CERN:n LHC-projekti

CERNin LHC-projekti

PDF  LHC-kokeet 2011  LHC-kokeet 2012

CERN:issä vuoden 2009 lopussa käynnistetty LHC (Large Hadron Collider, kts. http://lhc.web.cern.ch/lhc/) on maailman suurin hiukkaskiihdytinlaitteisto. Se on kahden suprajohteisia magneetteja käyttävän synkrotronirenkaan muodostama protoni-protoni-törmäytin, jossa kummassakin synkrotronissa protoneille annetaan  7 TeV:n (vv. 2010-2011 3,5 TeV:n) energia (http://lhc-machine-outreach.web.cern.ch/lhc-machine-outreach/). Tämä on n. kymmenkertainen nykyisin kiihdytinlaitteistoihin verrattuna. Näin suuri energiahyppäys tarvitaan, jotta  voidaan saavuttaa seuraava merkittävä edistysaskel aineen perusrakenteen tutkimuksessa. Tämänhetkinen ymmärryksemme siitä pohjaa usean vuosikymmenen teoreettiseen tutkimukseen sekä laajoihin kokeellisiin tutkimuksiin, ennen kaikkea kokeisiin CERNin protoni-antiprotoni-törmäyttimellä (1981-89), LEP-elektroni-positroni-törmäyttimellä (1989-2000) sekä yhdysvaltalaisen Fermin kansallisen laboratorion Tevatron-protoni-antiprotoni-törmäyttimellä (1992-). Tieto on koottu kvanttikenttäteorian muotoon niin sanotuksi aineen perusrakenteen standardimalliksi, jonka avulla voidaan ymmärtää suurin osa laboratoriossa tuotetuista ja maailmankaikkeudessa havaituista ilmiöistä.

Suuria avoimia kysymyksiä kuitenkin on. Tärkeimmät tällä hetkellä ovat alkeishiukkasten massan alkuperä sekä luontoa mahdollisesti hallitsevan ns. supersymmetrian havaitseminen. LHC:lla tehtävien kokeiden päätavoitteena on selvittää, mikä mekanismi aiheuttaa sähköisheikon vuorovaikutuksen ns. spontaanin symmetrian rikkoutumisen ja määrää alkeishiukkasten massat. Suosituin vaihtoehto symmetriarikolle on ns. Higgsin mekanismi, jonka ilmentymänä LHC:llä pitäisi löytyä  uusia hiukkasina, ns. Higgsin bosoneja. Toinen tärkeä tutkimuskohde on, toteutuuko luonnossa teoreettisen tutkimuksen ehdottama fermioni- ja bosonihiukkasten supersymmetria, jonka myös pitäisi näkyä uusina hiukkasina. Viime aikoina on säieteorioiden tutkimuksen  innoittamana alettu tutkia lisäavaruusdimensioiden (tunnettujen kolmen dimension lisäksi) havaitsemismahdollisuuksia maailmankaikkeudessa. Nämä ovat tällä hetkellä aineen perusrakenteen tutkimuksen pääaiheet. Higgsin ja Supersymmetria -teorioille on toisaalta esitetty useita erilaisia vaihtoehtoisia muotoja ja laajennuksia, joita LHC-kokeiden odotetaan testaavan. Luonnollisesti voidaan myös odottaa – ja toivoa, että energian lisääminen saattaa paljastaa aivan uusia ilmiöitä, joilla on merkitystä aineen perusrakenteen ja maailmankaikkeuden rakenteen ymmärtämisessä.

LHC-projektiin päädyttiin CERNissä  v. 1996 lähes vuosikymmenen jatkuneen tieteellisen ja teknisen arvioinnin ja tutkimuksen tuloksena. Suprajohteisiin magneetteihin perustuva synkrotroni-törmäytin oli tuolloin hallitulla tekniikalla toteutettavissa ja se voitiin käytettävissä olevien  tutkimusmäärärahojen puitteissa suunnitella riittävän tehokkaaksi, jotta Higgsin bosonien ja supersymmetristen hiukkasten olemassaolon pitäisi selvitä

