V súčasnosti prebieha inštalácia najväčšieho urýchľovača na svete do 27 kilometrového tunelu po predchádzajúcom urýchľovači LEP. Keď začne jeho prevádzka v roku 2007, LHC bude po dlhú dobu poskytovať častice s rekordnou ľuďmi-vyrobenou energiou pre fyzikálne experimenty. Stavia sa v tuneli po urýchľovači LEP ktorý do roku 2000 urýchľoval elektróny a pozitróny až na energie 104 GeV. Problém s urýchľovaním elektrónov spočíva vo fakte, že elektróny sú veľmi ľahké nabité častice a keď sa urýchľujú na vysoké energie, tak musia mať vysoký γ-faktor ale keďže sa pohybujú po zakrivenej trajektórii tak vyžarujú intenzívne synchrotrónne žiarenie, ktorého vyžarovaný výkon je úmerný γ4. Protón je relatívne ťažká častica a v porovnaní s elektrónom žiari omnoho menej a je vhodnejší na urýchlenie na vysoké energie. Protón však nie je elementárna častica pretože sa skladá z kvarkov a gluónov a teda na rozdiel od elektrónov interakcia nie je „čistá“. LHC je konštruované nielen na urýchľovanie protónov, ale aj na urýchľovanie ionizovaných jadier olova Pb 208.
|
CERN – Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, Evropské centrum jaderného výzkumu. Komplex urychlovačů a laboratoří na pomezí Švýcarska a Francie založený v roce 1954. Na výzkumu se podílí 20 členských zemí včetně České republiky. V současné době je zde budován největší urychlovač světa – Large Hadron Collider, který má být dostaven v roce 2007. K největším objevům patří objev částic slabé interakce, příprava antivodíku a objev kvark-gluonového plazmatu. V CERNu byl také vynalezen a poprvé použit Web. LHC – Large Hadron Collider. Urychlovač protonů na energie 14 TeV. Buduje se v komplexu laboratoří CERN v tunelu po urychlovači LEP II. Předpokládané uvedení do provozu je v roce 2007. ATLAS – A Toroidal LHC ApparatuS, detektor pro urychlovač LHC s hmotností 7 000 tun umístěný 100 metrů pod zemí. Jde o multifunkční detektor, který by měl být schopen detekovat mimo jiné Higgsovy bosony. Délka zařízení je 44 metrů, magnetické pole cívky vychylující nabité částice 2 T. CMS – Compact Muon Solenoid. V laboratořích CERN budovaný víceúčelový detektor pro urychlovač LHC, vážící 12 500 tun, který by měl být schopen detekovat Higgsovy částice, pokud je jejich hmotnost v rozmezí 100 GeV až 1000 GeV, jak předpokládá stávající teorie elektroslabé interakce. Dosavadní hledání na urychlovači LEP s detekcí do 100 GeV nepřineslo kýžený výsledek. ALICE – A Large Ion Collider Experiment. Experiment, jehož součástí je vybudování specializovaného detektoru těžkých iontů pro odhalení unikátních fyzikálních vlastností interakcí jádro-jádro při energiích, které dokáže iontům dodat urychlovač Large Hadron Collider. LHCb – Large Hadron Collider beauty, multifunkční detektor pro LHC, na kterém bude sledováno narušení CP symetrie a zkoumány hadrony obsahující kvark b. TOTEM – Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation. Detektor pro LHC sdílející stanoviště s detektorem CMS. |
| Sústava urýchľovačov pre LHC |
 |
| Legenda: LEIR (Low Energy Ion Ring, prstenec iónov s nízkými energiami); PSB (Proton Synchrotron Booster, protonový synchrotrón – booster); PSR (Proton Synchrotron Ring, prstenec protónového synchrotrónu), AD (Antiproton Decelerator) – antiprotónový spomaľovač; SPS (Super Proton Synchrotron, super protonový synchrotrón); LHC (Large Hadron Collider, velký kolider hadrónov). |
LHC potrebuje pre svoju činnosť predurýchlené častice a k tomu využíva už existujúce urýchľovače v CERNe zapojené do vzostupnej sekvencie podľa ich výstupných energií. Protóny získavané z vodíka sú najskôr urýchlené v lineárnom urýchľovači Linac na energiu 50 MeV skadiaľ sú nasmerované do boostera kde získajú energiu skoro 1,4 GeV. Booster je predurýchľovač pre synchrotrón PSR (Proton Synchrotron Ring), stroj o obvode 630 m, ktorý urýchli protóny na energiu asi 25 GeV a následne sú pripravené na injekciu do ďalšieho synchrotróna SPS (Super Proton Synchrotron), ktorý má konečnú výstupnú energiu častíc 450 GeV. Až teraz sú pripravené na finálne urýchlenie v LHC.
