Large Hadron Collider (LHC) – verdens største partikelaccelerator
Oplev Large Hadron Collider (LHC) — verdens største partikelaccelerator hos CERN. Læs om 27 km tunnelen, protonkollisioner, kvarker og banebrydende opdagelser om universets oprindelse.
Large Hadron Collider (LHC) er verdens største og mest kraftfulde partikelaccelerator. Den blev bygget af Den Europæiske Organisation for Kerneforskning (CERN). Det er en gigantisk cirkulær tunnel, der er bygget under jorden. Tunnelen er 27 kilometer lang og ligger mellem 50 og 175 meter under jorden. Den ligger under grænsen mellem Schweiz og Frankrig. 10 000 videnskabsmænd og ingeniører fra over 100 forskellige lande arbejdede sammen om at lave dette projekt, og det kostede 10,4 milliarder schweizerfranc (10 milliarder dollars) at bygge det. Det er nu det største og mest komplicerede eksperimentelle forskningsanlæg i verden.
Som navnet siger, omfatter forskningen ved LHC kollisioner af hadroner. En hadron er en partikel, der består af en række kvarker, som holdes sammen af den subatomare stærke kraft. Protoner og neutroner er eksempler på en hadron. LHC anvender primært kollision af protoner i sine eksperimenter. Protoner er dele af atomer med en positiv ladning. LHC accelererer disse protoner gennem tunnelen, indtil de når næsten lysets hastighed. Forskellige protoner ledes gennem tunnelen i modsatte retninger. Når de kolliderer, skaber de forhold, der ligner det tidlige univers.
LHC forsøger at studere elementarpartikler og den måde, de interagerer på. Forskerne har brugt det til at lære om kvantefysik, og de håber at kunne lære meget mere om rum og tids struktur. De observationer, som forskerne er i stand til at foretage, kan hjælpe os med at lære, hvordan universet kan have været inden for millisekunderne efter big bang.
Hvordan LHC fungerer
Kort sagt accelererer LHC to stråler af partikler i hver sin retning rundt i den 27 km lange tunnel og får dem til at kollidere i særligt udstyrede detektorer. Nogle nøglepunkter:
- Superledende magneter: For at holde og fokusere de hurtige partikler bruges hundreder af superledende magneter. De er nedkølet til omkring 1,9 kelvin ved hjælp af flydende helium, så materialet bliver superledende og kan skabe meget stærke magnetfelter (typisk flere tesla).
- Høje energier: Designenergien er op til 7 TeV per protonstråle (14 TeV i kollision), mens LHC i drift nåede kollisionsenergier omkring 13–13,6 TeV i nyere driftsperioder. Den høje energi gør det muligt at skabe og studere tunge partikler, som ellers kun fandtes kort efter big bang.
- Bunches og frekvens: Protonerne sendes som tætpakkede "bunches" (pakker) med meget kort afstand imellem (typisk 25 ns). Ved design var det tusinder af pakker per stråle, hver pakke kan indeholde omkring 10^11 protoner.
- Detektorer og data: Når kollisioner sker, registreres millioner af signaler i komplekse detektorer. Data er enorme og sorteres hurtigt via såkaldte triggers – de vælger kun de mest interessante begivenheder til langtidslagring. Det globale LHC Computing Grid behandler og distribuerer data til forskere verden over.
Hovedeksperimenter
Langs tunnelen er flere store detektorer, som hver har sit fokus:
- ATLAS og CMS: To generelle, meget store detektorer bygget til at måle et bredt spektrum af processer. Det var især disse to, der i 2012 offentliggjorde opdagelsen af Higgs-bosonen.
- ALICE: Specialiseret i tunge ion-kollisioner (fx bly mod bly) for at studere kvark-gluon-plasma – en ekstrem tilstand af materie, som menes at have eksisteret lige efter big bang.
- LHCb: Undersøger forskelle mellem stof og antistof (CP-violation) og søger forklaringer på, hvorfor universet i dag består af mere stof end antistof.
Vigtige resultater og mål
- Higgs-bosonen: I 2012 blev en partikel konsistent med den forventede Higgs-boson opdaget — en af LHCs største succeser. Higgs-feltet forklarer, hvordan partikler får masse.
- Søgning efter ny fysik: LHC søger efter fænomener, der går ud over Standardmodellen: mørkt stof-kandidater, ekstra dimensioner, supersymmetri og andre hypotetiske partikler.
- Forståelse af tidligt univers: Ved at genskabe energitætheder fra de første øjeblikke efter big bang kan forskere studere faser, som ellers er umulige at observere direkte.
Sikkerhed og almindelige spørgsmål
Der har været mange spekulationer om farer ved at køre LHC, fx skabelse af sorte huller. CERN og uafhængige studier har vurderet, at LHC er sikker: selvom mikroskopiske sorte huller hypotetisk kunne dannes, ville de være ekstremt ustabile og forsvinde øjeblikkeligt via kvanteeffekter (Hawking-stråling). Desuden sker langt mere energirige kollisioner naturligt i jordens atmosfære fra kosmiske stråler uden skadelige konsekvenser.
Drift, opgraderinger og fremtid
LHC har haft flere driftsperioder og længere tekniske stop for vedligeholdelse og opgraderinger. Nogle vigtige punkter:
- Første tænding var i 2008, og efter den indledende fase fulgte flere driftsperioder med progressive energier.
- Efter planlagte ophold (såkaldte long shutdowns) er acceleratorens ydeevne og eksperimenternes følsomhed blevet forbedret.
- HL-LHC (High-Luminosity LHC): En større opgradering, der skal øge antallet af kollisioner markant (højere luminositet). Målet er at samle op til 10 gange så meget data som før, hvilket øger chancen for at finde sjældne processer. Denne opgradering forventes at træde i kraft i løbet af 2020'ernes sene fase.
