CERN

LINAC 2

Gran Sasso

North Area

LINAC 3Ions

East Area

TI2TI8

TT41TT40

CTF3

TT2

TT10

TT60

e

ALICE

ATLAS

LHCb

CMS

CNGS

neutrinos

neutrons

pp

SPS

ISOLDEBOOSTERAD

LEIR

n-ToF

LHC

PS

Przewodnik po LHC

Czsto zadawane pytania

Publikacja stanowi swego rodzaju przewodnik ilustrowany rysunkami, w ktrym znajduj si podstawowe informacje o Wielkim Zderzaczu Hadronw (Large Hadron Collider LHC) w formie pyta i odpowiedzi. Pytania pogrupowane s w rozdziay, a odpowiedzi - zwykle dwuczciowe, wiksz ilo szczegw zawieraj w drugiej czci.

Ten przewodnik jest stale aktualizowany. Najnowsz anglojzyczn wersj mona znale na stronie:

http://multimedia-gallery.web.cern.ch/multimedia-gallery/Brochures.aspx

i

Spis trecifaq

Przewodnik po LHC

Fizyka czstek 1

Podstawowe informacje o LHC 15

Akcelerator 27

Detektory 37

rodowisko 49

10 fascynujcych faktw o LHC 55

Dodatek 1 56

Dodatek 2 57

Potgi dziesiciu

Potgi dziesiciu s powszechnie uywane w fizyce i technologii informacji. W praktyce s to skrty dla bardzo maych i bardzo duych liczb.

Potga dziesiciu

Liczba Skrt

1012

109

106

103

102

101

100

101

102

103

106

109

1012

1015

0,0000000000010,000000001

0,0000010,0010,010,11101001000

1 000 0001 000 000 000

1 000 000 000 0001 000 000 000 000 000

p (piko)n (nano)m (mikro)m (milli)

k (kilo)M (mega)G (giga)T (tera)P (peta)

1

Fizyka czstek

Potgi dziesiciu

Potgi dziesiciu s powszechnie uywane w fizyce i technologii informacji. W praktyce s to skrty dla bardzo maych i bardzo duych liczb.

Potga dziesiciu

Liczba Skrt

1012

109

106

103

102

101

100

101

102

103

106

109

1012

1015

0,0000000000010,000000001

0,0000010,0010,010,11101001000

1 000 0001 000 000 000

1 000 000 000 0001 000 000 000 000 000

p (piko)n (nano)m (mikro)m (milli)

k (kilo)M (mega)G (giga)T (tera)P (peta)

faq

Przewodnik po LHC

2

Wewntrz atomu

Fizyka czstek bada najmniejsze obiekty wystpujce w Naturze. Zagldajc do wntrza tych bardzo maych i fundamentalnych obiektw cofa si rwnie bardzo daleko w czasie, bo a do kilku chwil po Wielkim Wybuchu. Poniej przedstawione s wymiary kilku obiektw, ktrymi zajmuje si fizyka czstek:

atom : 10-10 m jdro : 10-14 m kwarki : < 10-19 m

Jeeli protony i neutrony miayby rednic 10 cm, wwczas kwarki i elektrony miayby wielko mniejsz ni 0,1 mm, a cay atom miaby rednic okoo 10 km. Wicej ni 99,99% atomu to pusta przestrze.

Jednostki energii w fizyce

W fizyce stosuje si wiele jednostek energii. Dule, kalorie i kilo-watogodziny s jednostkami uywanymi w rnych kontekstach. Tylko dul naley do midzynarodowego ukadu jednostek (SI), ale wszystkie jednostki s midzy sob powizane poprzez wspczynniki konwersji. W fizyce czstek najczciej uywan jednostk energii jest elektronowolt (eV) i jego wielokrotnoci: keV (103 eV), MeV (106 eV), GeV (109 eV) i TeV (1012 eV). Elektronowolt jest wygodn jednostk, poniewa w jednostkach powszechnie uywanych, energie czstek - z ktrymi maj do czynienia fizycy - s bardzo mae. Jeeli wemiemy jako przykad LHC, to cakowita energia zderzenia wynosi 14 TeV, co czyni to urzdzenie najpotniejszym w wiecie. Jeeli t warto energii zamienimy na dule, to otrzymamy:

14 x 1012 x 1,602 x 1019 = 22,4 x 107 duli.

Jest to bardzo maa ilo energii w porwnaniu na przykad do en-ergii obiektu wacego 1 kg i spadajcego z wysokoci 1 m, ktra wynosi: 9,8 duli = 6,1 x 1019 elektronowoltw.

Definicja elektronowolta pochodzi z prostego stwierdzenia, e pojedynczy elektron przyspieszony przez rnic potencjaw 1 wolta ma dyskretn warto energii E=qV duli, gdzie q jest adunkiem elektronu w kulombach, a V jest rnic potencjaw w woltach. Std: 1 eV = (1,602 1019 C) x (1 V) = 1,602 x 1019 J.

Atom

Elektron Jdro

u

u d

Czsteczka

Proton

Kwarki

Materia

Nukleon

Przewodnik po LHC

3

Jednostki energii w fizyce

W fizyce stosuje si wiele jednostek energii. Dule, kalorie i kilo-watogodziny s jednostkami uywanymi w rnych kontekstach. Tylko dul naley do midzynarodowego ukadu jednostek (SI), ale wszystkie jednostki s midzy sob powizane poprzez wspczynniki konwersji. W fizyce czstek najczciej uywan jednostk energii jest elektronowolt (eV) i jego wielokrotnoci: keV (103 eV), MeV (106 eV), GeV (109 eV) i TeV (1012 eV). Elektronowolt jest wygodn jednostk, poniewa w jednostkach powszechnie uywanych, energie czstek - z ktrymi maj do czynienia fizycy - s bardzo mae. Jeeli wemiemy jako przykad LHC, to cakowita energia zderzenia wynosi 14 TeV, co czyni to urzdzenie najpotniejszym w wiecie. Jeeli t warto energii zamienimy na dule, to otrzymamy:

14 x 1012 x 1,602 x 1019 = 22,4 x 107 duli.

Jest to bardzo maa ilo energii w porwnaniu na przykad do en-ergii obiektu wacego 1 kg i spadajcego z wysokoci 1 m, ktra wynosi: 9,8 duli = 6,1 x 1019 elektronowoltw.

Definicja elektronowolta pochodzi z prostego stwierdzenia, e pojedynczy elektron przyspieszony przez rnic potencjaw 1 wolta ma dyskretn warto energii E=qV duli, gdzie q jest adunkiem elektronu w kulombach, a V jest rnic potencjaw w woltach. Std: 1 eV = (1,602 1019 C) x (1 V) = 1,602 x 1019 J.

Przewodnik po LHC

4

Energia i prdko czstki

adna czstka nie moe porusza si z prdkoci wiksz od prdkoci wiata w prni; jednak nie istnieje adna granica energii, jak moe osign czstka. W akceleratorach wysokiej energii czstki poruszaj si zwykle z prdkoci bardzo blisk prdkoci wiata. W tych warunkach, gdy energia wzrasta, wzrost prdkoci jest minimalny. Na przykad, jeeli w LHC czstki w momencie wstrzyknicia poruszaj si z prdkoci rwn 0,999997828 prdkoci wiata (energia = 450 GeV), to po osigniciu najwyszej wartoci energii (energia = 7000 GeV) prdko bdzie rwna 0,999999991 prdkoci wiata. Dlatego fizycy zajmujcy si czstkami na og nie myl o prdkoci czstek, tylko o ich energii.

Klasyczna newtonowska zaleno pomidzy prdkoci i energi kinetyczn (K= (1/2)mv2) obowizuje tylko dla prdkoci duo mniejszych od prdkoci wiata. Dla czstek poruszajcych si z prdkoci blisk prdkoci wiata musimy zastosowa rwnanie szczeglnej teorii wzgldnoci K = (g 1)mc2 gdzie c jest prdkoci wiata (299792458 m/s), zwizane jest z prdkoci wzorem g = 1/(1 b2); b = v/c, a m rwne jest masie czstki w spoczynku.

E

4 mc2

3 mc2

2 mc2

mc2

0,2 c 0,4 c 0,6 c 0,8 c cPrdko v

E = mc2

energia kinetyczna

energia wasna lub spoczynkowa

E = mc2

Ener

gia

Rf: http://www.phys.unsw.edu.au/einsteinlight/jw/module5_equations.htm

Energia kinetyczna protonu (K) Prdko (% c) Akcelerator

50 MeV1,4 GeV25 GeV

450 GeV7 TeV

31,491,6

99,9399,9998

99,9999991

Linac 2PS Booster

PSSPSLHC

Zaleno midzy energi kinetyczn a prdkoci protonu w akceleratorach CERN-u.

Masa spoczynkowa protonu wynosi 0,938 GeV/c2

Energia i masa

Energia i masa s dwiema stronami tej samej monety. Mas mona przeksztaci w energi i vice versa zgodnie ze synnym rwnaniem Einsteina (E = mc2). W LHC zamiana taka zachodzi podczas kadego zderzenia. Rwnie dziki temu rwnaniu mas i energi mona mierzy w tych samych jednostkach. W skali fizyki czstek s to elektronowolty i ich wielokrotnoci (patrz: Jednostki energii w fizyce).

Przewodnik po LHC

5

Energia kinetyczna protonu (K) Prdko (% c) Akcelerator

50 MeV1,4 GeV25 GeV

450 GeV7 TeV

31,491,6

99,9399,9998

99,9999991

Linac 2PS Booster

PSSPSLHC

Zaleno midzy energi kinetyczn a prdkoci protonu w akceleratorach CERN-u.

Masa spoczynkowa protonu wynosi 0,938 GeV/c2

Energia i masa

Energia i masa s dwiema stronami tej samej monety. Mas mona przeksztaci w energi i vice versa zgodnie ze synnym rwnaniem Einsteina (E = mc2). W LHC zamiana taka zachodzi podczas kadego zderzenia. Rwnie dziki temu rwnaniu mas i energi mona mierzy w tych samych jednostkach. W skali fizyki czstek s to elektronowolty i ich wielokrotnoci (patrz: Jednostki energii w fizyce).

Przewodnik po LHC

6

Model Standardowy

Model Standardowy jest zbiorem teorii, ktre obejmuj ca nasz wspczesn wiedz o czstkach elementarnych i siach dziaajcych midzy nimi. Zgodnie z teori, ktra jest poparta wieloma danymi eksperymentalnymi, kwarki s najmniejszymi cegiekami materii, a siy dziaaj poprzez czstki-noniki, ktre s wymieniane midzy czstkami materii. Siy rni si midzy sob moc. Przedstawione rysunki stanowi podsumowanie podsta-wowych zasad Modelu Standardowego.

Chocia Model Standardowy jest bardzo mocn teori, to niektre zaobserwowane ostatnio zjawiska takie jak ciemna materia i nieobecno antymaterii we Wszechwiecie pozostaj niewyjanione i nie mog by opisane przez model. Przeczytaj wicej na ten temat na stronie 22.

Przewodnik po LHC

7

ElektronRazem z jdrem tworzy atom.

Neutrino elektronoweCzstka obojtna o bardzo maej masie; w cigu sekundy miliardy tych czstek przenikaj przez nasze ciao.

MionCiszy, pokrewny elektronowi; jego czas ycia wynosi dwie milionowe czci sekundy.

Neutrino mionowePowstaje jednoczenie z mionami podczas rozpadu niektrych czstek.

TauCzstka jeszcze cisza,niezwykle nietrwaa. Zostaa odkryta w 1975 roku.

Neutrino tauonoweOdkryte w 2000 roku.

Up (grny)Ma adunek elektryczny plus dwie trzecie; proton zawiera dwa takie kwarki, neutron jeden.

Down (dolny)Ma adunek elektryczny minus jedna trzecia; proton zawiera jeden taki kwark, neutron dwa.

Charm (powabny)Ciszy od kwarka Up: odkryty w 1974 roku.

Strange (dziwny)Ciszy odpowiednik down.

Top (prawdziwy lub szczytowy)Jeszcze ciszy;odkryty w 1995 roku.

Bottom (denny lub pikny)Jeszcze ciszy; pomiar kwarkw bottom jest wanym testem teorii elektrosabej.

LEPTONY

KWARKI

Skad

nik m

ater

iiSk

adni

k mat

erii

Przewodnik po LHC

8

Odczuwane przez kwarki Noniki: gluony

Odczuwane przez kwarki i naadowane leptony

Noniki: fotony

Zwizane z nimi zjawiska

ODDZIAYWANIA SILNE

ODDZIAYWANIA ELEKTROMAGNETYCZNE

u

u d

Zwizane z nimi zjawiskaSilne oddziaywania wi ze sob kwarki aby utworzy protony, neutrony (i inne czstki). Wi one rwnie protony i neutrony w jdra, gdzie pokonuj ogromne odpychanie elektryczne pomidzy protonami.

Wi one elektrony z jdrami w atomach i wi atomy w czsteczki; s rwnie odpowiedzialne za waciwoci cia staych, cieczy i gazw.

Gluony

Fotony

Przewodnik po LHC

9

Zwizane z ni zjawiskaGrawitacja powoduje, e jabko spada na ziemi. Jest to sia przycigajca. W skali astronomicznej wie ona materi w planetach i gwiazdach, a take czy gwiazdy w galaktyki

Odczuwane przez kwarki i leptonyNoniki: poredniczce bozony wektorowe

ODDZIAYWANIA SABE

GRAWITACJA

Odczuwane przez wszystkie czstki posiadajce masNoniki: grawitony

Grawiton

Zwizane z nimi zjawiskaSabe oddziaywania s odpowiedzialne za naturaln promieniotwrczo, np. ziemi, ktra jest pod naszymi stopami. Odgrywaj rwnie zasadnicz rol w oddziaywaniach jdrowych wewntrz takich gwiazd, jak Soce, gdzie wodr jest zamieniany w hel.