LHC on kahden periaatteeltaan klassisen synkrotronin muodostama hiukkastörmäytin, mutta sen rakentamisessa on ollut kaksi suurta teknologista haastetta. Ensimmäinen on entistä voimakkaampien magneettien valmistus. LHC on rakennettu jo valmiiseen kiihdytintunneliin, LEP-törmäyttimelle 1980-luvulla  louhittuun renkaanmuotoiseen tunneliin. Tunnelirenkaan ympärysmitta on 27 km joten protonisuihkujen energia määräytyy siitä, miten tehokkaita magneetteja voidaan rakentaa taivuttamaan protonien ratoja niin, että hiukkaset pysyvät kiihdyttimen suihkuputkessa kiertäen tunnelissa. Käyttämällä tällä hetkellä teknologisesti hallittua suprajohdetekniikkaa (niobium-titaani-metalliseokset) voidaan valmistaa yli 8 Teslan kenttään yltäviä dipolimagneetteja, joiden avulla 7 TeV:n protonisuihkut pysyvät kiihdyttimessä. Suprajohdekaapelit  pidetään 1,9 Kelvin-asteen lämpötilassa, ja LHC tulee siten olemaan myös maailman suurin suprajohtavassa ja suprajuoksevassa tilassa oleva laitteisto. Toinen suuri tekninen haaste on protonisuihkujen intensiteetti. Higgsin hiukkasten synnyttäminen on teoreettisten ennusteiden perusteella harvinainen ilmiö. On tuotettava keskimäärin 10 miljardia protoni-protoni-törmäystä, jotta joukossa olisi yksi, jossa on syntynyt Higgsin bosoni. Jotta näitä voitaisiin havaita ja tallentaa järkevässä ajassa riittävä määrä, on suihkujen suunniteltu intensiteetti asetettu niin, että LHC:ssä tapahtuu 40 miljoonaa protonikimppujen törmäystä sekunnissa.  Tämä asettaa puolestaan suuria vaatimuksia protonitörmäyksiä mittaavien hiukkasilmaisimien, niistä koostuvien koeasemien ja näiden antamaa tietoa käsittelevien tietokonejärjestelmien  suorituskyvylle.

LHC:n rakentaminen on ollut valtava maailmanlaajuinen teollisuushanke. Myös Suomalainen teollisuus on osallistunut siihen merkittävällä tavalla. Esimerkiksi Metso-konserni on toimittanut LHC:n dipolimagneetteihin niiden päätyosat, jotka edustavat kehittynyttä metallurgiateknologiaa ja Outokumpu (nykyisin LUVATA) Pori Copper yhden kahdeksasosan dipoleissa tarvittavasta suprajohdelangasta. Näiden ”high tech” –kontribuutioiden  lisäksi on  toimitettu konventionaalista tekniikkaa. Törmäytinlaitteiston  rakennuskustannukset ovat 4,6 miljardia Sveitsin frangia ja se on rakennettu CERNin vuosibudjetin puitteissa. Lisäksi Yhdysvallat, Venäjä ja Japani ovat osallistuneet LHC:n rakentamiseen toimittamalla siihen merkittävällä tavalla osia.

LHC-kokeita varten tarvittavia ilmaisinlaitteistoja suunniteltiin jo 80-luvun lopulta lähtien ja niiden rakentaminen aloitettiin 90-luvun lopulla.  Protoni-protoni-törmäyksiä mittaamaan rakennetut CMS-  (http://cms.cern.ch/) että ATLAS- laitteistot ovat monipuolisia täyden avaruuskulman tutkimusasemia, jotka on optimoitu Higgsin bosonien ja supersymmetristen hiukkasten havaitsemiseen. ALICE-koeaseman tarkoituksena on tutkia raskaitten ytimien törmäyksiä ja LHCb-koelaitteisto tutkii b-kvarkkien ja niiden antihiukkasten mahdollisia eroja.

Nykyisin käynnissä oleviin törmäytinkokeisiin verrattuna tutkimukset LHC:llä tulevat olemaan äärimmäisen vaikeita. Erityisesti datansiirron nopeuden ja volyymin sekä laitteiden säteilynkestävyyden osalta koeolosuhteet LHC:llä ovat aikaisempaa merkittävästi vaativammat. Hiukkasilmaisimien rakentamiseen on tarvittu aivan uusia materiaaleja ja niiden tuottaman datan käsittelyyn tietotekniikan viimeisimpien saavutusten käyttöä. CMS- ja ATLAS-koelaitteistojen komponenteista suurin osa on tilattu teollisuudelta. Kummankin kokeen rakennuskustannukset ovat noin  500 milj. Sveitsin frangia. Projekteihin osallistuvat yliopistot ja tutkimuslaitokset ja CERN rahoittivat rakennustyöt vuosiksi 1998-2010 sovitun suunnitelman mukaan.