| LHC |
LHC je technologicky a finančne náročný projekt, otázky na ktoré by mal pomôcť nájsť odpoveď sú však zásadné pre súčasnú fyziku, ako napríklad nájdenie Higgsovho bozónu, poprípade určenie či je ho jeden alebo viacero typov, umožní precízne meranie hmotnosti baryónov a teda ďalší test štandardného modelu alebo preskúmať presnejšie vlastnosti leptokvarkov. LHC by mal mať dostatočnú energiu na nájdenie superpartnerov častíc ako sú predpovedané podľa SUSY a takisto preskúmať narušenie CP symetrie pri vyšších energiách. Takisto môže naznačiť existenciu extra dimenzií, pomôže hľadaniu odpovede na otázky typu čo je to temná hmota a temná energia a takisto by mal slúžiť ako pomôcka pre výrobu kvark-gluónovej plazmy, čo je stav látky tesne po Veľkom tresku pri extrémne vysokých teplotách. LHC je synchrotrón, teda urýchľovač kde urýchľované častice krúžia dookola a postupne cirkuláciou môžu získavať vyššie a vyššie energie. Na zakrivovanie dráh častíc je v LHC použité 1 232 dipólových magnetov (modré valce). Na kompenzáciu chýb trajektórií a fokusovanie zväzku 858 kvadrupólov a niekoľko magnetov vyšších rádov. Dipóly dosahujú indukciu až 8,4 T použitím supravodiča NbTi pri teplote nižšej ako vesmír, 1,9 K. Cez dipóly tečie prúd 11 700 A.
 |
| LHC – dipólové magnety (modré valce). Zdroj: CERN. |
 |
| Častice sa pohybujú v 2 kanáloch v opačných smeroch a na 4 miestach sa ich dráhy prekrížia a tam sú umiestnené experimenty. |
Na urýchlenie častíc je v každom kanále LHC umiestnených 8 urýchľovacích supravodivých rezonančných dutín s gradientom poľa 5 MV/m. Protóny sú urýchľované v skupinkách (bunches) vzdialených asi 7,5 m od seba a každá skupinka ich obsahuje asi 115 miliárd a okolo celého prstenca obehnú 11 245 krát za sekundu. Celková energia protónov v LHC bude asi 725 MJ čo je ekvivalent 172 kg TNT. LHC môže urýchľovať protóny na energiu 7 TeV a aj jadrá olova na 2,76 TeV na nukleón čo dohromady dáva asi 600 TeV na jadro. Doba medzi zrážkami zhlukov je 25 ns. Po urýchlení na požadovanú energiu ich LHC dokáže udržiavať v móde „storage ringu“ aj niekoĺko desiatok hodín.
| Detektory na LHC |
Kolízie sa odohrávajú uprostred detektorov, produkty unikajú z miesta zrážky na všetky strany pričom musí platiť zákon zachovania hybnosti a energie. Zvyčajne veľmi blízko pri interakčnom mieste sa zisťujú trajektórie unikajúcich častíc v magnetickom poli kvôli meraniu hybnosti a potom častice nasledujú do kalorimetrov kde sa deštruktívnym spôsobom odmerá ich energia. Za kalorimetrami sa nachádzajú detektory miónov, ktoré tvrdohlavo unikajú z detektoru von. Na urýchľovači LHC sídli 5 fyzikálnych experimentov.
