LHC budzi się po wielkiej chirurgicznej operacji

3. Prace diagnostyczne w tunelu LHC

Wcześniej przez wiele miesięcy trwały prace nad zwiększeniem potencjału LHC. Zanim Zderzacz zacznie działać w pełnym sensie tego słowa, potrzebne były próby akceleratorów i innych układów.

"Kompleks akceleratorowy musi zostać uruchomiony długie miesiące przed właściwym rozruchem LHC, jest bowiem wiele drobiazgowych prac technicznych i inspekcyjnych do wykonania po okresie przerwy", wyjaśniał szef operacyjny LHC, Mike Lamont w wypowiedzi opublikowanej w Internecie.

Zwłaszcza, że w CERN znajduje się szereg innych akceleratorów, które sukcesywnie powstawały od lat 50. XX wieku. Zespół starszych przyspieszaczy służy teraz m.in. do nadawania wstępnego pędu cząstkom "wstrzykiwanym" następnie do tunelu LHC.

Wiele z przeprowadzonych w okresie przerwy prac miało dość rutynowy charakter. Wymieniano przewody, uszkodzone lub zużyte części. Niektóre z komponentów były użytkowane przecież nawet od 1959 r. Inne przeróbki pociągały za sobą konieczność wykorzystania nowych technologii, takie jak wnęki rezonansowe (1), wspomagające proces przyspieszania wiązki.

Najważniejszą jednak zmianą była instalacja 10 tys. połączeń w układach nadprzewodzących magnesów. To one przede wszystkim pozwolą uzyskać w tym roku energie na poziomie 13 TeV (w planie jest 14 TeV, ale CERN uznało, że magnesy muszą zostać najpierw "wytrenowane" na mniejszym obciążeniu).

Łączniki i obwody magnesów wykonywano ze szczególną starannością (2) i dokładnie sprawdzano (3). To właśnie bowiem niedoskonałości lutu ze srebra i cyny spowodowały krótkie spięcie w 2008 r., które doprowadziło w konsekwencji do poważnego uszkodzenia LHC i wycieku kilku ton ciekłego helu.

1. Wnęki rezonansowe w LHC

2. Spawacz przy pracy w LHC

Przyspieszanie wstępne

Włączanie kompleksu zaczęło się od źródła protonów. Mowa o tej części, w której atomy wodoru pozbawiane są elektronów, aby powstała wiązka protonów. W następnej kolejności przeprowadzono ponowny rozruch urządzenia Linac2, akceleratora liniowego służącego do wstępnego rozpędzania protonów.

4. Zależność między energią kinetyczną a prędkością protonu w akceleratorach CERN

Potem wiązka przechodzi przez kolejny akcelerator, zwany PS Boosterem, i ten właśnie segment został podczas przerwy w znacznym stopniu udoskonalony. Przyspiesza on protony do energii 1,4 GeV (4).

Kolejnym etapem podróży wiązki protonowej jest Synchrotron Protonowy (PS), gdzie osiąga ona energię 25 GeV.

Został "odpalony" na nowo w czerwcu 2014 r. Od razu też wykorzystano go w eksperymentach naukowych, takich jak AIDA, którego celem jest głównie testowanie i rozwój technologii akceleratorowych.

W lecie uruchomiono również pracujący przy PS zespół urządzeń ISOLDE (Isotope Separator On-Line DEvice), którego zadaniem jest wytwarzanie różnego typu wiązek jonów radioaktywnych.

Dwa nowe urządzenia napromieniowujące IRRAD były gotowe jesienią, a w listopadzie po raz pierwszy wykorzystano je w próbnych eksperymentach.

Historia protonu przyspieszanego w kompleksie akceleratorów jest mniej więcej taka: atomy wodoru pobierane są z butli zawierającej wodór i po zjonizowaniu przyspieszane najpierw w Boosterze, potem w Synchrotronie Protonowym (PS),a następnie w Supersynchrotronie Protonowym (SPS).

Na końcu przesyłane są do LHC (zarówno w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara, jak i przeciwnym), gdzie w ciągu 20 minut osiągają nominalną energię 7 TeV. W normalnych warunkach pracy wiązki będą krążyć przez wiele godzin w rurach LHC (5). Przyspieszanie pojedynczych protonów to tylko rozgrzewka.

Kompleks akceleratorów przyspiesza jony ołowiu i tu zaczynają się naprawdę poważne energie. Jony ołowiu otrzymywane są z bardzo dobrze oczyszczonej próbki ołowiu podgrzanej do temperatury ok. 550°C. Para ołowiu jonizowana jest przez strumień elektronów.

5. Plan kompleksu LHC

Produkowane są jony o bardzo różnym stanie ładunkowym, przy czym najwięcej jest jonów Pb29+. Jony te są wybierane i przyspieszane do 4,2 MeV/u (energia na nukleon) przed przejściem przez folię węglową, która je odziera z elektronów i powstają głównie jony Pb54+.

Wiązka Pb54+ jest akumulowana, a następnie przyspieszana do 72 MeV/u w Niskoenergetycznym Pierścieniu Jonów (LEIR - Low Energy Ion Ring), który przesyła ją do Synchrotronu Protonowego.

PS przyspiesza wiązkę do energii 5,9 GeV/u i przesyła ją do SPS po przepuszczeniu przez drugą folię, gdzie jest całkowicie odzierana z elektronów, aż do powstania Pb82+.