Bosony

Przewodnik po LHC

10

Powrt do Wielkiego Wybuchu

Przewodnik po LHC

11

Gsto energii i temperatura, ktre zostan osignite podczas zderze w LHC s podobne do tych, jakie miay miejsce w kilka chwil po Wielkim Wybuchu. Fizycy maj nadziej, e w ten sposb bd mogli odkry jak rozwija si Wszechwiat.

Przewodnik po LHC

12

Kompleks akceleratorw w CERN-ie

Kompleks akceleratorw w CERN-ie przyspiesza czstki do coraz wyszych energii. Kady z nich wstrzykuje czstki do nastpnego, ktry je przyspiesza do jeszcze wyszych energii itd. W LHC ostatnim elemencie tego acucha czstki przyspieszane s do rekordowej energii 7 TeV. W dodatku kady z tych akceleratorw ma swoje wasne hale eksperymentalne, w ktrych wizki s wykorzystywane do eksperymentw z mniejszymi energiami.

Krtka historia protonu przyspieszanego przez kompleks akceleratorw jest nastpujca:

} Atomy wodoru pobierane s z butli zawierajcej wodr. Protony otrzymujemy, odzierajc atomy wodoru z elektronw znajdujcych si na orbitach.

} Protony wstrzykiwane s do wstpnego akceleratora o nazwie PS Booster (PSB Synchrotron Protonowy przyspieszenia wstpnego) z energi 50 MeV z akceleratora Linac 2.

Booster akcelerator wstpny przyspiesza protony do energii 1,4 GeV. Wizka wprowadzana jest nastpnie do Synchrotronu Protonowego (PS), gdzie osiga energi 25 GeV. Potem protony wysyane s do Supersynchrotronu Protonowego (SPS), w ktrym przyspieszane s do 450 GeV. Na kocu przesyane s do LHC (zarwno w kierunku zgodnym, jak i przeciwnym do ruchu wskazwek zegara, co zajmuje czas 420 na piercie), gdzie w cigu 20 minut osigaj nominaln energi 7 TeV. W normal-nych warunkach pracy, wizki bd kry przez wiele godzin w rurach LHC.

Protony dostarczane s do LHC w pczkach, przygotowywanych w mniejszych akceleratorach. Aby pozna peny schemat napeniania, pl magnetycznych i strumienia czstek w kolejnych akceleratorach zajrzyj do Dodatkw 1 i 2.

Przewodnik po LHC

13

Oprcz przyspieszania protonw, kompleks akceleratorw przyspiesza jony oowiu.

Jony oowiu otrzymywane s z bardzo dobrze oczyszczonej prbki oowiu podgrzanej do temperatury okoo 550C. Para oowiu jonizowana jest przez strumie elektronw. Produkowane s jony o bardzo rnym stanie adunkowym, przy czym najwicej jest jonw Pb29+. Jony te s wybi-erane i przyspieszane do 4,2 MeV/u (energia na nukle-on) przed przejciem przez foli wglow, ktra je odzie-ra z elektronw i powstaj gwnie jony Pb54+. Wizka Pb54+ jest akumulowana, a nastpnie przyspieszana do 72 MeV/u w Niskoenergetycznym Piercieniu Jonw (LEIR Low Energy Ion Ring), ktry przesya j do Synchrotronu Protonowego. PS przyspiesza wizk do energii 5,9 GeV/u i przesya j do SPS po przepuszczeniu przez drug foli, gdzie jest cakowicie odzierana z elektronw, a do powstania Pb82+. SPS przyspiesza wizk do 177 GeV/u, a nastpnie przesya do LHC, ktry przyspiesza j do 2,76 TeV/u.

LINAC 2

Gran Sasso

North Area

LINAC 3Ions

East Area

TI2TI8

TT41TT40

CTF3

TT2

TT10

TT60

e

ALICE

ATLAS

LHCb

CMS

CNGS

neutrinos

neutrons

pp

SPS

ISOLDEBOOSTERAD

LEIR

n-ToF

LHC

PS

Przewodnik po LHC

Co znaczy skrt LHC ?

LHC to Large Hadron Collider (Wielki Zderzacz Hadronw). Large wielki, z powodu swoich rozmiarw (w przyblieniu ma 27 kilo- metrw obwodu), Hadron hadronw, poniewa przyspiesza protony i jony, ktre s hadronami i Collider to Zderzacz, poniewa hadrony tworz dwie przeciwbiene wizki, zderzajce si ze sob w czterech punktach, w ktrych przecinaj si dwa piercienie akceleratora.

Hadrony (z greckiego adros znaczy opasy) s czstkami zoonymi z kwarkw. Protony i neutrony, z ktrych zbudowane jest jdro atomowe nale do tej rodziny. Natomiast leptony s czstkami, ktre nie s zbudowane z kwarkw. Elektrony i miony s przykadami leptonw (od greckiego sowa leptos co znaczy cienki).

15

Co znaczy skrt LHC ?

LHC to Large Hadron Collider (Wielki Zderzacz Hadronw). Large wielki, z powodu swoich rozmiarw (w przyblieniu ma 27 kilo- metrw obwodu), Hadron hadronw, poniewa przyspiesza protony i jony, ktre s hadronami i Collider to Zderzacz, poniewa hadrony tworz dwie przeciwbiene wizki, zderzajce si ze sob w czterech punktach, w ktrych przecinaj si dwa piercienie akceleratora.

Hadrony (z greckiego adros znaczy opasy) s czstkami zoonymi z kwarkw. Protony i neutrony, z ktrych zbudowane jest jdro atomowe nale do tej rodziny. Natomiast leptony s czstkami, ktre nie s zbudowane z kwarkw. Elektrony i miony s przykadami leptonw (od greckiego sowa leptos co znaczy cienki).

faq

Przewodnik po LHC

Podstawowe informacje o LHC

16

Kiedy zosta zaprojektowany ?

We wczesnych latach osiemdziesitych, gdy zosta zaprojektowany i zbudowany Wielki Zderzacz ElektronowoPozytonowy (Large ElektronPositron Collider - LEP), naukowcy z CERN-u zaczli tworzy perspektywy dalszego rozwoju bada. Po wielu latach pracy nad warunkami technologicznymi nowego akceleratora ich marzenia speniy si w grudniu 1994 roku, kiedy to Zarzd i Rada CERN-u zatwierdziy projekt budowy LHC. Projekt otrzyma zielone wiato pod warunkiem, e nowy akcelerator zostanie zbudowany w ramach staego budetu i przy zaoeniu, e jakikolwiek wkad ze strony pastwa, ktre nie jest czonkiem CERN-u zostanie wykorzystany do przyspieszenia realizacji i ulepszenia projektu. Pocztkowo ograniczenia budetowe wskazyway na to, e budowa LHC bdzie realizowana w dwch etapach. Jednake wczenie si do tego przedsiwzicia kilku pastw nie bdcych czonkami CERN-u (midzy innymi Japonii, USA i Indii) spowodowao, e w 1995 roku Rada CERN-u zdecydowaa si na zrealizowanie projektu w jednym etapie. W latach 1996-98 cztery projekty ALICE, ATLAS, CMS i LHCb otrzymay oficjaln zgod na rozpoczcie prac konstrukcyjnych w czterech miejscach. Od tego czasu wczono do bada rwnie dwa mniejsze projekty: TOTEM zainstalowany w pobliu CMS i LHCf zainstalowany w pobliu ATLAS-a (patrz: strony 41 i 42).

Wicej informacji na temat LHC mona znale na stronie http://www.cern.ch/LHC-Milestones/

Ile to kosztuje ?

Koszt budowy caego akceleratora wynosi okoo 5 miliardw CHF (okoo 3 miliardy Euro). Koszty caego projektu rozkadaj si z grubsza w nastpujcy sposb:

Koszty konstrukcji (MCHF)

Personel Materiay Razem

Akcelerator LHC i infrastruktura*)

1224 3756 4980

Wkad CERN-u do detektorw

869 493 1362

Obliczenia dla LHC (udzia CERN-u)

85 83 168

Razem 2178 4332 6510*) Wliczajc B i Rakceleratora i injektorw, testy i wstpny rozruch.

Midzynarodowe zespoy zwizane z eksperymentami s samodzielnymi jednostkami finansowanymi niezalenie od CERN-u. Natomiast CERN jest uczestnikiem kadego eksperymentu i ma swj wkad materialny: w eksperymentach CMS i LHCb na poziomie okoo 20%, w ALICE - 16% i 14% - w ATLAS-ie. TOTEM jest znacznie mniejszym projektem i jego cakowity koszt materialny wynosi okoo 6 miliona CHF, w tym wkad CERN-u to 30% budetu.

NB: 1 miliard = 1 tysic milionw.

Przewodnik po LHC

17

Ile to kosztuje ?

Koszt budowy caego akceleratora wynosi okoo 5 miliardw CHF (okoo 3 miliardy Euro). Koszty caego projektu rozkadaj si z grubsza w nastpujcy sposb:

Koszty konstrukcji (MCHF)

Personel Materiay Razem

Akcelerator LHC i infrastruktura*)

1224 3756 4980

Wkad CERN-u do detektorw

869 493 1362

Obliczenia dla LHC (udzia CERN-u)

85 83 168

Razem 2178 4332 6510*) Wliczajc B i Rakceleratora i injektorw, testy i wstpny rozruch.

Midzynarodowe zespoy zwizane z eksperymentami s samodzielnymi jednostkami finansowanymi niezalenie od CERN-u. Natomiast CERN jest uczestnikiem kadego eksperymentu i ma swj wkad materialny: w eksperymentach CMS i LHCb na poziomie okoo 20%, w ALICE - 16% i 14% - w ATLAS-ie. TOTEM jest znacznie mniejszym projektem i jego cakowity koszt materialny wynosi okoo 6 miliona CHF, w tym wkad CERN-u to 30% budetu.

NB: 1 miliard = 1 tysic milionw.

Przewodnik po LHC

18

Dlaczego duy ?

Wielko akceleratora zwizana jest z maksymaln energi jak chcemy otrzyma. W przypadku zderzacza lub piercienia akumulujcego energia ta jest funkcj promienia akceleratora i natenia pola magnetycznego w dipolach, ktre utrzymuje czstki na ich orbitach. LHC zosta zainstalowany w tunelu o obwodzie 27 km, zbudowanym dla poprzedniego duego akceleratora - LEP-u. W LHC zastosowano rwnie jedne z najsilniejszych dipoli i wnk RF jakie istniej. Wielko tunelu, magnesw, wnk i innych zasadniczych elementw akceleratora stanowi gwne ograniczenia, ktre wyznaczaj planowan energi wizki protonw wynoszc 7 TeV.

Dlaczego zderzacz ?

Zderzacz (tzn. akcelerator, w ktrym zderzaj si przeciwbiene wizki czstek) ma przewag nad innego rodzaju akceleratorami, w ktrych czstki zderzaj si z nieruchom tarcz. Gdy zderzaj si dwie czstki, energia zderzenia jest sum ich energii. Wizka o tej samej energii, ktra zderza si z nieruchom tarcz bdzie produkowa zderzenia o duo niszej energii.

Energia dostpna (np. do wyprodukowania nowych czstek) jest w obydwu przypadkach energi w rodku masy. W pierwszym przypadku jest ona sum energii dwch zderzajcych si czstek (E = Ebeam1 + Ebeam2), natomiast w drugim przypadku - jest ona proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego z energii czstki uderzajcej w tarcz (E Ebeam).

Dlaczego hadrony ?LHC bdzie przyspiesza dwie wizki czstek tego samego rodzaju albo protonw, albo jonw oowiu, ktre s hadronami. Akcelerator moe przyspiesza tylko okrelone rodzaje czstek: po pierwsze musz to by czstki naadowane (poniewa czstka jest sterowana urzdzeniami elektromagnetycznymi, ktre oddziauj tylko na czstki naadowane) i po wtre, z wyjtkiem szczeglnych przypadkw, czstki te nie mog si rozpada. Ogranicza to w praktyce liczb czstek, ktre mona przyspiesza do elektronw, protonw i jonw oraz ich antyczstek.

W akceleratorze koowym, takim jak LHC, cikie czstki (protony s okoo 2000 razy cisze ni elektrony) maj w czasie jednego cykluduo mniejsze straty energii spowodowane promienio- waniem synchrotronowym anieli czstki lekkie, takie jak elektrony. Dlatego w akceleratorach koowych, w celu otrzymania najwikszych energii, efektywniejsze jest przyspieszanie czstek cikich.

Promieniowanie synchrotronowe to nazwa promieniowania, ktre jest emitowane podczas przyspieszania czstek po zakrzywionym torze lub orbicie. Ten rodzaj promieniowania odpowiedzialny jest za straty energii czstki, co z kolei oznacza, e akcelerator musi dostarcza wicej energii, aby utrzyma sta energi wizki.

Przewodnik po LHC

19

Dlaczego hadrony ?LHC bdzie przyspiesza dwie wizki czstek tego samego rodzaju albo protonw, albo jonw oowiu, ktre s hadronami. Akcelerator moe przyspiesza tylko okrelone rodzaje czstek: po pierwsze musz to by czstki naadowane (poniewa czstka jest sterowana urzdzeniami elektromagnetycznymi, ktre oddziauj tylko na czstki naadowane) i po wtre, z wyjtkiem szczeglnych przypadkw, czstki te nie mog si rozpada. Ogranicza to w praktyce liczb czstek, ktre mona przyspiesza do elektronw, protonw i jonw oraz ich antyczstek.