Mittausten äärimmäisen vaikeuden vuoksi kahden protoni-protoni- kokeen rakentamista pidetään LHC-projektin onnistumisen kannalta tärkeänä, vaikka kustannukset ovatkin melkoiset. Tutkimustulosten ristiintarkistuksen varmistamiseksi on pyritty siihen, että CMS- ja ATLAS-laitteistot perustuvat mahdollisimman paljon komplementäärisiin ilmaisinmenetelmiin.

ATLAS- ja CMS-projekteihin osallistuu kumpaankin lähes kaksi sataa yliopistoa ja tutkimuslaitosta, näistä noin neljännes Yhdysvalloista. Kummassakin kokeessa niiden suunnitteluun osallistui aktiivisesti viitisensataa tutkijaa, mutta rakentamiseen ja kokeiden tulosten analyysin valmisteluun osallistuvien fyysikoiden ja insinöörien lukumäärä on nyt kasvanut  yli kahteen tuhanteen.

CERNin UA1-kokeen (vv. 1982-1989) suomalainen tutkijaryhmä liittyi CMS-kokeen ideointiin ja suunnitteluun sen alkuvaiheista lähtien v. 1990. Nyt kokeeseen osallistuu tutkijoita ja insinöörejä Fysiikan tutkimuslaitoksesta, Helsingin yliopistosta, Aalto-yliopistosta ja Lappeenrannan teknillisestä yliopistosta Fysiikan tutkimuslaitoksen koordinoimassa tutkimushankkeessa. Tällä vahvalla tutkijaryhmällä on ollut keskeinen asema kokeen rakentamisessa ja sillä on nyt hyvät edellytykset olla tutkimuksen eturintamassa alkavien kokeiden myötä.

Suomi on kattanut CMS-kokeen rakennuskustannuksista  n. kuuden miljoonan Sveitsin frangin verran 12 vuoden ajalle jaettuna. Määräraha on koottu Suomen Akatemian, Opetusministeriön ja Fysiikan tutkimuslaitosta  hallinnoivien yliopistojen toimesta. Se on käytetty laitehankintoihin ja osallistujainstituuttien ulkopuolisen työvoiman palkkaamiseen. Suurin osa laitteistoista on hankittu teollisuudelta. Suomalainen teollisuus on menestyksellisesti osallistunut laitetoimituksiin. Outokumpu (nykyään Luvata) Pori Copper on esimerkiksi toimittanut suprajohtavan langan CMS-laitteiston suureen 4 Teslan magneettiin ja Exel oy tarkkuushiilikuiturakenteita CMS:n jälki-ilmaisimen tukirakenteeseen.

Protonien lisäksi LHC:llä voidaan törmäyttää raskaita ytimiä. Esimerkiksi törmäyttämällä täydellisesti ionisoituja lyijy-ytimiä LHC:llä päästään vaikuttavaan 1000 TeV:n törmäysenergiaan. Näiden törmäyksien tutkimista varten on rakennettu ALICE-koe, johon suomalaiset tutkijat myös osallistuvat. Tärkein tutkimuskohde ALICE-kokeessa on faasinmuutos hadroniaineesta kvarkki-gluoni-plasmaan, aineen uuteen olomuotoon, jossa nukleonit ovat törmäysenergian aiheuttamassa korkeassa lämpötilassa ”sulaneet” kvarkeiksi ja gluoneiksi. Big bang –teorian mukaan maailmankaikkeuden ensi sekunnin murto-osien ajan aine on ollut tällaisessa muodossa. Suomalainen panos rakentamiseen ja tutkimukseen on tullut Jyväskylän yliopistosta ja Fysiikan tutkimuslaitoksesta. Projektin rakennuskustannukset ovat 120 MCHF, josta Suomi on maksanut 1 %:n.