Internationale samarbejder og videnskabelig infrastruktur
LHC er et globalt projekt: tusinder af forskere, ingeniører og studerende fra institutioner i hele verden deltager i drift, analysen af data og udvikling af nye teknologier. Udover selve accelerator- og detektorfysikken har LHC bidraget til fremskridt inden for superledere, cryogenik, databehandling, og avanceret elektronik.
Opsummering: LHC er både et teknologisk vidunder og et centralt værktøj i moderne partikelfysik. Gennem kollisionsforsøg søger forskere at besvare grundlæggende spørgsmål om universets opbygning, fra de mindste partikler til de helt store kosmiske mysterier.
Kort over Large Hadron Collider ved CERN
Sådan fungerer det
LHC ioniserer brintatomer for at få deres protoner. Et brintatom består kun af én proton og én elektron. Når de ioniserer atomerne, fjerner de den ene elektron for at give dem en positiv nettoladning. Hydrogenprotonerne ledes derefter gennem cirklen af elektromagneter. For at magneterne kan være stærke nok, skal det være meget koldt. Indersiden af tunnelen er kølet af flydende helium. De holder temperaturen lige over det absolutte nulpunkt. Protonerne rammer hinanden med tæt på lysets hastighed og omdannes til energi ved hjælp af E=mc2. Derefter vender det om og skaber masse. På kollisionsstedet er der fire lag af detektorer. Eksplosionen passerer gennem hvert lag, og hver detektor registrerer et forskelligt stadium af reaktionen.
Når partiklerne rammer hinanden, bliver deres energi omdannet til mange forskellige partikler, og følsomme detektorer holder styr på de stykker, der opstår. Ved at se nøje på detektordataene kan forskerne undersøge, hvad partiklerne består af, og hvordan partiklerne interagerer. Det er den eneste måde at detektere nogle partikler på, fordi der skal meget høj energi til for at skabe dem. LHC's partikelkollisioner har den nødvendige energi.
LHC består af tre hoveddele. Der er partikelacceleratoren, de fire detektorer og gitteret. Acceleratoren skaber kollisionen, men resultaterne kan ikke observeres direkte. Detektorerne omdanner det til brugbare data og sender dem til Grid'et. Grid er et computernetværk, som forskerne bruger til at fortolke dataene. Der er 170 steder i 36 forskellige lande, som er fyldt med almindelige stationære computere. Alle disse computere er forbundet, og sammen fungerer de som en supercomputer. LHC's Grid anses for at være den kraftigste supercomputer, der nogensinde er bygget. Computerne deler processorkraft og datalagringsplads.
Grid er meget kraftfuldt, men det kan kun optage omkring en procent af de data, det modtager fra detektorerne. Dens begrænsninger har motiveret forsøg på at skabe kvantecomputere, som kunne bruge det, LHC har lært os om kvantemekanik, til at lave hurtigere computere.
Forskerne brugte LHC til at finde Higgsbosonen, en partikel, som Standardmodellen forudsiger, at den findes.
Nogle mennesker troede, at LHC kunne skabe et sort hul, hvilket ville være meget farligt. Der er to grunde til ikke at være bekymret. Den første er, at LHC ikke gjorde noget, som de kosmiske stråler, der rammer Jorden hver dag, ikke gør, og disse stråler skaber ikke sorte huller. Den anden grund er, at selv hvis LHC lavede sorte huller, ville de være meget små. Jo mindre et sort hul er, jo kortere er dets levetid. Meget små sorte huller ville fordampe, før de kunne skade mennesker.
LHC blev brugt første gang den 10. september 2008, men det virkede ikke, fordi et kølesystem gik i stykker. Magneterne, der er med til at flytte de ladede partikler, skal være kolde. Fejlen fik en del af anlægget til at kollapse. Laboratoriet lukkede ned for vinteren, og kollideren blev først taget i brug igen i november 2009. Mens den blev repareret, brugte forskerne Tevatron til at lede efter Higgs Boson. Da LHC blev genstartet i november 2009, satte den en ny hastighedsrekord ved at accelerere protoner til 1,18 TeV (teraelektronvolt, eller trillion elektronvolt). Den 30. marts 2010 skabte LHC en kollision ved 3,5 TeV.
Spørgsmål og svar
Spørgsmål: Hvad er Large Hadron Collider (LHC)?
A: LHC er verdens største og mest kraftfulde partikelaccelerator. Den blev bygget af den europæiske organisation for nuklear forskning (CERN) og er en gigantisk cirkulær tunnel bygget under jorden.
Sp: Hvor ligger LHC?
A: LHC ligger under grænsen mellem Schweiz og Frankrig, og tunnelen er 27 km lang og ligger mellem 50 og 175 meter under jorden.
Spørgsmål: Hvem arbejdede med at bygge projektet?
A: 10 000 videnskabsmænd og ingeniører fra over 100 forskellige lande arbejdede sammen om at bygge dette projekt.
Spørgsmål: Hvor meget kostede det at bygge?
A: Projektet kostede 10,4 milliarder schweizerfranc (10 milliarder dollars).
Sp: Hvilke partikler anvendes i eksperimenterne i LHC?
A: Der anvendes primært protoner i eksperimenterne i LHC. Protoner er dele af atomer med en positiv ladning, som accelereres gennem tunnelen, indtil de når næsten lysets hastighed.
Spørgsmål: Hvad håber forskerne at kunne lære ved at bruge dette anlæg? Svar: Forskerne håber at lære mere om kvantefysik og at få indsigt i, hvordan rum og tid var inden for millisekunderne efter big bang.
Søge