W akceleratorze koowym, takim jak LHC, cikie czstki (protony s okoo 2000 razy cisze ni elektrony) maj w czasie jednego cykluduo mniejsze straty energii spowodowane promienio- waniem synchrotronowym anieli czstki lekkie, takie jak elektrony. Dlatego w akceleratorach koowych, w celu otrzymania najwikszych energii, efektywniejsze jest przyspieszanie czstek cikich.

Promieniowanie synchrotronowe to nazwa promieniowania, ktre jest emitowane podczas przyspieszania czstek po zakrzywionym torze lub orbicie. Ten rodzaj promieniowania odpowiedzialny jest za straty energii czstki, co z kolei oznacza, e akcelerator musi dostarcza wicej energii, aby utrzyma sta energi wizki.

Przewodnik po LHC

20

Dlaczego LHC zbudowany jest pod ziemi ?

Instalujc LHC, powtrnie wykorzystano tunel zbudowany dla poprzedniego akceleratora cernowskiego LEP-u, ktry zosta zdemontowany w 2000 roku. Tunel podziemny by najlepszym rozwizaniem jako pomieszczenie dla akceleratora o obwodzie 27 km, poniewa tasze jest wykopanie tunelu, ni kupno ziemi pod jego budow i zminimalizowany jest wpyw takiego przedsiwzicia na warunki krajobrazowe. Dodatkowo skorupa ziemska stanowi dobry ekran chronicy przed promieniowaniem.

Tunel zosta zbudowany na redniej gbokoci 100 metrw, ze wzgldu na warunki geologiczne (co si znw przekada na koszty) i ze rednim niewielkim nachyleniem wynoszcym 1,4%. Jego gboko waha si od 175 m (pod Jur) do 50 m (w kierunku Jeziora Genewskiego).

Tunel jest nachylony, co rwnie zmniejszao koszty budowy. W czasie, gdy budowano go dla LEP-u, budowa pionowych szybw bya bardzo kosztowna. Dlatego dugo tunelu znajdujcego si pod Jur zostaa zminimalizowana. Inne ograniczenia, ktre wpyny na lokalizacj tunelu s nastpujce:

} Najistotniejsze byo jego umiejscowienie na gbokoci przynajmniej 5 m poniej grnej warstwy molasse (zielonego piaskowca).

} Musia przechodzi w pobliu tunelu pilotujcego, zbudowanego w celu sprawdzenia techniki wykuwania.

} Musia czy si z Supersynchrotronem Pozytonowym (SPS). Oznaczao to, e by tylko jeden stopie swobody (nachylenie). Kt zosta tak obliczony, eby zminimalizowa gbokoci szybw.

Jaka energia jest osigana w LHC i co j w specjalny sposb wyrnia ?

Kada wizka protonw biegnca wok LHC bdzie miaa energi 7 TeV, wic gdy zderz si dwa protony, energia zderzenia bdzie wynosia 14 TeV. Jony oowiu maj wiele protonw i wszystkie razem daj jeszcze wiksz energi: wizki jonw oowiu bd miay energi zderzenia 1150 TeV. Do tej pory adna z tych energii nie zostaa jeszcze osignita w laboratorium.

Koncentracja energii jest tym, co czyni zderzenia czstek szczeglnymi. Gdy klaniesz w rce to prawdopodobnie bdzie to zderzenie o energii wikszej od energii protonu w LHC, lecz duo mniej skoncentrowanej. Teraz pomyl, jaki byby skutek klanicia, gdyby w rce trzyma ig.

W jednostkach powszechnie uywanych energie te - w porwna- niu z energiami z jakimi mamy do czynienia na co dzie - nie s imponujce. W rzeczywistoci 1 TeV jest energi ru-chu fruwajcego komara. To, co czyni LHC urzdzeniem tak nadzwyczajnym jest skupienie energii w przestrzeni milion mi-lionw razy mniejszej ni wymiary komara.

Przewodnik po LHC

21

Jaka energia jest osigana w LHC i co j w specjalny sposb wyrnia ?

Kada wizka protonw biegnca wok LHC bdzie miaa energi 7 TeV, wic gdy zderz si dwa protony, energia zderzenia bdzie wynosia 14 TeV. Jony oowiu maj wiele protonw i wszystkie razem daj jeszcze wiksz energi: wizki jonw oowiu bd miay energi zderzenia 1150 TeV. Do tej pory adna z tych energii nie zostaa jeszcze osignita w laboratorium.

Koncentracja energii jest tym, co czyni zderzenia czstek szczeglnymi. Gdy klaniesz w rce to prawdopodobnie bdzie to zderzenie o energii wikszej od energii protonu w LHC, lecz duo mniej skoncentrowanej. Teraz pomyl, jaki byby skutek klanicia, gdyby w rce trzyma ig.

W jednostkach powszechnie uywanych energie te - w porwna- niu z energiami z jakimi mamy do czynienia na co dzie - nie s imponujce. W rzeczywistoci 1 TeV jest energi ru-chu fruwajcego komara. To, co czyni LHC urzdzeniem tak nadzwyczajnym jest skupienie energii w przestrzeni milion mi-lionw razy mniejszej ni wymiary komara.

Przewodnik po LHC

22

Jakie s gwne zadania LHC ?

Obecna wiedza o Wszechwiecie nie jest kompletna. Model Standardowy czstek i si (patrz: strona 6) podsumowuje nasz obecn wiedz w dziedzinie fizyki czstek. By on testowany w wielu eksperymentach i w szczeglnoci sprawdzi si w przewidywaniu istnienia nieznanych uprzednio czstek. Jednake pozostaje wiele nierozwizanych problemw, na ktre LHC powinien pomc odpowiedzie.

} Model Standardowy nie wyjania zagadnienia pocztku masy, ani nie daje odpowiedzi na pytanie - dlaczego niektre czstki s bardzo cikie, a inne nie maj masy w ogle. By moe odpowied na nie da tzw. mechanizm Higgsa. Wedug teorii mechanizmu Higgsa caa przestrze wypeniona jest polem Higgsa, przez oddziaywanie z ktrym czstki uzyskuj masy. Czstki, ktre oddziauj silnie z polem Higgsa s cikie, natomiast te, ktre oddziauj sabo s lekkie. Pole Higgsa ma przynajmniej jedn now czstk z nim zwizan bozon Higgsa. Jeeli taka czstka istnieje, to eksperymenty w LHC bd mogy j wykry.

} Model Standardowy nie daje jednolitego opisu wszystkich si fundamentalnych, poniewa cigle trudno jest stworzy teori grawitacji podobn do teorii pozostaych si. Supersymetria teoria, ktra zakada hipotetyczne istnienie ciszych partnerw znanych nam czstek moe uatwi unifikacj fundamentalnych oddziaywa. Jeeli supersymetria jest poprawn teori, wwczas najlejsze supersymetryczne czstki powinny by znalezione w LHC.

Przewodnik po LHC

23

} Obserwacje kosmologiczne i astrofizyczne pokazay, e caa widzialna materia stanowi jedynie 4% Wszechwiata. Prowadzone s badania czstek i zjawisk odpowiedzialnych za ciemn materi (23%) i ciemn energi (73%). Najpopularniejsze jest przypuszczenie, e ciemna materia zbudowana jest z nie odkrytych jeszcze neutralnych czstek supersymetrycznych.

Pierwsza sugestia o istnieniu ciemnej materii pochodzi z 1933 roku, kiedy to obserwacje astronomiczne i oblicze-nia efektu grawitacyjnego wykazay, e we Wszechwiecie musi by wicej materii wypeniajcej ni moemy dostrzec. Badania pozwalaj wierzy, e efekt grawitacyjny ciemnej ma-terii powoduje szybsze obracanie si galaktyk, ni mona by oczekiwa, a ich pole grawitacyjne odchyla wiato obiektw znajdujcych si za nimi. Pomiary tych efektw wskazuj na istnienie ciemnej materii i mog by wykorzystane do wyznaczenia jej gstoci, chocia nie moemy jej obserwowa bezporednio.

Ciemna energia jest form energii, ktra jak si okazuje jest zwizana z prni w przestrzeni i stanowi w przyblieniu 70% masy Wszechwiata. Ciemna energia jest rwnomiernie rozoona w caym Wszechwiecie i w czasie. Innymi sowy, jej efekt nie osabia si, gdy Wszechwiat si rozszerza. Rwnomierne rozoenie oznacza, e ciemna energia nie powoduje adnego lokalnego efektu grawitacyjnego, ale raczej ma globalny wpyw na Wszechwiat jako cao. Powoduje to powstanie siy odpychajcej, ktra ma tendencj do przyspieszania rozszerzania si Wszechwiata. Szybko rozszerzania i jego przyspieszenie mona zmierzy eksperymentalnie stosujc prawo Hubblea. Pomiary te cznie z innymi danymi naukowymi potwierdziy istnienie ciemnej energii i zostay wykorzystane do oceny jej wielkoci.

Przewodnik po LHC

24

} LHC pomoe rwnie w badaniu zagadki antymaterii. Materia i antymateria musiay zosta wyprodukowane w tych samych ilociach w czasie Wielkiego Wybuchu, lecz na podstawie dotychczasowych obserwacji wiemy, e nasz Wszechwiat jest zbudowany tylko z materii. Dlaczego? LHC moe nam pomc w znalezieniu odpowiedzi.

Dawniej mylano, e antymateria jest dokadnym odbiciem lustrzanym materii to znaczy, e jeeli zamienimy materi na antymateri i spojrzymy na wynik w takim lustrze, nie bdziemy w stanie zobaczy rnicy. Teraz wiemy, e odbicie nie jest dokadne, i e moe to doprowadzi do zachwiania rwnowagi midzy materi, a antymateri we Wszechwiecie.

Najsilniejsze ograniczenie iloci antymaterii we Wszechwiecie wynika z analizy rozmytego kosmicznego promieniowania gamma i niejednorodnoci kosmicznego ta mikrofalowego (CMB). Przyjmujc, e po Wielkim Wybuchu Wszechwiat podzieli si w jaki sposb na rne domeny, w ktrych dominowaa albo materia, albo antymateria, jest jasne, e na granicy tych domen powinna wystpowa anihilacja, w wyniku ktrej produkowane jest promieniowanie kosmiczne (gamma). Biorc pod uwag przekro-je czynne na anihilacj, odlego i kosmiczne przesunicia ku czerwieni (redshifts), mona przewidzie ilo rozmytego promieniowania gamma docierajcego do Ziemi. Wolnym parametrem w modelu jest wielko domeny. Porwnanie modelu z obserwowanym strumieniem promieniowania gamma wyklucza istnienie jakiejkolwiek domeny o wielkoci mniejszej od 3,7 giga lat wietlnych, co nie odbiega znaczco od rozmiaru caego Wszechwiata. Inne ograniczenie wynika z analizy niejednorodnoci kosmicznego ta mikrofalowego (CMB); domeny antymaterii (dowolnej wielkoci) spowoduj ogrzanie jej granic, ktre przejawi si w CMB jako fluktuacja gstoci. Zaobserwowana warto ~10-5 nakada silne ograniczenie na ilo antymaterii we wczesnym Wszechwiecie.

Przewodnik po LHC

25

} Dodatkowo, badanie zderze proton-proton i cikich jonw w LHC pozwoli na nowe spojrzenie na stan materii zwanej plazm kwarkowo-gluonow, ktra moga istnie we wczesnym Wszechwiecie. Gdy cikie jony zderzaj si przy bardzo duych energiach, tworz si na chwil gorce skupiska gstej materii (fireballs - kule ogniste), ktre mog by badane eksperymentalnie.

Zgodnie ze wspczesnymi teoriami Wszechwiat, ktry powsta w wyniku Wielkiego Wybuchu, przeszed przez etap, w ktrym materia istniaa jako rodzaj niezwykle gorcej, gstej zupy zwanej plazm kwarkowo-gluonow (QGP) zoonej z elemen-tarnych cegieek materii. Gdy Wszechwiat ostyg, kwarki zostay uwizione w zoonych czstkach, takich jak protony i neutrony. Zjawisko to zwane jest uwizieniem kwarkw. LHC jest w stanie reprodukowa plazm kwarkowo-gluonow, przyspieszajc i zderzajc ze sob dwie wizki cikich jonw. W zderzeniach temperatura przewyszy 100 000 razy temperatur w rodku Soca. W tych warunkach kwarki s znw uwalniane i detek-tory mog obserwowa i analizowa pierwotn zup, badajc w ten sposb podstawowe wasnoci czstek i ich czenie si, prowadzce do powstania zwykej materii.

Przewodnik po LHC

Octa

nt 8

Octant 7

Octant 6

Octant 5

Oct

ant 4

Oct

ant 3

Octant 2 Octant 1

Zrzut wizki

Oczyszczanie

wizki

Oczy

szcz

anie

wiz

ki

CMS

LHCb

ATLAS

ALICE

Oczyszczanie wizki

Oczyszczanie wizki

Co to s sektory i oktanty akceleratora ?