I. ATLAS – A Toroidal LHC ApparatuS
ATLAS je najväčší detektor na LHC, 22 metrov vysoký a 44 metrov dlhý. Je to tzv. nešpecializovaný detektor, nebol optimalizovaný pre nejakú konkrétnu úlohu. Detektoru ATLAS bol venovaný samostatný bulletin (AB 25/2005).
 |
II. CMS – Compact Muon Solenoid
Detektor CMS je zložitý komplex subdetektorov, má tvar valca s dĺžkou 21 m a výškou 16 m s hmotnosťou 12 500 ton čo z neho robí najťažší detektor v celom komplexe LHC. Častice prilietavajú zo strán a po zrážke sú produkty detekované systémom detektorov:
 |
Vnútorný detektor stôp (Tracker) slúži na presné zisťovanie polohy prelietavajúcich nabitých častíc blízko interakčného bodu, je to v podstate niečo ako CCD senzor. Detektor stôp u CMS sa skladá asi z 10 miliónov kremíkových mikroprúžkov a 80 miliónov pixlov, celková plocha činí viac ako 200 metrov štvorcových. Kremíkové prúžiky a pixel sú diódy s reverzne aplikovaným tzv. biasing napätím a v oblasti PN prechodu vzniká oblasť bez voľného náboja (depletion layer). Keď cez PN prechod preletí nabitá častica, tak ionizuje materiál, cez ktorý prelieta a vznikajú voľné nosiče náboja. Elektróny doputujú na čítacie prúžky (readout strips), kde sa zozbierajú na povrchu a zosilnia nábojovým zosilňovačom na použiteľný signál. Ak nabitá častica preletí cez viacero vrstiev detektoru stôp, tak môžme zrekonštruovať jej trajektóriu.
Detektor stôp dokáže lokalizovať častice, fyzikov však zaujíma náboj častíc, hybnosť a energia. Na meranie náboja a hybnosti je sústava sledovače stôp a kalorimetrov umiestnená v 4 T silnom magnetickom poli supravodivého magnetu, najväčšej termosky na svete. Nabité častice sa vychyľujú v magnetickom poli a z polomeru zakrivenia ich trajektórie a smeru sa určí hybnosť a polarita náboja. Je to nedeštruktívne meranie na rozdiel od merania energie, kde sa musí pôvodná častica zlikvidovať interakciou s materiálom kalorimetru pričom sa vytvorí spŕška sekundárnych a ďalších častíc. Podľa veľkosti spŕšky a deponovanej energie v jednotlivých segmentov kalorimetra dokážeme odhadnúť pôvodnú energiu častice.
Elektromagnetický kalorimeter ECAL (Electromagnetic CALorimeter) je zariadenie merajúce energiu prelietavajúcich nabitých častíc, najmä elektrónov a fotónov. Obsahuje okolo 80 000 kryštálov PbWO4 ktoré sú veľmi husté a majú krátku radiačnú dĺžku a takisto sú priehľadné. Elektróny a fotóny interagujú s kryštálmi a vytvárajú tzv. elektromagnetické spŕšky. Spŕšky spôsobujú scintiláciu v kryštáli a výsledné svetlo je detegované a jeho intenzita meraná fotodetektormi. Výsledný poskladaný elektronický signál dáva informáciu o energii pôvodnej častice.
Hadrónový kalorimeter HCAL (Hadronic CALorimeter). Častice, ktoré interagujú silne deponujú väčšinu svojej energie v tzv. hadrónovom kalorimetri, ktorý funguje podobne ako ECAL, hadróny vytvárajú spŕšky v sendvičovej štruktúre vytvorenej z mosadze a plastického scintilátoru.