LHC-laitteiston asennustyöt saatiin v. 2008 alkuun mennessä valmiiksi ja suprajohteisten magneettien jäähdyttäminen voitiin aloittaa . Tavoitteena oli saada törmäytin toimintakuntoon v. 2008 toisella puoliskolla, jolloin CMS- , ATLAS- , ALICE- ja LHCb-koeasemat olivat valmiina törmäytinkokeita varten.  Syyskuun 10. päivänä saatiinkin ensimmäiset protonisuihkut kiertämään synkrotronirenkaissa, mutta  nostettaessa magneettien virtoja hiukkasten kiihdyttämiseksi tapahtui suprajohtavuuden menettäminen yhdessä magneetteja yhdistävässä suprajohtavassa kaapeliliitoksessa. Tästä aiheutunut heliumin raju lämpeneminen ja purkautuminen magneettien kryostaattien tyhjiöön aiheutti vahinkoja ko. magneettisektorissa. Vahinkojen korjaus  saatiin päätökseen keväällä 2009. Samalla käynnistettiin LHC:n parannusohjelma, jossa tutkittiin tarkemmin kaikki magneettien väliset liitokset.  Muutama huono liitos korjattiin, jolloin koko kyseinen magneettisektori jouduttiin lämmittämään huoneenlämpötilaan. Lisäksi asennettiin kokonaan uusi diagnostisointijärjestelmä, joka seuraa entistä tarkemmin magneettien välisten liitosten käyttäytymistä virtoja nostettaessa ja keskeyttää toiminnan jos se havaitsee niissä epänormaalia ohmisen vastuksen nousua. Venttiilejä, jotka pystyvät purkamaan vikatilanteessa kryostaatista purkautuvan heliumkaasun painetta magneettien ulkopuolelle riittävän nopeasti, asennettiin lisää sektoreihin, jotka korjaustöiden vuoksi oli lämmitetty huoneen lämpötilaan.

Kaikki asennustyöt saatiin päätökseen elokuussa 2009. Näin voitiin aloittaa lämpimänä olevien sektoreiden jäähdyttäminen magneettien toimintalämpötilaan. Marraskuun puolessa välissä aloitettiin synkrotronien toiminnan testaaminen ilman kiihdyttämistä, toisin sanoen kierrättämällä niissä protonisuihkuja energialla, johon ne oli kiihdytetty esikiihdyttimillä ennen LHC:hen syöttämistä (450 GeV). Kun tämä sujui hyvin, aloitettiin suihkujen törmäyttäminen LHC-koeasemien kohdalla. Kaikki neljä koelaitteistoa (ATLAS, CMS, ALICE, LHCb) olivat valmiina aloittamaan tutkimusajot.

Kaikki sujui edelleen suunnitelmien mukaan. Törmäyttämistä jatkettiin useita tunteja useaan otteeseen, jolloin LHC-kokeet saattoivat rekisteröidä niitä. Esimerkiksi CMS-koe rekisteröi noin puoli miljoonaa protoni-protoni-törmäystä 450+450 GeV:llä. Tämä vaihe oli lähinnä tarkoitettu koeasemien kalibrointia varten, mutta samalla voitiin tehdä alustavia mittauksia protonien välisten vuorovaikutusten fysiikasta ja verrata tuloksia aiemmista CERNin ja Fermin laboratorion protoni-antiprotoni-törmäyttimillä tehdyistä kokeista saatuihin. Lopulta viikkoa ennen joulutaukoa aloitettiin protonisuihkujen kiihdyttäminen. Myös se sujui aivan suunnitelmien ja odotusten mukaan. LHC:n suunnittelijat ja rakentajat olivat tyytyväisiä ja vakuuttuneita että laitteen toiminta oli kiihdytinfysiikan kannalta hyvin hallinnassa. Alku otettiin vielä varman päälle, suihkujen energia nostettiin 1,18 TeV:hen, jolloin virta suprajohdemagneeteissa on vielä pieni. Kyseessä oli kuitenkin uusi alkeishiukkasten törmäysenergian maailmanennätys, oli aloitettu uuden energia-alueen valloitus. Törmäytykset tälläkin energialla sujuivat ongelmitta ja koeasemat saattoivat rekisteröidä muutaman kymmenen tuhatta törmäystä tutkittavaksi. LHC:n uudelleenkäynnistys oli suuri menestys ja kaikki sen edestä vuosikausia ahertaneet saattoivat siirtyä joulun viettoon hyvillä mielin.

Talviseisokin aikana LHC;tä valmisteltiin nostamaan suihkujen energia 3,5 TeV:hen.  Saatujen kokemusten ja tehtyjen mittausten perusteella todettiin, että energian nostaminen tätä ylemmäs vaatii magneettien välisten kaapeliliitosten korvaamista uudella teknologialla. Lisäksi osa magneeteista vaatii uuden training-operaation, jotta niiden kelat pysyvät suprajohtavassa tilassa koko virrannostojakson aikana. Näiden parannusten toteuttaminen vaatii arviolta vuoden rakennusseisokin. Kun  3,5+3,5 TeV:n energialla voidaan jo tavoittaa monia LHC-tutkimusohjelman mielenkiinnon kohteena olevia ilmiöitä, päätettiin LHC pitää käynnissä tällä energialla vuosina 2010-2011 ja toteuttaa parannustyöt 7 TeV:n energioita varten v. 2012. Vuosien 2010 ja 2011 loppuun on suunniteltu jaksot raskas-ioni-suihkujen kiihdyttämistä ja törmäyttämistä varten.