LHC nie jest idealnym okrgiem. Skada si on z omiu ukw i omiu prostych sekcji tzw. insertions wprowadze. uki zawieraj dipolowe magnesy zakrzywiajce 154 w kadym uku. Wprowadzenie insertion, to dugi prosty odcinek i dwa (po jednym na obydwu kocach) obszary przejciowe tzw. tumiki dyspersji. Szczegowa struktura kadego wprowadzenia zaley od specyfiki jego zastosowania: czy w eksperymencie ze zderzajcymi si wizkami, czy do wstrzykiwania, czy do zrzutu wizki lub jej oczyszczania.

Sektor jest zdefiniowany jako cz akceleratora pomidzy dwoma punktami wprowadzania (insertion points). Osiem sektorw stanowi jednostki robocze LHC: aparatura jest uruchamiana i sprawdzana niezalenie w kadym sektorze, a wszystkie dipole z sektorw poczone s w szereg i umieszczone w jednym kriostacie. Zasadniczo kady sektor zasilany jest indywidualnie.

Oktant zaczyna si w rodku kadego uku, a koczy w rodku nastpnego, obejmujc w ten sposb cae wprowadzenie. Taki opis jest wygodny, gdy chcemy przyjrze si, w jaki sposb wykorzystywane s magnesy do sterowania wizkami a do zderzenia, a take podczas wstrzykiwania, zrzutu i czyszczenia.

27

Akcelerator

Co to s sektory i oktanty akceleratora ?

LHC nie jest idealnym okrgiem. Skada si on z omiu ukw i omiu prostych sekcji tzw. insertions wprowadze. uki zawieraj dipolowe magnesy zakrzywiajce 154 w kadym uku. Wprowadzenie insertion, to dugi prosty odcinek i dwa (po jednym na obydwu kocach) obszary przejciowe tzw. tumiki dyspersji. Szczegowa struktura kadego wprowadzenia zaley od specyfiki jego zastosowania: czy w eksperymencie ze zderzajcymi si wizkami, czy do wstrzykiwania, czy do zrzutu wizki lub jej oczyszczania.

Sektor jest zdefiniowany jako cz akceleratora pomidzy dwoma punktami wprowadzania (insertion points). Osiem sektorw stanowi jednostki robocze LHC: aparatura jest uruchamiana i sprawdzana niezalenie w kadym sektorze, a wszystkie dipole z sektorw poczone s w szereg i umieszczone w jednym kriostacie. Zasadniczo kady sektor zasilany jest indywidualnie.

Oktant zaczyna si w rodku kadego uku, a koczy w rodku nastpnego, obejmujc w ten sposb cae wprowadzenie. Taki opis jest wygodny, gdy chcemy przyjrze si, w jaki sposb wykorzystywane s magnesy do sterowania wizkami a do zderzenia, a take podczas wstrzykiwania, zrzutu i czyszczenia.

faq

Przewodnik po LHC

28

Ktre parametry s wane dla akceleratora ?

Budujemy akceleratory po to, aby bada procesy, ktrych prawdopodobiestwo wystpienia zmienia si wraz ze zmian energii i ktre s czsto bardzo rzadkie. Oznacza to, e dla fizykw najwaniejszymi parametrami s energia wizki i liczba interesujcych zderze. Dokadniej mwic, w zderzaczu takim jak LHC prawdopodobiestwo zajcia poszczeglnych procesw zmienia si wraz z wielkoci zwan luminosity wietlnoci. Wielko ta zaley od liczby czstek w kadym pczku, czstotliwoci obiegu wok caego piercienia, od liczby pczkw i przekroju poprzecznego wizki. Mwic krtko, naley upakowa maksymaln ilo czstek w jak najmniejszej przestrzeni wok obszaru oddziaywania.

Jakie s gwne czci skadowe akceleratora ?

Czstki kr w akceleratorze wewntrz rury prniowej i s sterowane za pomoc urzdze elektromagnetycznych: magnesy dipolowe utrzymuj czstki na ich - w przyblieniu koowych - orbitach, magnesy kwadrupolowe ogniskuj wizk, a przyspieszajce wnki s rezonatorami elektromagnetycznymi, ktre przyspieszaj czstki i utrzymuj sta warto ich energii, kompensujc jej straty.

Prnia w LHC: LHC wyrnia si tym, e ma nie jeden, a trzy systemy prniowe:

osobny system prni dla kriomagnesw,

osobny system prni dla linii rozprowadzania helu,

prnia wizki.

Przewodnik po LHC

29

Cinienie w ukadzie prniowym wizki bdzie wynosio 10-13 atmosfery (ultrawysoka prnia), poniewa chcemy unikn zderze z czsteczkami gazu. Najwiksza objto, z ktrej musimy wypompowa powietrze w LHC to osobny ukad prniowy dla kriomagnesw (~9000m3 zupenie jakbymy chcieli wypompowa powietrze z gwnej nawy katedry!).

Magnesy: W LHC jest wielka rnorodno magnesw dipole, kwadrupole, sekstupole, oktupole, dekapole itd., co daje ogln liczb okoo 9600 magnesw. Kady z magnesw ma swj wkad w optymalizacj trajektorii czstek. Wikszo magnesw korekcyjnych jest osadzona w chodzonej czci gwnych dipoli i kwadrupoli. Magnesy LHC maj albo podwjn szczelin (na przykad gwne dipole), albo pojedyncz szczelin (na przykad niektre z kwadrupoli wejciowych). Kwadrupole wejciowe s to specjalne magnesy stosowane do ogniskowania wizki tak, eby miaa moliwie najmniejsze rozmiary w punktach zderzenia, maksymalizujc w ten sposb szans czoowego zderzenia dwch biegncych naprzeciw siebie protonw. Najwiksze magnesy to dipole, ktrych jest 1232.

Wnki: Gwnym zadaniem wnk rezonansowych w LHC jest zapewnienie utrzymania cisego upakowania 2808 pczkw protonowych, aby zapewni wysok wietlno w punktach zderze i w ten sposb zmaksymalizowa liczb oddziaywa. Stanowi one rwnie rdo zasilania wizki promieniowaniem o czstotliwociach radiowych (RF), w czasie przyspieszania jej do maksymalnej energii. Najlepszym rozwizaniem do tych celw s nadprzewodzce wnki o maych stratach energii i moliwoci zmagazynowania duej iloci energii. W LHC zostanie zastosowanych 8 wnk na wizk, z ktrych kada dostarcza 2 MV (pole przyspieszajce wynosi 5 MV/m) przy czstotliwoci 400 MHz. Wnki bd pracowa w temperaturze 4,5 K (-268,7C) (do magnesw LHC stosowany jest nadcieky hel o temperaturze 1,9 K czyli -271,3C). Bd one umieszczane po cztery w kriomodule dwa kriomoduy na wizk. Zainstalowane zostan w dugich prostych sekcjach akceleratora, w ktrych normalna poprzeczna odlego midzy wizkami, wynoszca 195 mm, zostanie zwikszona do 420 mm.

Przewodnik po LHC

30

W poniszej tablicy przedstawione s najwaniejsze parametry LHC.

Parametr Wielko

ObwdTemperatura pracy dipoliLiczba magneswLiczba gwnych dipoliLiczba gwnych kwadrupoliLiczba wnk RFNominalna energia protonwNominalna energia jonwMaksymalne pole magnetyczne dipolaMinimalna odlego midzy pczkamiZaprojektowana wietlnoLiczba pczkw w wizce protonowejLiczba protonw w pczku (po napenieniu)Liczba okre na sekundLiczba zderze na sekund

26659 m1,9 K (-271,3C)

9593 1232 392

8 na wizk7 TeV

2,76 TeV/u*)

8,33 T~7 m

1034 cm2 s1

28081,1 x 1011

11245600 milionw

*) Energia na nukleon

Czy Ksiyc bdzie mia wpyw na energi wizki LHC, jak to miao miejsce w przypadku akceleratora LEP ?

Ksiyc bdzie mia taki sam wpyw na energi wizki w LHC, jak w przypadku akceleratora LEP. Absolutna warto energii zderzenia nie ma tak zasadniczego znaczenia dla eksperymentw w LHC, jak to byo w przypadku LEP-u, lecz zmiany pywowe musz by brane pod uwag w momencie wstrzykiwania wizki do zderzacza.

Zjawisko pyww oceanw spowodowane wpywem Ksiyca (i w mniejszym stopniu Soca) jest dobrze znane. Powoduj one, e poziom wody przy brzegu morza podnosi si i opada w cyklu w przyblieniu 12-godzinnym. Ziemia rwnie podlega wpywowi przycigania Ksiyca, poniewa skay, z ktrych jest zbudowa-na s elastyczne. W czasie nowiu i peni Ksiyca skorupa ziem-ska podnosi si w okolicy Genewy o okoo 25 cm, co jest wynikiem pyww Ziemi. Ruch ten powoduje zmian obwodu LHC o 1 mm (cay obwd ma 26,6 km), a to powoduje zmian energii wizki. Fizycy musz wic bra pod uwag wpyw Ksiyca w swoich eksperymentach.

Co szczeglnego moemy powiedzie o dipolach w LHC ?

Dipole stanowiy najwaniejsze wyzwanie technologiczne przy projektowaniu LHC. W akceleratorze protonw, takim jak LHC, maksymalna energia jak mona osign jest wprost proporcjonalna do natenia pola magnetycznego dipola przy danym obwodzie akceleratora. W LHC magnesy dipolowe s elektromagnesami nadprzewodzcymi i mog wytworzy silne pole magnetyczne o nateniu 8,3 T na caej swojej dugoci. Podczas projektowania nie znaleziono adnego praktycznego rozwizania z zastosowaniem ciepych magnesw zamiast nadprzewodzcych.

W dipolach LHC zastosowano kable niobowo-tytanowe (NbTi), ktre w temperaturach poniej 10 K (-263,2C) staj si nadprzewodnikami, tzn. przewodz elektryczno bez oporu. W rzeczywistoci LHC bdzie pracowa w temperaturze 1,9 K (-271,3C), ktra jest nawet nisza od temperatury panujcej w przestrzeni kosmicznej (2,7 K czyli (-270,5C). W dipolach pynie prd o nateniu 11700 A, ktry wytwarza silne pole magnetyczne o nateniu 8,3 T, konieczne do zakrzywiania wizki o energii 7 TeV wok 27-kilometrowego piercienia LHC. Gdyby mag-nesy pracoway w temperaturze 4,5 K (-268,7C), wytwarzayby

Przewodnik po LHC

31

Zjawisko pyww oceanw spowodowane wpywem Ksiyca (i w mniejszym stopniu Soca) jest dobrze znane. Powoduj one, e poziom wody przy brzegu morza podnosi si i opada w cyklu w przyblieniu 12-godzinnym. Ziemia rwnie podlega wpywowi przycigania Ksiyca, poniewa skay, z ktrych jest zbudowa-na s elastyczne. W czasie nowiu i peni Ksiyca skorupa ziem-ska podnosi si w okolicy Genewy o okoo 25 cm, co jest wynikiem pyww Ziemi. Ruch ten powoduje zmian obwodu LHC o 1 mm (cay obwd ma 26,6 km), a to powoduje zmian energii wizki. Fizycy musz wic bra pod uwag wpyw Ksiyca w swoich eksperymentach.

Co szczeglnego moemy powiedzie o dipolach w LHC ?

Dipole stanowiy najwaniejsze wyzwanie technologiczne przy projektowaniu LHC. W akceleratorze protonw, takim jak LHC, maksymalna energia jak mona osign jest wprost proporcjonalna do natenia pola magnetycznego dipola przy danym obwodzie akceleratora. W LHC magnesy dipolowe s elektromagnesami nadprzewodzcymi i mog wytworzy silne pole magnetyczne o nateniu 8,3 T na caej swojej dugoci. Podczas projektowania nie znaleziono adnego praktycznego rozwizania z zastosowaniem ciepych magnesw zamiast nadprzewodzcych.

W dipolach LHC zastosowano kable niobowo-tytanowe (NbTi), ktre w temperaturach poniej 10 K (-263,2C) staj si nadprzewodnikami, tzn. przewodz elektryczno bez oporu. W rzeczywistoci LHC bdzie pracowa w temperaturze 1,9 K (-271,3C), ktra jest nawet nisza od temperatury panujcej w przestrzeni kosmicznej (2,7 K czyli (-270,5C). W dipolach pynie prd o nateniu 11700 A, ktry wytwarza silne pole magnetyczne o nateniu 8,3 T, konieczne do zakrzywiania wizki o energii 7 TeV wok 27-kilometrowego piercienia LHC. Gdyby mag-nesy pracoway w temperaturze 4,5 K (-268,7C), wytwarzayby

Przewodnik po LHC

32

pole magnetyczne o nateniu tylko 6,8 T. Dla porwnania maksymalne natenie prdu w przecitnym domu mieszkalnym wynosi okoo 100 A.

Temperatur 1,9 K (-271,3C) osiga si pompujc nadcieky hel do systemu magnesw. Kady dipol ma 15 m dugoci i way okoo 35 ton.

Cewki magnetyczne dla LHC nawinite s z kabla zawierajcego do 36 skrconych 15 milimetrowych y, z ktrych kada zrobiona jest z 6000-9000 pojedynczych wkien o rednicy 7 mikrometrw (dla porwnania ludzki wos ma okoo 50 mikrometrw gruboci). 27- kilometrowy obwd LHC potrzebuje okoo 7600 km kabla, co odpowiada okoo 270 000 km yy, co wystarczyoby do szeciokrotnego otoczenia ni kuli ziemskiej wok rwnika. Gdyby wszystkie wkna zostay rozwinite i wyprostowane, to ich dugo byaby rwna piciokrotnej odlegoci do Soca tam i z powrotem i jeszcze starczyoby na kilka wycieczek na Ksiyc. (patrz Fakt 2, str. 55).