Miónové komory. Mióny sú častice ktoré málo interagujú s látkou a majú dostatočnú dĺžku života na to, aby unikli z detektoru. Odnášajú však zo zrážky hybnosť a energiu a je potrebné ich jednoznačne identifikovať. K tomu slúžia tzv. miónové komory, v prípade CMS sú to driftové komory, katódové prúžkové komory a komory RPC (Resistive Plate Chamber).
 |
| Rez detektorom CMS, znázornená je interakcia rôznych častíc. Kliknutím na obrázok si môžte vyskúšať pohyb rôznych druhov častíc. CMS. Zdroj: CERN. |
III. ALICE – A Large Ion Collider Experiment
Alice bude skúmať relativistické kolízie ťažkých jadier, teda v podstate silne interagujúcu kvark-gluónovú plazmu. Na rozdiel od obecných detektorov ako sú ATLAS alebo CMS je ALICE optimalizovaná na skúmanie zrážok nabitých iónov a nad kremíkovým detektorom stôp sa nachádza komora TPC (Time Projection Chamber), čo je v podstate veľký valec s veľkým driftovým objemom naplnený plynom, kde na koncoch sa nachádza drátová komora MWPC. Nabité častice vytvoria ionizované stopy ktoré sa šíria konštantnou driftovou rýchlosťou pozdĺž elektrického poľa až dodriftujú na nábojové zberné drôty komory MWPC. Trajektória častíc sa dá zrekonštruovať na základe faktu že ionizovaná stopa sa šíri konštantnou rýchlosťou k zberným elektródam komory MWPC a teda väčšia vzdialenosť od komory MWPC sa prejaví dlhším časom doletu k nim. Dĺžka detektora je 25 m, priemer 15 m a hmotnosť 10 000 ton. Viac o detektoru ALICE je možné sa dozvedieť v bulletinu AB 34/2003.
 |
IV. LHCb – LHC beauty
LHCb bude skúmať narušenie CP symetrie medzi hmotou a antihmotou v systémoch B mezónov (bu, bs), ktoré obsahujú antikvark b a u alebo s kvark, u ktorých sa predpokladá že bude narušenie výrazné. V porovnaní s ostatnými samostatnými detektormi na LHC je LHCb malý, vošiel by sa do kvádru 18×12×12 metrov. Váži 4 300 ton.
Prvý detektor VELO (VErtex LOcator) je umiestnený blízko interakčného miesta, používa sa na meranie pozície prelietavajúcich častíc za účelom oddelenia primárnych a sekundárnych vertexov (miest rozpadu) B-mezónov pochádzajúcich zo zrážky alebo určovanie výtryskov pochádzajúcich z bottom (b) kvarkov. B-mezóny preletia iba pár milimetrov než sa rozpadnú a preto je dôležité určiť polohu ich produktov presne.
Hneď za detektorom VELO sa nachádza komora RICH-1 (Ring Imaging Cherenkov), ktorá dokáže určiť rýchlosť prelietavajúcich častíc využitím Čerenkovovho žiarenia.
Hlavný systém sledovania stôp častíc je umiestnený pred a za dipólovým magnetom a dokáže rekonštruovať dráhy nabitých častíc a odmerať ich hybnosť. Za ním je umiestnený druhý RICH systém, ktorý identifikuje častice s veľkou hybnosťou. Nasledujú elektromagnetické a hadrónové kalorimetre zisťujúce energiu elektrónov, fotónov a hadrónov. Takisto ako predchádzajúce detektory aj LHCb potrebuje identifikovať mióny a k tomu slúžia miónové komory na najvzdialenejšom mieste detektoru.
 |
V. TOTEM – Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation
Úlohou experimentu TOTEM je presne odmerať účinný prierez protón-protónových zrážok a difrakčné procesy pri energiách, ktoré dokáže poskytnúť LHC. Nie je to experiment, ktorý by mal samostatné interakčné miesto – zdieľa miesto v dutine pod zemou s detektorom CMS.
| Záver |
LHC má byť spustený v novembri 2007 na energii 900 GeV s luminozitou a začiatkom roku 2008 naplno s energiami 7+7 TeV a plnou luminozitou. Bude to pravdepodobne posledný z veľkých synchrotrónov, jeho parametre sú limitované technológiou a fyzikou a na dosiahnutie zaujímavejších vyšších energií by bola potreba postaviť omnoho väčší urýchľovač, čo by bolo výrazne finančne náročné a veda a výskum nie sú prioritou politikov dnešného sveta. Veľká časť fyzikov verí, že LHC prinesie prekvapenia a teda máme sa na čo tešiť.