SPS przyspiesza wiązkę do 177 GeV/u, a następnie przesyła do LHC, który przyspiesza ją do 2,76 TeV/u (6). Każda wiązka protonów biegnąca wokół LHC będzie miała energię 7 TeV, więc gdy zderzą się dwa protony, energia zderzenia będzie wynosiła 14 TeV.

Jony ołowiu mają wiele protonów i wszystkie razem dają jeszcze większą energię: wiązki jonów ołowiu będą miały energię zderzenia 1150 TeV. Do tej pory żadna z tych energii nie została jednak osiągnięta w laboratorium. Część protonów z PS trafia do spowalniacza - Deceleratora Antyprotonowego (AD).

W nowej odsłonie gotowy był już latem 2014 r., a jesienią rozpoczął pracę. Przed wyłączeniem LHC Decelerator Antyprotonowy wytwarzał 20 milionów antyprotonów w ciągu 100 sekund. A te są wykorzystywane w pięciu różnych eksperymentach naukowych w CERN. Nowy wśród nich jest BASE, którego celem jest badanie momentu magnetycznego antyprotonów.

Jesień 2014 r. to również czas rozruchu wspomnianego Supersynchrotronu Protonowego (SPS), który jest akceleratorem kołowym o obwodzie 6 km, gdzie wiązka uzyskuje 450 GeV. Obecnie używany jest jako zderzacz wiązek protonów i antyprotonów, akcelerator ciężkich jonów oraz do wstępnego przyspieszania elektronów i pozytonów przed wstrzyknięciem ich do akceleratora LEP.

Jako zderzacz protonów i antyprotonów w latach 80. dał naukowcom z CERN jedno z najciekawszych odkryć - pierwszej obserwacji cząstek W i Z, czyli nośników słabych oddziaływań. W nowej odsłonie przeprowadzany będzie za jego pomocą eksperyment oznaczony jako NA62, w ramach którego badane mają być rozpady dodatnich kaonów (mezonów K) na piony dodatnie i pary neutrino/antyneutrino.

6. Obraz zderzenia jonów ołowiu zarejestrowany przez detektor LHCb

Detektory czekają

Efektem zwiększenia mocy ma być większa liczba cząstek pędzących w wiązkach i zderzających się ze sobą. Pociąga to za sobą konieczność modyfikacji detektorów, zwłaszcza ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) - toroidalnego detektora ogólnego przeznaczenia (7) - oraz CMS (Compact Muon Solenoid), detektora ogólnego przeznaczenia, zaprojektowanego ze szczególnym naciskiem na identyfikację mionów i uzyskanie dużej rozdzielczości pomiaru ich pędów.

 

7. Detektor ATLAS

Oczywiście nadal będą działać urządzenia oraz prowadzone będą eksperymenty, o których już nie raz słyszeliśmy, takie jak: LHCb (Large Hadron Collider beauty) - detektor mezonów B; ALICE (A Large Ion Collider Experiment) - detektor do obserwacji wyników zderzeń jonów; TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement) - program badania całkowitych przekrojów czynnych, rozpraszania elastycznego i dysocjacji dyfrakcyjnej; LHCf (Large Hadron Collider forward) - symulacja promieniowania kosmicznego w laboratorium;MoEDAL (Monopole and Exotics Detector at the LHC) - eksperyment polegający na poszukiwaniu powolnych i silnie jonizujących stabilnych cząstek egzotycznych, np. masywnych cząstek supersymetrycznych lub monopoli magnetycznych.

Od początku 2015 r. wiązka protonów ma przeszywać tunele LHC właściwego, zaś od wiosny 2015 r. rozpoczną się główne eksperymenty zaplanowane w drugiej fazie pracy Wielkiego Zderzacza Hadronów.

W fazie testowej jednak nie chodzi o czołowe zderzanie rozpędzonych cząstek z cząstkami nadlatującymi z naprzeciwka.

Wiązka uderza zamiast tego w ważący 21,6 tony blok z grafitu, aluminium i miedzi. Nazywa się to beam dumps, czyli "śmietnikiem wiązek".

W fazie testów chodzi tu o przechwycenie energii wiązek, zanim mogłyby wyrządzić jakiekolwiek znaczące szkody elektromagnesom LHC.

Podczas owej testowej procedury "wyrzucania śmieci" wskutek zderzeń powstają miony, cząstki elementarne pokrewne elektronom, cięższe jednak od nich. Mogą być wychwytywane przez detektory w głównym kanale Zderzacza. Nie jest to zjawisko uznawane za niekorzystne.

Przeciwnie - fizycy uważają, że stanowi dobrą okazję do kalibracji detektorów, zanim nastąpi pełny rozruch kompleksu Zderzacza. Jeśli znany jest dokładny czas wyrzutu wiązki, możliwe jest dopasowanie zegara LHC. Start normalnej pracy LHC, czyli rozpędzania wiązek i zderzania ich z energiami o wielkościach 13 TeV a potem również 14 TeV, jest podawany ogólnie jako "wiosna 2015".

W różnych wypowiedziach mówi się o przedziale czasowym od lutego do kwietnia. Nauczeni doświadczeniem z inauguracji LHC 1.0 w 2008 r. fizycy z CERN są dość ostrożni w określaniu dokładnych dat.