Co szczeglnego moemy powiedzie o systemie chodzenia ?

LHC jest najwikszym systemem chodzenia w wiecie i jednym z najzimniejszych miejsc na Ziemi. Tak niska temperatu-ra potrzebna jest do pracy magnesw, ktre utrzymuj protony na torze (patrz pytanie: Co szczeglnego moemy powiedzie o dipolach w LHC ?). Aby utrzyma 27-kilometrowy piercie (4700 ton materiau w kadym sektorze) w temperaturze nadciekego helu 1,9K (-271,3C) ukad chodzcy LHC musi dostarczy bezprecedensowej cakowitej mocy chodzenia okoo 150 kW dla chodziarek o temperaturze 4,5 K i 20 kW dla tych o temperaturze 1,9 K. Ukad systemu chodzcego oparty jest na piciu wyspach kriogenicznych. Kada wyspa musi rozprowadza chodziwo i przenosi kilowaty mocy chodzcej na dalekie odlegoci. Cay proces chodzenia zajmie kilka tygodni.

Proces chodzenia przebiega w trzech fazach:

1) ochodzenie do temperatury 4,5 K (-268,7C),

2) wypenienie ciekym helem chodzonej masy magnesw,

3) ostateczne ochodzenie do temperatury 1,9 K (-271,3C).

Pierwsza faza przebiega w dwch etapach: najpierw hel ochadzany jest do temperatury 80 K w wymiennikach ciepa chodziarki, korzystajcych z 10 000 ton ciekego azotu. Nastpnie turbiny chodzce obniaj temperatur helu do 4,5 K (-268,7C), przygotowujc wprowadzenie go do chodzonej masy magnesw. Gdy tylko magnesy s wypenione, urzdzenia chodzce obniaj temperatur do 1,9 K (-271,3C). Cakowita ilo potrzebnego helu bdzie wynosia okoo 120 ton z czego 90 ton zostanie wykorzystane w magnesach, a reszta w rurach i jednostkach chodzcych.

Pynny azot nigdy nie jest bezporednio wprowadzany do LHC, eby unikn jakiejkolwiek moliwej przyczyny uduszenia w tunelu podziemnym.

Dlaczego nadcieky hel ?

Wybr temperatury pracy LHC wynika z koniecznoci zastosowania helu o super wasnociach, jak i nadprzewodzcego stopu niobowo-tytanowego w cewkach magnesw. Przy cinieniu atmosferycznym hel w stanie gazowym skrapla si w temperaturze okoo 4,2 K (-269,0C), lecz gdy jest chodzony w dalszym cigu, ulega drugiemu przejciu fazowemu w stan nadciekoci w tem-peraturze okoo 2,17 K (-271,0C). Wrd wielu wanych wasnoci nadcieky hel ma bardzo wysokie przewodnictwo cieplne, dlatego zosta wybrany jako rodek chodzcy i stabilizujcy wielkie ukady nadprzewodzce. (patrz take pytanie: Co szczeglnego moemy powiedzie o systemie chodzenia?).

Przewodnik po LHC

33

Proces chodzenia przebiega w trzech fazach:

1) ochodzenie do temperatury 4,5 K (-268,7C),

2) wypenienie ciekym helem chodzonej masy magnesw,

3) ostateczne ochodzenie do temperatury 1,9 K (-271,3C).

Pierwsza faza przebiega w dwch etapach: najpierw hel ochadzany jest do temperatury 80 K w wymiennikach ciepa chodziarki, korzystajcych z 10 000 ton ciekego azotu. Nastpnie turbiny chodzce obniaj temperatur helu do 4,5 K (-268,7C), przygotowujc wprowadzenie go do chodzonej masy magnesw. Gdy tylko magnesy s wypenione, urzdzenia chodzce obniaj temperatur do 1,9 K (-271,3C). Cakowita ilo potrzebnego helu bdzie wynosia okoo 120 ton z czego 90 ton zostanie wykorzystane w magnesach, a reszta w rurach i jednostkach chodzcych.

Pynny azot nigdy nie jest bezporednio wprowadzany do LHC, eby unikn jakiejkolwiek moliwej przyczyny uduszenia w tunelu podziemnym.

Dlaczego nadcieky hel ?

Wybr temperatury pracy LHC wynika z koniecznoci zastosowania helu o super wasnociach, jak i nadprzewodzcego stopu niobowo-tytanowego w cewkach magnesw. Przy cinieniu atmosferycznym hel w stanie gazowym skrapla si w temperaturze okoo 4,2 K (-269,0C), lecz gdy jest chodzony w dalszym cigu, ulega drugiemu przejciu fazowemu w stan nadciekoci w tem-peraturze okoo 2,17 K (-271,0C). Wrd wielu wanych wasnoci nadcieky hel ma bardzo wysokie przewodnictwo cieplne, dlatego zosta wybrany jako rodek chodzcy i stabilizujcy wielkie ukady nadprzewodzce. (patrz take pytanie: Co szczeglnego moemy powiedzie o systemie chodzenia?).

Przewodnik po LHC

34

Aby utrzyma temperatur pracy magnesw na poziomie 1,9 K, cay ukad chodzcy bdzie potrzebowa okoo 40 000 szczelnych pocze rur i 120 ton helu dla caego LHC. 60% helu bdzie w chodzonej masie magnesw, a zostanie 40% podzielone midzy dystrybutory ukadu i chodziarki. W czasie normalnej pracy wikszo helu bdzie kry w zamknitych ptlach obiegu chodziarek. Niemniej w kadym roku jaki procent wkadu zostanie utracony na skutek wstrzymania pracy w czasie serwisowania, wycieku do atmosfery, sprawdza-nia i z innych powodw zwizanych z dziaaniem urzdzenia.

Dlaczego mwimy o pczkach ?Protony kr w LHC wok piercienia w cile okrelonych pczkach. Struktura pczkw we wspczesnym akceleratorze jest bezporedni konsekwencj czstotliwoci radiowych (RF) w schemacie przyspieszania. Protony mog by przyspieszane jedynie wwczas, gdy pole elektromagnetyczne (RF) ma odpowiedni orientacj w czasie przechodzenia czstek przez przyspieszajc wnk, co zdarza si w cile okrelonych momentach cyklu RF.

W LHC w normalnych warunkach pracy kada wizka protonowa ma 2808 pczkw, z ktrych kady zawiera 1011 protonw.

Wymiary pczka nie s stae wok caego piercienia. Kady pczek w czasie krenia jest ciskany i rozcigany na przykad jest on maksymalnie ciskany w pobliu punktu oddziaywania, aby zwikszy prawdopodobiestwo zderzenia. Gdy pczki s daleko od punktu zderzenia, maj kilka centymetrw dugoci i 1 mm szerokoci. Gdy osigaj punkt oddziaywania zostaj cinite do 16 m (wos ludzki ma grubo 50 m), co znacznie zwiksza szans zderze proton-proton. Zwikszanie liczby pczkw stanowi jeden ze sposobw zwikszania wietlnoci urzdzenia. Odlego midzy pczkami w LHC wynosi

25 ns (okoo 7 m) co jest wielkim wyzwaniem technologicznym (poprzednik LHC - LEP pracowa tylko z czterema pczkami).

Odlego midzy pczkami rwna 25 ns odpowiada czstotliwoci 40 MHz, co oznacza, e pczki mog przechodzi przez kady punkt zderzenia w LHC okoo 40 milionw razy na sekund. Jednake ze wzgldw praktycznych istnieje kilka duych dziur w strukturze pczkw, zapewniajcych czas na zadziaanie kicker (pobudzajcych) magnesw, ktre albo wstrzykuj wizk, albo powoduj jej zrzut. Przecitna czsto przecinania si jest rwna cakowitej liczbie pczkw pomnoonej przez cakowit liczb obiegw na sekund: 2808 x 11 245 = 31,6 MHz.

Ile zderze nastpuje w LHC w cigu sekundy ?Kada wizka bdzie skadaa si z blisko 3000 pczkw, a kady pczek bdzie zawiera 100 miliardw czstek. Czstki s tak malekie, e szansa zderzenia si dwch czstek jest bardzo maa. Gdy dwa pczki przecinaj si, to zajdzie tylko okoo 20 zderze pomidzy 200 miliardami czstek. Pczki bd zderza si okoo 30 milionw razy na sekund (patrz poprzednie pytanie), tak e LHC bdzie generowa okoo 600 milionw zderze czstek w cigu sekundy.

Jak dugo czstki pozostaj w akceleratorze ?Wizka moe kry w akceleratorze przez 10 godzin, przebywajc w tym czasie wicej ni 10 miliardw kilometrw, tzn. drog do Neptuna i z powrotem. Z prdkoci blisk prdkoci wiata proton bdzie wykonywa 11 245 obiegw na sekund.

Przewodnik po LHC

35

25 ns (okoo 7 m) co jest wielkim wyzwaniem technologicznym (poprzednik LHC - LEP pracowa tylko z czterema pczkami).

Odlego midzy pczkami rwna 25 ns odpowiada czstotliwoci 40 MHz, co oznacza, e pczki mog przechodzi przez kady punkt zderzenia w LHC okoo 40 milionw razy na sekund. Jednake ze wzgldw praktycznych istnieje kilka duych dziur w strukturze pczkw, zapewniajcych czas na zadziaanie kicker (pobudzajcych) magnesw, ktre albo wstrzykuj wizk, albo powoduj jej zrzut. Przecitna czsto przecinania si jest rwna cakowitej liczbie pczkw pomnoonej przez cakowit liczb obiegw na sekund: 2808 x 11 245 = 31,6 MHz.

Ile zderze nastpuje w LHC w cigu sekundy ?Kada wizka bdzie skadaa si z blisko 3000 pczkw, a kady pczek bdzie zawiera 100 miliardw czstek. Czstki s tak malekie, e szansa zderzenia si dwch czstek jest bardzo maa. Gdy dwa pczki przecinaj si, to zajdzie tylko okoo 20 zderze pomidzy 200 miliardami czstek. Pczki bd zderza si okoo 30 milionw razy na sekund (patrz poprzednie pytanie), tak e LHC bdzie generowa okoo 600 milionw zderze czstek w cigu sekundy.

Jak dugo czstki pozostaj w akceleratorze ?Wizka moe kry w akceleratorze przez 10 godzin, przebywajc w tym czasie wicej ni 10 miliardw kilometrw, tzn. drog do Neptuna i z powrotem. Z prdkoci blisk prdkoci wiata proton bdzie wykonywa 11 245 obiegw na sekund.

Przewodnik po LHC

Jak zobaczy czstki ?Dla kadego zderzenia fizycy musz policzy, przeledzi i zidentyfikowa wszystkie wyprodukowane czstki, eby mc w peni zidentyfikowa proces. Ju przeledzenie toru czstki daje duo interesujcych informacji, szczeglnie, gdy detektor umieszczony jest wewntrz pola magnetycznego: na przykad adunek czstki bdzie oczywisty, poniewa tory czstek naadowanych do-datnio bd si zakrzywia w przeciwnym kierunku ni tory czstek naadowanych ujemnie. Wyznaczy mona rwnie pd czstki (ilo ruchu), ktry jest rwny iloczynowi masy czstki przez jej prdko: czstki o bardzo wysokim pdzie bd biegy prawie po liniach prostych, czstki o niskim pdzie po cisych spiralach.

37

Jak zobaczy czstki ?Dla kadego zderzenia fizycy musz policzy, przeledzi i zidentyfikowa wszystkie wyprodukowane czstki, eby mc w peni zidentyfikowa proces. Ju przeledzenie toru czstki daje duo interesujcych informacji, szczeglnie, gdy detektor umieszczony jest wewntrz pola magnetycznego: na przykad adunek czstki bdzie oczywisty, poniewa tory czstek naadowanych do-datnio bd si zakrzywia w przeciwnym kierunku ni tory czstek naadowanych ujemnie. Wyznaczy mona rwnie pd czstki (ilo ruchu), ktry jest rwny iloczynowi masy czstki przez jej prdko: czstki o bardzo wysokim pdzie bd biegy prawie po liniach prostych, czstki o niskim pdzie po cisych spiralach.

Fotony

Elektrony lub pozytony

Miony

Piony lub protony

Neutrony

Komora ladowa

Kalorymetr elektromagne-

tycznyKalorymetr hadronowy

Detektor mionowy

faq

Przewodnik po LHC

Detektory

38

Jakie detektory s w LHC ?W LHC zainstalowanych jest sze detektorw: ALICE, ATLAS, CMS, LHCb, LHCf i TOTEM.

ALICE, ATLAS, CMS i LHCb zainstalowane s w czterech wielkich podziemnych pomieszczeniach (grotach) zbudowanych wok czterech punktw zderzenia wizek w LHC.

TOTEM zainstalowany zostanie w pobliu punktu zderze CMS, a LHCf w pobliu detektora ATLAS.

Co to jest ALICE ?

ALICE jest detektorem przeznaczonym do badania zderze jonw oowiu. Bdzie on bada wasnoci plazmy kwarkowo-gluonowej, stanu materii, w ktrym kwarki i gluony w warunkach wysokiej temperatury i duej gstoci nie s duej uwizione w hadronach. Taki stan materii prawdopodobnie istnia zaraz po Wielkim Wybuchu, zanim zostay uformowane takie czstki, jak protony i neutrony. Midzynarodowy zesp badawczy liczy ponad 1500 czonkw ze 104 instytutw i 31 krajw (stan z czerwca 2007).