LEP - Large Electron - Positron collider. Bývalý urychlovač elektronů a pozitronů se vstřícnými svazky. Dnes se v tunelu po urychlovači LEP staví urychlovač LHC.
Synchrotronní záření – záření generované zpravidla elektrony rotujícími kolem magnetických silokřivek. Jde o relativistické záření s výraznou polarizací, ze které je možné určit směr magnetického pole. Záření je polarizováno v rovině oběžné dráhy, soustředěno do úzkého kužele, vyzařováno v původním směru pohybující se částice a má spojité spektrum.
Proton – částice složená ze tří kvarků (duu) se spinem 1/2, hmotností 1,673×10-27 kg (938 MeV) a elektrickýn nábojem +1,6×10-19 C. Proton je na běžných časových škálách stabilní, pokud se rozpadá, je poločas rozpadu větší než 1035 let. Za objevitele protonu je považován Ernest Rutherford, který v roce 1911 objevil atomové jádro při analýze rozptylu částice alfa pronikající tenkou zlatou fólií. Samotná jádra vodíku (protony) detekoval v roce 1918 při ostřelování dusíku částicemi alfa. Antiproton byl objeven v roce 1955 Emilio Segrem a Owenem Chamberlainem.
Elektron – první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10-31 kg a elektrický náboj 1,6×10-19 C. Elektron objevil sir Joseph John Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl P. Dirac v roce 1928 a objevil C. Anderson v roce 1932.
Kvarky – částice, ze kterých jsou tvořeny těžké částice s vnitřní strukturou (hadrony). Hadrony dělíme na baryony složené ze tří kvarků (například protony a neutrony) a na mezony tvořené kvarkem a antikvarkem (například piony). Kvarky se dělí do tří generací, první tvoří kvarky down a up, druhou kvarky strange a charm a třetí kvarky beauty a truth.
Gluony – intermediální částice silné interakce. Působí jen na hadrony. Jde o sílu, která spojuje kvarky v mezony a baryony. Sílu, která udržuje pohromadě neutrony a protony v atomovém jádře a sílu, způsobující některé rychlé rozpady elementárních částic. Silná interakce má krátký dosah srovnatelný s rozměry atomového jádra. Známe celkem 8 gluonů.
Higgsovy částice – částice, které se objevují ve sjednocené teorii elektromagnetické a slabé interakce (tzv. elektroslabé interakce). Částice zajišťují nenulovou hmotnost intermediálních částic slabé interakce a způsobují narušení symetrie elektroslabé interakce při energiích nižších než 100 GeV. Částice jsou pojmenovány podle skotského fyzika Petera Higgse.
Baryon – Elementární částice složená ze tří kvarků s různým barevným nábojem. Výsledná barva je „bílá“. Baryony podléhají silné interakci a patří proto mezi hadrony. Baryony složené z kvarků první generace (d, u) dělíme na nukleony se spinem rovným 1/2 (proton a neutron) a delta baryony se spinem rovným 3/2 (4 částice s různým nábojem). Baryony obsahující s kvark nazýváme hyperony. Nejznámějším je lambda hyperon. Hyperony byly hojně zastoupené v ranných vývojových fázích vesmíru, často hovoříme o hyperonovém plynu. Dnes vznikají interakcí kosmického záření s horními vrstvami atmosféry a umíme je vytvořit uměle na urychlovačích.
Leptokvarky – hypotetické kalibrační bosony X a Y, které mají podle teorie velkého sjednocení převádět leptony na kvarky a naopak.
SUSY – SUperSYmmetry, symetrie mezi fermiony a bosony, která by se měla objevovat při energiích částic nad 1019 GeV. Ke každému fermionu by měl existovat superpartner, který je bosonem, a naopak ke každému bosonu by měl existoval superpartner, který je fermionem. Pokud je to možné, názvy super partnerů tvoříme příponou „ino". Tedy například foton – fotino, elektron – elektrino. Při těchto energiích by měla být gravitace sjednocená s ostatbními silami.
CP invariance – levopravá symetrie kombinovaná se symetrií částice – antičástice. Označení CP pochází z anglických slov „charge“ a „parity“. Narušení CP symetrie v přírodě prokázali J. V. Cronin a V. Fitch v roce 1964 v experimentech s rozpadem kaonů.
