech LHC. Experimenty LHC budou produkovat enormní množství dat. Každý rok to bude dostatek informací na naplnění kapacity takového počtu CD, že by se z nich dal postavit 20 km vysoký sloup.

Externí odkazy

Galerie Velký hadronový urychlovač na Wikimedia Commons

• LHC FAQ