Wymiary

Ciar Projekt

Koszty materiawLokalizacja

26 m dugoci, 16 m wysokoci i 16 m szerokoci10 000 tonCentralna beczka i pojedyncze rami spektrometru mionowego ku przodowi 115 MCHFST. Genis-Pouilly, Francja

Wicej informacji pod adresem: http://aliceinfo.cern.ch/Public/

Co to jest ATLAS ?ATLAS jest detektorem przeznaczonym do oglnych celw, zbudowanym w ten sposb, eby pokry najszerszy zakres zainteresowa fizykw zwizanych z LHC poczwszy od bozonw Higgsa po supersymetri (SUSY) i dodatkowe wymiary. Gwn cech detektora ATLAS jest ogromny ukad magnesw w ksztacie obwarzanka. Zawiera on osiem nadprzewodzcych cewek magnetycznych, kada o dugoci 25 m, uoonych na ksztat cylindra wok rury wizki znajdujcej si w rodku detektora. ATLAS jest najwikszym detektorem rejestrujcym zderzenia, jaki kiedykolwiek zosta zbudowany. Midzynarodowy zesp badawczy liczy ponad 1900 czonkw ze 154 instytutw i 35 krajw. (Dane z kwietnia 2007).

Wymiary

Ciar ProjektKoszty materiaoweLokalizacja

46 m dugoci, 25 m wysokoci i 25 m szerokoci7000 tonBeczka i pokrywy uszczelniajce540 MCHF

Meyrin, Szwajcaria

Wicej informacji na stronie: http://atlas.ch/

Przewodnik po LHC

39

Co to jest ATLAS ?ATLAS jest detektorem przeznaczonym do oglnych celw, zbudowanym w ten sposb, eby pokry najszerszy zakres zainteresowa fizykw zwizanych z LHC poczwszy od bozonw Higgsa po supersymetri (SUSY) i dodatkowe wymiary. Gwn cech detektora ATLAS jest ogromny ukad magnesw w ksztacie obwarzanka. Zawiera on osiem nadprzewodzcych cewek magnetycznych, kada o dugoci 25 m, uoonych na ksztat cylindra wok rury wizki znajdujcej si w rodku detektora. ATLAS jest najwikszym detektorem rejestrujcym zderzenia, jaki kiedykolwiek zosta zbudowany. Midzynarodowy zesp badawczy liczy ponad 1900 czonkw ze 154 instytutw i 35 krajw. (Dane z kwietnia 2007).

Wymiary

Ciar ProjektKoszty materiaoweLokalizacja

46 m dugoci, 25 m wysokoci i 25 m szerokoci7000 tonBeczka i pokrywy uszczelniajce540 MCHF

Meyrin, Szwajcaria

Wicej informacji na stronie: http://atlas.ch/

Przewodnik po LHC

40

Co to jest CMS ?CMS jest detektorem przeznaczonym do oglnych celw. Jego cele s takie same jak eksperymentu ATLAS, ale ma inne rozwizania techniczne i budow. Zbudowany zosta wok ogromnego nadprzewodzcego solenoidu. Ma ksztat cylindrycznej cewki z nadprzewodzcego kabla, ktra bdzie wytwarzaa pole magnetyczne o nateniu 4 T, okoo 100 000 razy wiksze od pola magnetycznego Ziemi. Ponad 2000 osb ze 181 instytutw i z 38 krajw bdzie pracowao w eksperymencie CMS (maj 2007).

Wymiary

Ciar ProjektKoszty materiawLokalizacja

21 m dugoci,15 m wysokoci i 15 m szerokoci12500 tonBeczka i pokrywy uszczelniajce500 MCHFCessy, Francja

Wicej informacji pod adresem: http://cmsinfo.cern.ch/outreach/

Co to jest LHCb ?LHCb to detektor badajcy niewielk asymetri pomidzy materi i antymateri wystpujc w oddziaywaniach czstek B (zawierajcych kwark b - pikny). Zrozumienie tego zjawiska powinno dostarczy niezwykle wanej odpowiedzi na pytanie: Dlaczego nasz Wszechwiat zbudowany jest tylko z materii? Zamiast otacza cay punkt oddziaywania jednym detektorem, w eksperymencie LHCb zastosowano szereg poddetektorw, ktre wykrywaj gwnie czstki lecce do przodu. Pierwszy poddetektor zbudowany jest wok punktu zderzenia, nastpne umieszczone jeden za drugim na dugoci okoo 20 m. W ekspe-rymencie uczestniczy 650 osb z 47 instytutw i 14 krajw. (Maj 2007).

Wymiary

Ciar Projekt

Koszty materiawLokalizacja

21 m dugoci,10 m wysokoci i 13 m szerokoci 5 600 tonSpektrometr ku przodowi z detektorami planarnymi75 MCHFFerney-Voltaire, Francja

Wicej informacji na stronie: http://lhcb.web.cern.ch/lhcb/

Co to jest LHCf ?

W eksperymencie LHCf badane s czstki produkowane pod maymi ktami w stosunku do wizki w zderzeniach proton- proton w LHC. Motywacj jest sprawdzenie modeli stosowanych do oceny pierwotnej energii ultrawysokoenergetycznych promieni kosmicznych. Detektor tego eksperymentu bdzie umieszczony w odlegoci 140 m od ATLAS-a. Zesp badawczy skupia 21 czonkw z 10 instytutw i 6 krajw (Maj 2007).

Wymiary

Ciar Lokalizacja

Dwa detektory, kady o dugoci 30 cm, 10 cm wysokoci, 10 cm szerokoci.40 kg kady detektorMeyrin, Szwajcaria (blisko ATLAS-a)

Przewodnik po LHC

41

Wymiary

Ciar Projekt

Koszty materiawLokalizacja

21 m dugoci,10 m wysokoci i 13 m szerokoci 5 600 tonSpektrometr ku przodowi z detektorami planarnymi75 MCHFFerney-Voltaire, Francja

Wicej informacji na stronie: http://lhcb.web.cern.ch/lhcb/

Co to jest LHCf ?

W eksperymencie LHCf badane s czstki produkowane pod maymi ktami w stosunku do wizki w zderzeniach proton- proton w LHC. Motywacj jest sprawdzenie modeli stosowanych do oceny pierwotnej energii ultrawysokoenergetycznych promieni kosmicznych. Detektor tego eksperymentu bdzie umieszczony w odlegoci 140 m od ATLAS-a. Zesp badawczy skupia 21 czonkw z 10 instytutw i 6 krajw (Maj 2007).

Wymiary

Ciar Lokalizacja

Dwa detektory, kady o dugoci 30 cm, 10 cm wysokoci, 10 cm szerokoci.40 kg kady detektorMeyrin, Szwajcaria (blisko ATLAS-a)

Przewodnik po LHC

42

Co to jest TOTEM ?

W eksperymencie TOTEM mierzone bd efektywne rozmiary czyli wielko przekroju czynnego protonu w LHC. eby tego dokona TOTEM musi wykrywa czstki produkowane pod maymi ktami w stosunku do wizek LHC. W eksperymencie bd stosowane detektory umieszczone w specjalnie do tego celu zbudowanych komorach zwanych Roman pots rzymskie garnki, ktre s poczone z rurami wizki w LHC. Osiem rzymskich garnkw bdzie umieszczonych parami w czterech miejscach, w pobliu punktu zderzenia w detektorze CMS. Zesp TOTEM-u liczy ponad 70 czonkw z 10 instytutw w siedmiu krajach (maj 2007).

Wymiary

Ciar Urzdzenie

Koszt materiaoweLokalizacja

440 m dugoci, 5 m wysokoci i 5 m szerokoci20 tonrzymskie garnki, detektory GEM i komory z paskami katodowymi6,5 MCHFCessy, Francja (w pobliu CMS)

Wicej informacji na stronie: http://totem.web.cern.ch/Totem/

Co decyduje o oglnym ksztacie detektorw czstek w LHC ?

Nowoczesny detektor oglnego zastosowania w fizyce wysokich energii, taki jak ATLAS albo CMS, musi by hermetyczny. Musi istnie bardzo mae prawdopodobiestwo, e (wykrywalna) czstka ucieknie nie wykryta w miejscu niezabezpieczonym. Dla wygody inynierw, w wikszoci nowoczesnych detektorw za-instalowanych w zderzaczach czstek takich jak LHC, stosowane s rozwizania typu beczka plus pokrywy uszczelniajce,

gdzie cylindryczny detektor pokrywa centralny region, a dwa paskie koowe denka pokrywaj region ku przodowi (mae kty w stosunku do wizki). ALICE i LHCb maj ksztat asymetryczny, poniewa zajmuj si bardziej specyficznymi dziedzinami fizyki.

Jakie s gwne czci skadowe detektora ?

Zasadniczym celem duych detektorw zainstalowanych w LHC jest identyfikacja czstek produkowanych w zderzeniach, pomiar ich pooenia w przestrzeni, adunku, prdkoci, masy i energii. eby to osign detektory maj wiele warstw lub poddetektorw, z ktrych kady spenia swoj szczegln rol w rekonstrukcji zderzenia. Ukad magnesw uzupenia te urzdzenia. Zadaniem ich jest rozdzielenie czstek o rnym adunku i umoliwienie pomiaru ich pdu - wielkoci zwizanej z mas i prdkoci czstki.

Istniej dwa wane rodzaje poddetektorw:

u Detektory ladowe pokazujce tor czstki naadowanej, ktra zostawia swoje lady jonizujc materi. W polu magne-tycznym mog by one wykorzystane do pomiaru krzywizny trajektorii czstki, a std do wyznaczenia jej pdu. Moe to pomc w identyfikacji czstki. W wikszoci nowoczesnych detektorw ladowych tory czstek nie s bezporednio widoczne. Zamiast ladw wytwarzane s elektryczne sygnay, ktre rejestruje si jako dane komputerowe. Program komputerowy rekonstruuje ksztat zarejestrowanego toru. Dwa specjalne typy urzdze ladowych to detektory wierzchoka i komory mionowe. Detektory wierzchoka zostay umieszczone blisko punktu oddziaywania (pierwot-nego wierzchoka), a komory mionowe - w zewntrznych warstwach ukadu detektorw, poniewa miony s jedynymi czstkami, ktre mog przej przez wiele metrw gstej ma-terii.

Przewodnik po LHC

43

gdzie cylindryczny detektor pokrywa centralny region, a dwa paskie koowe denka pokrywaj region ku przodowi (mae kty w stosunku do wizki). ALICE i LHCb maj ksztat asymetryczny, poniewa zajmuj si bardziej specyficznymi dziedzinami fizyki.

Jakie s gwne czci skadowe detektora ?

Zasadniczym celem duych detektorw zainstalowanych w LHC jest identyfikacja czstek produkowanych w zderzeniach, pomiar ich pooenia w przestrzeni, adunku, prdkoci, masy i energii. eby to osign detektory maj wiele warstw lub poddetektorw, z ktrych kady spenia swoj szczegln rol w rekonstrukcji zderzenia. Ukad magnesw uzupenia te urzdzenia. Zadaniem ich jest rozdzielenie czstek o rnym adunku i umoliwienie pomiaru ich pdu - wielkoci zwizanej z mas i prdkoci czstki.

Istniej dwa wane rodzaje poddetektorw:

u Detektory ladowe pokazujce tor czstki naadowanej, ktra zostawia swoje lady jonizujc materi. W polu magne-tycznym mog by one wykorzystane do pomiaru krzywizny trajektorii czstki, a std do wyznaczenia jej pdu. Moe to pomc w identyfikacji czstki. W wikszoci nowoczesnych detektorw ladowych tory czstek nie s bezporednio widoczne. Zamiast ladw wytwarzane s elektryczne sygnay, ktre rejestruje si jako dane komputerowe. Program komputerowy rekonstruuje ksztat zarejestrowanego toru. Dwa specjalne typy urzdze ladowych to detektory wierzchoka i komory mionowe. Detektory wierzchoka zostay umieszczone blisko punktu oddziaywania (pierwot-nego wierzchoka), a komory mionowe - w zewntrznych warstwach ukadu detektorw, poniewa miony s jedynymi czstkami, ktre mog przej przez wiele metrw gstej ma-terii.

Przewodnik po LHC

44

Istniej dwie gwne techniki budowania urzdze ladowych:

} Komory gazowe, gdzie orodkiem jonizujcym jest gaz, a jony i elektrony zbierane s na elektrodach, zwykle w ksztacie drutw lub pytek, w silnym polu elektrycznym. W komorach dryfowych pooenie toru okrelane jest przez pomiar czasu, potrzebnego elektronom na dotarcie do drutu anodowego od chwili przejcia czstki przez komor. W przypadku szerszych przerw midzy drutami osiga si wysz rozdzielczo przestrzenn: komrki dryfowe maj na og szeroko kilku centymetrw, co daje rozdzielczo przestrzenn okoo 50-100 m. W komorze z projekcj czasow objto dryfu jest znacznie wiksza i wynosi 2 m albo wicej, a rejestrujce druty s uoone na kocowej powierzchni.