Temná hmota – hmota ve vesmíru nebaryonové povahy, není složena z kvarků. Temná hmota udržuje pohromadě svítící objekty velkých rozměrů, které díky ní v periferních oblastech obíhají rychleji, než odpovídá známým gravitačním zákonům a množství pozorované hmoty. Tvoří 50 % hmoty galaxií a 23 % hmoty vesmíru. Prozatím je mnoho možností, co všechno by mohlo být temnou hmotou. Dosud ji však neumíme přímo detekovat. Termín zavedl v roce 1933 F. Zwicky poukázáním na neklesající rychlost oběhu hvězd ve vnějších oblastech galaxií – oběh zde musí způsobovat něco, co není vidět, odtud pojmenování „temná hmota“.
Temná energie – entita zodpovědná za zrychlenou expanzi vesmíru. Tvoří 73 % hmoty a energie ve vesmíru. Hustota temné energie je velmi málo proměnná v čase i v prostoru, pokud vůbec. Nejnadějnějším kandidátem na temnou energii je energie vakua.
QGP – kvark-gluonové plazma. Podaří-li se nám "dostat" kvarky na vzdálenosti menší než 10-15 m, začnou se kvarky a gluony chovat jako volné (nevázané) částice. Tím vznikne zcela zvláštní stav hmoty nazývaný kvark-gluonové plazma.
CCD – (Charged Coupled Detector; senzor s nábojově vázanou strukturou)– každý pixel těchto senzorů je tvořen elektrickým kondenzátorem z SiO2. Pod každým z kondenzátorů je vytvořena oblast ochuzená o díry, tzv. potenciálová jáma, ve které se zachycují elektrony generované přicházejícími fotony. Potenciálovou jámu můžeme vytvořit buď přiložením kladného napětí na elektrodu kondenzátoru přivrácenou ke světlu, nebo přidáním polovodičového PN přechodu pod vrstvu SiO2. Z množství elektronů uvízlých v potenciálové jámě se určuje intenzita dopadajícího světla. Nejmenší rozměry jednoho pixelu jsou 9×9 mikrometrů a plošné senzory jsou tvořeny maticí až 5120×5120 pixelů velkou. Chlazené CCD senzory pracují se šumem odpovídajícím 4 až 7 elektronům.
Foton – kvantum elektromagnetického záření, například světla. Má nulovou klidovou hmotnost a nemá elektrický náboj. Jeho energie a hybnost jsou přímo úměrné frekvenci záření (E = hf, p = E/c). Stav fotonu zahrnuje také polarizaci, protože jde o příčné vlnění.
Mion – těžký elektron, hmotnost má 207 me. Střední doba života je přibližně 2×10-6 s. Těžký elektron se rozpadá na stabilní elektron, elektronové antineutrino a mionové neutrino. Mion se vyskytuje v sekundárních sprškách z kosmického záření. Mion byl objeven C. Andersonem v kosmickém záření za pomoci mlžné komory v roce 1936.
MWPC – Multi Wire Proportional Chamber, citlivá drátová komora pro sledování stop částic. Funguje analogicky jako Geiger Müllerův počítač, ale obsahuje velké množství detekčních drátků a pracuje v proporcionálním režimu. Je součástí mnoha detektorů.
Mezon – částice složená z jednoho kvarku a jednoho antikvarku. Název vznikl z toho, že první objevené mezony měly hmotnost „mezi“ hmotností elektronu a protonu. Pokud se kvarky složí s nesouhlasným spinem, vznikne skalární mezon (má nulový spin), pokud se souhlasným spinem vznikne vektorový mezon (spin má roven jedné). Skalární mezony zkombinované z kvarků d a u nazýváme piony, vektorové róony. Pokud mezon obsahuje kvark s, nazývá se kaon.
Čerenkovovo záření – kužel elektromagnetického záření v podobě rázové vlny, který vzniká za nabitou částicí pohybující se nadsvětelnou rychlostí v daném prostředí.
Luminozita – integrální tok částic průřezem urychlovače.