Kahden vuoden aikana LHC-kokeet keräävät niin paljon dataa, että sen analyysi vie hyvinkin vuoden 2012 loppuun, jolloin uusi datankeruujakso alkaa.

LHC käynnistettiin uudelleen maaliskuun 30. päivänä 2010, nyt 3,5 TeV:n suihkuenergialla. Tämän jälkeen LHC on toiminut täysin suunnitelmien mukaisesti ja sen suihkujen intensiteetti on saatu ilman ongelmia nostettua tasolle, jolla voidaan odottaa uusien ilmiöiden löytämistä seuraavan parin vuoden kuluessa. Myös kaikki koeasemat ovat toimineet odotusten mukaisesti (kts. CMS http://cms.web.cern.ch/cms/News/index.html) . Lokakuun loppuun mennessä oli kokeissa saatu tuotettua kaikki tunnetut standardimallin mukaiset ilmiöt 7 TeV:n törmäysenergialla

(http://cdsweb.cern.ch/journal/CERNBulletin/2010/45/News%20Articles/1302710?ln=en)

Marraskuun ajan LHC törmäytti lyijyioneja ja myös näissä kokeissa saavutettiin tavoitteet ja voitiin verifioida Yhdysvaltalaisella RHIC-raskasionitörmäyttimellä saavutettuja tuloksia (http://cdsweb.cern.ch/journal/CERNBulletin/2010/51/News%20Articles/?ln=en) LHC:n talviseisokki alkoi 6.12. ja suunniteltu uudelleen käynnistäminen on ajoitettu helmikuun loppuun

CERN tähtää nyt uuden fysiikan löytämiseen LHC:llä. Tutkimusohjelmaa arvioidaan tammikuussa 2011 saatujen kokemusten perusteella ja näyttää siltä, että ajoja jatketaan tämänhetkisellä konfiguraatiolla aina 2012 loppuun. Tämä siksi, että odotukset kerättävästä luminositeetista ovat sellaista luokkaa, että standardimallin Higgsin bosonin löytäminen voi olla mahdollista vv. 2011-2012 aikana nyt käytössä olevalla 7 TeV:n törmäysenergialla. Tällöin suihkujen energian nostaminen 7 TeV:hen  tehtäisiin vasta v. 2013. Pitkän tähtäimen tutkimusohjelma ulottuu 2020-luvun puolelle asti.

(Katso kuvat PDF)

Kuva 1. LHC:n dipolimagneetin kaaviokuva. Magneetin keskiakselilla näkyvät LHC:n  kahden synkrotronin suihkuputket, joissa protonit kiertävät vastakkaisiin suuntiin suprajohtavan magneettikelan avulla synnytetyn magneettikentän ohjaamina.

Kuva 2. LHC-dipolimagneetin poikkileikkaus, jossa näkyy suprajohtavan magneettikelan paikka suihkuputkien ympärillä.

Kuva 3. Näkymä LHC-tunnelista. Siniset sylinterit ovat suprajohtavien magneettien suojakuoria.

Kuva 4. Maailman suurinta Tracker-ilmaisinta asennetaan CMS-koeasemaan. CMS-koeasema  on 16 m korkea ja 25 metriä pitkä eri tyyppisistä hiukkasilmaisimista ja suuresta solenoidimagneetista koostuva rakennelma.

Kuva 5. CMS-koelaitteistoa suljetaan. Keskellä näkyy suihkuputki, jossa protonit kiitävät sata miljardia protonia sisältävinä rihmoina vastakkaisiin suuntiin. Ne on suunnattu törmäämään toisiinsa laitteiston keskipisteessä.

Kuva 6. CMS-laitteisto suljettuna,valmiina rekisteröimään protoni-protoni-törmäyksiä.

Kuva 7. Rekonstruoitu kuva protoni-protoni-törmäyksestä CMS-koeasemassa 450+450 GeV:n energialla. Kuvassa näkyvät symbolit esittävät laitteisto eri ilmaisinosien rekisteröimiä signaaleja. Viivat esittävät törmäyksessä syntyvien hiukkasten ratoja.

Kuva 8. Rekonstruoitu kuva protoni-protoni-törmäyksestä CMS-koeasemassa 1,18 + 1,18 TeV:n energialla. CMS:n magneettikenttä on päällä, hiukkasten radat ovat ruuviviivoja.

 

Jorma Tuominiemi/ päivitetty 15.12.2010