} Detektory pprzewodnikowe, w ktrych czstki wytwarzaj elektrony i dziury w czasie przechodzenia przez spolaryzowa-ny zaporowo pprzewodnik, zazwyczaj krzem. Urzdzenie zwykle podzielone jest na paski lub piksele. Typowa zdolno rozdzielcza wynosi 10 m.

u Kalorymetry to urzdzenia, ktre wyznaczaj energi czstek zatrzymujc je, a nastpnie mierzc wyzwolon energi. Istniej dwa gwne typy kalorymetrw: elektromagnetyczne (ECAL) i hadronowe (HCAL). Zastosowano w nich rne materiay, w zalenoci od rodzaju zatrzymywanych czstek. Kalorymetry ECAL na og cakowicie absorbuj elektrony i fotony, ktre atwo oddziauj przez siy elektromagnetyczne. Silnie oddziaujce czstki (hadrony), takie jak protony i piony, mog zacz traci swoj energi w kalorymetrze ECAL, ale zostan zatrzymane w kalorymetrze HCAL. Miony i (neutrina) przejd przez obydwie warstwy. Zastosowanie kalorymetrw stanowi gwny sposb identyfikacji takich czstek, jak fotony i neutrony; chocia czstki te nie s widoczne w detektorach ladowych, ich obecno moe zosta zarejestrowana jako depozyt energii w kalorymetrach.

Przewodnik po LHC

45

Typowe kalorymetry zbudowane s z warstw pasywnego, absorbujcego materiau o duej gstoci (np. oowiu) przekadanych warstwami aktywnego orodka, takiego jak szko oowiowe lub pynny argon.

Detektory zawieraj czsto poddetektory, mierzce szybko czstek naadowanych, zasadnicz wielko potrzebn do identyfikacji.

Stosowane s dwie wane metody pomiaru prdkoci czstek:

} Promieniowanie Czerenkowa: jeeli prdko czstki naadowanej przechodzcej przez orodek przekracza okrelon wielko, wwczas emituje ona fotony pod ktem, ktry zaley od prdkoci. Znajomo prdkoci w poczeniu z wynikiem pomiaru pdu czstki pozwala na wyznaczenie jej masy, czyli jej identyfikacj. eby moga nastpi emisja promieniowania Czerenkowa czstka musi mie prdko wysz od prdkoci wiata w danym orodku.

} Promieniowanie przejcia: gdy relatywistyczna czstka naadowana przechodzi przez niejednorodny orodek, w szczeglnoci na granicy dwch materiaw o rnych wasnociach elektrycznych, emituje promieniowanie w przyblieniu proporcjonalne do jej energii. To pozwala na rozrnienie midzy sob rnych rodzajw czstek.

Przewodnik po LHC

46

Szybko przesyania danych ze wszystkich czterech ekspery-mentw bdzie wynosia okoo 700 MB/s, to jest okoo 15 000 000 GB (=15PB) na rok, co odpowiada stosowi pyt CD o wysokoci okoo 20 km na rok. Ta ogromna ilo danych bdzie dostpna dla tysicy naukowcw na caym wiecie i przez nich analizowana. Zadaniem Sieci Komputerowej LHC (LHC Computing Grid) jest zbieranie i gromadzenie danych, oraz dostarczenie infrastruktury do ich analizy dla caej spoecznoci fizykw, ktrzy bd wykorzystywa LHC.

} ATLAS bdzie dostarcza 320 MB/s danych,

} CMS bdzie dostarcza 300 MB/s danych,

} LHCb bdzie dostarcza 50 MB/s danych,

} ALICE bdzie dostarcza 100 MB/s podczas zderze proton-proton i 1,25 GB/s danych podczas zderze cikich jonw.

Jaka bdzie czsto produkcji bozonw Higgsa w LHC ?

Chocia czsto zderze czstek w LHC bdzie bardzo dua, to czsto produkcji bozonw Higgsa bdzie tak maa, e fizycy przewiduj, i dostateczn liczb danych pozwalajcych na ich statystyczn ocen - uzyskaj dopiero po 2-3 latach. Czsto produkcji bozonw Higgsa w znacznej mierze zaley od modelu teoretycznego i zastosowanych do jej oceny oblicze. Oczekuje si, e w dobrych warunkach bdzie to jeden przypadek na kilka godzin na eksperyment. To samo stosuje si do czstek super-symetrycznych. Fizycy spodziewaj si, e pierwsze znaczce rezultaty otrzymaj po okoo roku zbierania danych przy penej wietlnoci.

Jaka bdzie szybko przesyania danych z LHC ?

Okoo 150 milionw czujnikw dostarcza dane z ekspery-mentw w LHC z czstoci 40 milionw razy na sekund. Po przefiltrowaniu uzyskuje si okoo 100 interesujcych zderze na sekund.

Przewodnik po LHC

47

Szybko przesyania danych ze wszystkich czterech ekspery-mentw bdzie wynosia okoo 700 MB/s, to jest okoo 15 000 000 GB (=15PB) na rok, co odpowiada stosowi pyt CD o wysokoci okoo 20 km na rok. Ta ogromna ilo danych bdzie dostpna dla tysicy naukowcw na caym wiecie i przez nich analizowana. Zadaniem Sieci Komputerowej LHC (LHC Computing Grid) jest zbieranie i gromadzenie danych, oraz dostarczenie infrastruktury do ich analizy dla caej spoecznoci fizykw, ktrzy bd wykorzystywa LHC.

} ATLAS bdzie dostarcza 320 MB/s danych,

} CMS bdzie dostarcza 300 MB/s danych,

} LHCb bdzie dostarcza 50 MB/s danych,

} ALICE bdzie dostarcza 100 MB/s podczas zderze proton-proton i 1,25 GB/s danych podczas zderze cikich jonw.

Stos pyt CD z danymi zbieranymi przez LHC w cigu roku !(~ 20 km)

Balon sonda(30 km)

Samolot Concorde (15 km)

Mont-Blanc(4.8 km)

Przewodnik po LHC

Ile mocy pobiera LHC ?

Pobr mocy wynosi okoo 120 MW (230 MW dla caego CERN-u) co odpowiada mniej wicej poborowi mocy w gospodarstwach domowych w kantonie Genewa. Zakadajc, e rednia liczba dni pracy akceleratora wynosi 270 w cigu roku (akcelerator nie bdzie pracowa zim), oceniona roczna ilo energii zuytej przez LHC w 2009 roku bdzie wynosia 800 000 MWh. Wielko ta zawiera lokalne, podstawowe obcienie i eksperymenty. Roczny koszt pracy LHC bdzie wic wynosi okoo 19 milionw Euro. CERN zasilany jest gwnie przez francusk kompani EdF (szwajcarskie kompanie EOS i SIG s wykorzystywane tylko w przypadku niedoboru dostaw z Francji).

W LHC dua cz energii elektrycznej zuywana jest do utrzymania systemu nadprzewodzcych magnesw w temperaturze pracy (1,8 i 4,2 K) zalenej od rodzaju magnesw. Dziki technologii nadprzewodnictwa zastosowanej w tych magnesach, nominalne zuycie energii nie jest o wiele wiksze ni w przypadku Supersynchrotronu Protonowego (SPS), chocia LHC jest znacznie wikszy i osiga wysz energi.

49

rodowisko

Ile mocy pobiera LHC ?

Pobr mocy wynosi okoo 120 MW (230 MW dla caego CERN-u) co odpowiada mniej wicej poborowi mocy w gospodarstwach domowych w kantonie Genewa. Zakadajc, e rednia liczba dni pracy akceleratora wynosi 270 w cigu roku (akcelerator nie bdzie pracowa zim), oceniona roczna ilo energii zuytej przez LHC w 2009 roku bdzie wynosia 800 000 MWh. Wielko ta zawiera lokalne, podstawowe obcienie i eksperymenty. Roczny koszt pracy LHC bdzie wic wynosi okoo 19 milionw Euro. CERN zasilany jest gwnie przez francusk kompani EdF (szwajcarskie kompanie EOS i SIG s wykorzystywane tylko w przypadku niedoboru dostaw z Francji).

W LHC dua cz energii elektrycznej zuywana jest do utrzymania systemu nadprzewodzcych magnesw w temperaturze pracy (1,8 i 4,2 K) zalenej od rodzaju magnesw. Dziki technologii nadprzewodnictwa zastosowanej w tych magnesach, nominalne zuycie energii nie jest o wiele wiksze ni w przypadku Supersynchrotronu Protonowego (SPS), chocia LHC jest znacznie wikszy i osiga wysz energi.

faq

Przewodnik po LHC

50

Czy zderzenia w LHC s niebezpieczne ?

W LHC mona uzyska energie, jakie nie byy osigane w adnym z dotychczasowych akceleratorw. Energia osiganych w nim zderze moga do tej pory zdarzy si tylko w Naturze. To tylko dziki takiemu potnemu urzdzeniu fizycy bd mogli gbiej pozna tajemnice Wszechwiata. Niektrzy ludzie obawiaj si, e zderzenia czstek wysokich energii mog by niebezpieczne. Jednake nie ma adnych powodw do obaw.

} Bezprecedensowa energia zderze ? Tylko na Ziemi! Akcele- ratory w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych odtwarzaj tylko pewne zjawiska zachodzce w promie-niowaniu kosmicznym. Promienie kosmiczne s czstkami przyspieszanymi w przestrzeni kosmicznej przez takie zjawiska, jak supernowe lub tworzenie si czarnych dziur, podczas ktrych przyspieszane s one do energii przewyszajcych energi osigan w LHC. Promienie kosmiczne wdruj przez Wszechwiat i bombarduj atmosfer ziemsk od czasu jej powstania 4,5 miliardw lat temu. Oprcz nadzwyczajnej mocy LHC, w porwnaniu z innymi akceleratorami, energie produkowanych w nim zderze s znacznie nisze od energii zderze zaobserwowanych w promieniowaniu kosmicznym. Poniewa zderzenia jeszcze wyszych energii, produkowane przez miliardy lat w Naturze nie zaszkodziy Ziemi, nie ma powodu sdzi, e jakiekolwiek zjawiska wystpujce w LHC mog to spowodowa. Promienie kosmiczne zderzaj si rwnie z Ksiycem, Jowiszem, Socem i innymi ciaami niebieskimi. Cakowita liczba tych zderze jest ogromna w porwnaniu z oczekiwan w LHC. Poniewa planety i gwiazdy pozostaj nietknite, umacnia nas to w przekonaniu, e zderzenia w LHC s rwnie bezpieczne. Energia uzyskiwana w LHC, cho bardzo wielka jak na akcelera-tor, jest skromna w porwnaniu z tym, co produkuje Przyroda.

} Czy to mini wielkie wybuchy? Chocia koncentracja energii (czyli jej gsto) w zderzeniach czstek w LHC jest bardzo wysoka, to w jednostkach absolutnych ta energia jest bardzo maa w porwnaniu z energiami, z ktrymi mamy do czynienia na co dzie, albo z energiami wystpujcymi w zderzeniach w promieniowaniu kosmicznym. Jednake ze wzgldu na bardzo mae wymiary wizki protonowej, koncentracja energii jest taka sama jak gsto energii, ktra miaa miejsce w kilka chwil po Wielkim Wybuchu oto dlaczego zderzenia w LHC s czasem nazywane mini wielkimi wybuchami.

} Czy czarne dziury? Masywne czarne dziury powstaj we Wszechwiecie wskutek grawitacyjnego zapadania si masywnych gwiazd, ktre posiadaj ogromne iloci energii grawitacyjnej, przycigajcej otaczajc materi. Przyciganie grawitacyjne czarnej dziury zaley od iloci materii lub energii, ktr ona posiada im jest jej mniej, tym przyciganie jest sabsze. Niektrzy fizycy sugeruj, e mikroskopi-jne czarne dziury mog by produkowane w zderzeniach w LHC. Jednake mogyby by tworzone tylko z energi rwn energii zderzajcych si czstek (rwnowan energii komarw). Oznacza to, e adne mikroskopijne czarne dziury wyprodukowane w LHC nie mogyby wytworzy dostate-cznie duej siy grawitacyjnej, ktra przycigaaby otaczajc materi. Jeeli w LHC mog by wyprodukowane mikroskopij-ne czarne dziury, to promienie kosmiczne, ktre maj znacznie wysz energi wyprodukowayby ich do dzi znacznie wicej. Poniewa Ziemia cigle istnieje, nie ma adnych powodw, aby wierzy, e zderzenia wewntrz LHC s niebezpieczne.

Czarne dziury trac mas przez emisj energii w procesie odkrytym przez Stephena Hawkinga. Kada czarna dziura, ktra nie moe przyciga materii, taka jaka mogaby by wyprodukowana w LHC, bdzie si kurczy, parowa i zniknie. Im mniejsza czarna dziura, tym szybciej znika. Gdyby mikroskopijne czarne dziury zostay znalezione w LHC, mogyby istnie tylko przelotn chwil. Istniayby one tak krtko, e jedynym sposobem ich detekcji byaby obserwacja produktw ich rozpadu.

Przewodnik po LHC

51

Czy zderzenia w LHC s niebezpieczne ?

W LHC mona uzyska energie, jakie nie byy osigane w adnym z dotychczasowych akceleratorw. Energia osiganych w nim zderze moga do tej pory zdarzy si tylko w Naturze. To tylko dziki takiemu potnemu urzdzeniu fizycy bd mogli gbiej pozna tajemnice Wszechwiata. Niektrzy ludzie obawiaj si, e zderzenia czstek wysokich energii mog by niebezpieczne. Jednake nie ma adnych powodw do obaw.

} Bezprecedensowa energia zderze ? Tylko na Ziemi! Akcele- ratory w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych odtwarzaj tylko pewne zjawiska zachodzce w promie-niowaniu kosmicznym. Promienie kosmiczne s czstkami przyspieszanymi w przestrzeni kosmicznej przez takie zjawiska, jak supernowe lub tworzenie si czarnych dziur, podczas ktrych przyspieszane s one do energii przewyszajcych energi osigan w LHC. Promienie kosmiczne wdruj przez Wszechwiat i bombarduj atmosfer ziemsk od czasu jej powstania 4,5 miliardw lat temu. Oprcz nadzwyczajnej mocy LHC, w porwnaniu z innymi akceleratorami, energie produkowanych w nim zderze s znacznie nisze od energii zderze zaobserwowanych w promieniowaniu kosmicznym. Poniewa zderzenia jeszcze wyszych energii, produkowane przez miliardy lat w Naturze nie zaszkodziy Ziemi, nie ma powodu sdzi, e jakiekolwiek zjawiska wystpujce w LHC mog to spowodowa. Promienie kosmiczne zderzaj si rwnie z Ksiycem, Jowiszem, Socem i innymi ciaami niebieskimi. Cakowita liczba tych zderze jest ogromna w porwnaniu z oczekiwan w LHC. Poniewa planety i gwiazdy pozostaj nietknite, umacnia nas to w przekonaniu, e zderzenia w LHC s rwnie bezpieczne. Energia uzyskiwana w LHC, cho bardzo wielka jak na akcelera-tor, jest skromna w porwnaniu z tym, co produkuje Przyroda.

} Czy to mini wielkie wybuchy? Chocia koncentracja energii (czyli jej gsto) w zderzeniach czstek w LHC jest bardzo wysoka, to w jednostkach absolutnych ta energia jest bardzo maa w porwnaniu z energiami, z ktrymi mamy do czynienia na co dzie, albo z energiami wystpujcymi w zderzeniach w promieniowaniu kosmicznym. Jednake ze wzgldu na bardzo mae wymiary wizki protonowej, koncentracja energii jest taka sama jak gsto energii, ktra miaa miejsce w kilka chwil po Wielkim Wybuchu oto dlaczego zderzenia w LHC s czasem nazywane mini wielkimi wybuchami.

} Czy czarne dziury? Masywne czarne dziury powstaj we Wszechwiecie wskutek grawitacyjnego zapadania si masywnych gwiazd, ktre posiadaj ogromne iloci energii grawitacyjnej, przycigajcej otaczajc materi. Przyciganie grawitacyjne czarnej dziury zaley od iloci materii lub energii, ktr ona posiada im jest jej mniej, tym przyciganie jest sabsze. Niektrzy fizycy sugeruj, e mikroskopi-jne czarne dziury mog by produkowane w zderzeniach w LHC. Jednake mogyby by tworzone tylko z energi rwn energii zderzajcych si czstek (rwnowan energii komarw). Oznacza to, e adne mikroskopijne czarne dziury wyprodukowane w LHC nie mogyby wytworzy dostate-cznie duej siy grawitacyjnej, ktra przycigaaby otaczajc materi. Jeeli w LHC mog by wyprodukowane mikroskopij-ne czarne dziury, to promienie kosmiczne, ktre maj znacznie wysz energi wyprodukowayby ich do dzi znacznie wicej. Poniewa Ziemia cigle istnieje, nie ma adnych powodw, aby wierzy, e zderzenia wewntrz LHC s niebezpieczne.

Czarne dziury trac mas przez emisj energii w procesie odkrytym przez Stephena Hawkinga. Kada czarna dziura, ktra nie moe przyciga materii, taka jaka mogaby by wyprodukowana w LHC, bdzie si kurczy, parowa i zniknie. Im mniejsza czarna dziura, tym szybciej znika. Gdyby mikroskopijne czarne dziury zostay znalezione w LHC, mogyby istnie tylko przelotn chwil. Istniayby one tak krtko, e jedynym sposobem ich detekcji byaby obserwacja produktw ich rozpadu.

Przewodnik po LHC

52

} Strangelets- strangelety (dziwadeka)? Strangelety to hipote- tyczne mae kawaki materii, ktrych istnienie nigdy nie zostao udowodnione. Byyby one zrobione z dziwnych kwarkw ciszych i nietrwaych czstek, odpowiednikw podstawowych kwarkw, ktre tworz trwa materi. Nawet jeeli strange-lety rzeczywicie istniej to powinny by nietrwae. Ich adunek elektryczny odpychaby normaln materi i zamiast czenia si z trwa materi po prostu by si rozpaday. Gdyby strangelety byy produkowane w LHC to nie siayby spustoszenia. Jeeli istniej, to mogy by ju od dawna produkowane przez wysokoenergetyczne promienie kosmiczne bez adnych niebezpiecznych konsekwencji.

} Promieniowanie? Promieniowanie jest nieuniknione w takich akceleratorach jak LHC. Zderzenia czstek, ktre pozwalaj bada pocztki istnienia materii take wytwarzaj promieniowanie. CERN stosuje aktywne i pasywne rodki zabezpieczenia, monitory promieniowania i rne procedury, chronice zaog i okoliczn ludno przed promieniowaniem, ktre i tak jest duo mniejsze od granicy ustalonej przez prawo midzynarodowe. Dla porwnania zauwamy, e naturalna promieniotwrczo spowodowana promieniami kosmicznymi i naturaln promieniotwrczoci rodowiska wynosi w Szwajcarii okoo 2400 Sv/rok. W czasie podry lotniczej z Europy do Los Angeles i z powrotem wynosi ona 100 Sv. Tunel LHC znajduje si na gbokoci okoo 100 m pod ziemi, tak gboko, e zarwno uciekajce promieniowanie generowane w czasie pracy akceleratora, jak i resztkowe - nie bd wykrywane na powierzchni. Powietrze bdzie wypompowane z tunelu i przefiltrowane. Badania wykazay, e dawka promienio- wania, ktre przedostanie si do atmosfery, w porwnaniu z cakowit dawk promieniowania, ktremu poddana jest ludno, jest niewielka bdzie wynosia nie wicej ni 10 Sv/rok.

Zalecenia CERN-u dotyczce ochrony rodowiska i personelu s zgodne ze szwajcarskim i francuskim ustawodawstwem pastwowym i z European Council Directive 96/29/EURATOM. Zgodnie zarwno z przepisami szwajcarskimi jak i francuskimi, pod adnym warunkiem dawka promieniowania, na ktre naraony jest personel zatrudniony przy eksperymencie, nie moe przekroczy 20 Sv na rok, a niezatrudniony i spoeczestwo -1Sv na rok.

Jakie zasady obowizuj przy wejciu do LHC ?

Na zewntrz biegncej wizki, wiksza cz tunelu LHC bdzie tylko sabo radioaktywna. Wikszo resztkowego promieniowania jest skoncentrowana w specjalnych czciach urzdzenia, takich jak groty zrzutu wizki (w ktrych caa wizka jest absorbowana przy kocu caego cyklu pracy) oraz w obszarach, w ktrych nastpuje kolimacja wizki.

Tylko specjalnie przeszkolone osoby spord personelu technicznego bd mogy wej do tunelu LHC. Technicy specjalici w zakresie zabezpieczania przed promieniowaniem wchodz najpierw i mierz moc dawki promieniowania w miejscu ewentualnego wejcia, eby oceni, kiedy i jak dugo bdzie mona tam przebywa.

Jakie iloci helu zuywane s w LHC ?

Dokadna ilo helu traconego podczas pracy LHC nie jest jeszcze znana. Konkretna ilo zaley od wielu czynnikw, od tego jak czsto zdarzaj si wyczenia magnesw, przerwy w zasilaniu i inne awarie. Natomiast wiemy, e ilo helu potrzebna do chodzenia LHC i napenienia przed pierwszym uruchomieniem wynosi okoo 120 ton.

Przewodnik po LHC

53

Jakie zasady obowizuj przy wejciu do LHC ?

Na zewntrz biegncej wizki, wiksza cz tunelu LHC bdzie tylko sabo radioaktywna. Wikszo resztkowego promieniowania jest skoncentrowana w specjalnych czciach urzdzenia, takich jak groty zrzutu wizki (w ktrych caa wizka jest absorbowana przy kocu caego cyklu pracy) oraz w obszarach, w ktrych nastpuje kolimacja wizki.

Tylko specjalnie przeszkolone osoby spord personelu technicznego bd mogy wej do tunelu LHC. Technicy specjalici w zakresie zabezpieczania przed promieniowaniem wchodz najpierw i mierz moc dawki promieniowania w miejscu ewentualnego wejcia, eby oceni, kiedy i jak dugo bdzie mona tam przebywa.

Jakie iloci helu zuywane s w LHC ?

Dokadna ilo helu traconego podczas pracy LHC nie jest jeszcze znana. Konkretna ilo zaley od wielu czynnikw, od tego jak czsto zdarzaj si wyczenia magnesw, przerwy w zasilaniu i inne awarie. Natomiast wiemy, e ilo helu potrzebna do chodzenia LHC i napenienia przed pierwszym uruchomieniem wynosi okoo 120 ton.

Przewodnik po LHC

54

Co si wydarzy, gdy wizka stanie si niestabilna ?

Energia zmagazynowana w wizkach LHC jest niespotykana, co grozi zniszczeniem wyposaenia akceleratora w przypadku niekontrolowanej utraty wizki. Robi si wic wszystko, co mona, eby si upewni, e to si nigdy nie wydarzy. Bezpieczne dziaanie LHC wymaga poprawnego dziaania kilku systemw: kolimatorw i absorbentw wizki, systemu pochaniania wizki, monitorowania wizki, ukadw blokowania wizek oraz systemu zabezpieczajcego na wypadek samorzutnej utraty wasnoci nadprzewodzcych przez magnesy. Gdy wizka staje si niestabilna, wykryj to czujniki strat czstek i w cigu trzech obiegw (< 0,3 ms) ukad magnesw usunie wizk z LHC. Wizka skierowana zostanie wwczas specjalnym tunelem do bloku zatrzymujcego wizk, bdcego jedynym elementem LHC, ktry moe powstrzyma uderzenie caej wizki. Rdze bloku zatrzymujcego stanowi stos pyt grafitowych o rnych gstociach.

Cakowita energia w kadej wizce o maksymalnej energii wynosi 350 MJ, co jest rwnowane mniej wicej energii pocigu wacego 400 ton, takiego jak francuski TGV, jadcego z prdkoci 150 km/godzin. Jest to energia wystarczajca do stopienia 500 kg miedzi. Cakowita energia zmagazynowana w magnesach LHC jest okoo 30 razy wiksza (11 GJ).

Przewodnik po LHC

55

10 fascynujcych faktw zwizanych z LHC

Fakt 1. Gdy drono koowy tunel o obwodzie 27 km na obszarze midzy Jeziorem Genewskim, a Jur, to dwa jego koce spotkay si z dokadnoci 1 cm.

Fakt 2. Kade z 6000-9000 wkien kabla niobowotytanowego wyprodu-kowanego dla LHC ma grubo okoo 0,007 mm i jest 10 razy ciesze od przecitnego wosa ludzkiego. Gdyby wszystkie wkna zostay rozwinite i wyprostowane, to ich dugo byaby rwna piciokrotnej odlegoci do Soca tam i z powrotem i jeszcze starczyoby na kilka wycieczek na Ksiyc.

Fakt 3. Wszystkie protony przyspieszane w CERN-ie otrzymywane s ze standardowego wodoru. Chocia wizka protonw w LHC jest bardzo inten-sywna tylko 2 nanogramy wodoru*) przyspieszane s kadego dnia, a wic przyspieszenie 1 grama wodoru trwaoby w LHC milion lat.

Fakt 4. Centralna cz LHC bdzie najwiksz w wiecie lodwk. W tem-peraturze niszej ni w dalekiej przestrzeni kosmicznej bdzie znajdowao si elazo, stal i wszystkie wane czci nadprzewodzcych magnesw.

Fakt 5. Cinienie w rurach wizki w LHC bdzie okoo 10 razy nisze ni na Ksiycu. Jest to ultrawysoka prnia.

Fakt 6. Proton o penej energii bdzie pdzi w LHC z prdkoci wynoszc 0,999999991 prdkoci wiata. Kady proton obiegnie 27-kilometrowy piercie ponad 11 000 razy w cigu sekundy.

Fakt 7. Przy penej energii kada z protonowych wizek w LHC bdzie miaa energi cakowit rwnowan mniej wicej energii pocigu wacego 400 ton, takiego jak francuski TGV, jadcego z prdkoci 150 km/godzin. Jest to energia wystarczajca do stopienia 500 kg miedzi.

Fakt 8. Soce nigdy nie zachodzi nad wsppracujcymi przy projekcie ATLAS laboratoriami. Naukowcy pracujcy w eksperymencie pochodz ze wszystkich zamieszkanych kontynentw.

Fakt 9. System magnesw CMS zawiera 10 000 t elaza, czyli wicej ni wiea Eiffla.

Fakt 10. Dane zebrane przez kady z wielkich eksperymentw wystarcz do zapenienia okoo 100 000 pyt DVD w cigu kadego roku.*) Cakowita masa protonu liczona jest w spoczynku.

Przewodnik po LHC

56

Dodatek 1

1.2 s3.6 s

Pole magnetyczne SPS

Pole magnetyczne PSB

Pole magnetyczne PS

Prd wizki w SPS

Prd wizki w PS

Prd wizki w PSB

Schemat wypenienia, pole magnetyczne i prd wizki w PSB, PS i SPS

Przewodnik po LHC

57

21.6 s Pole magnetyczne SPS

Prd wizki w SPS

Prd wizki w piercieniu LHC

Dodatek 2

Schemat wypenienia, pole magnetyczne i prd wizki w SPS i LHC

Przewodnik po LHC

Grupa ds. Komunikacji, lipiec 2008CERN-Brochure-2008-001-Pol

Sekcja Publikacji pragnie podzikowa pracownikom CERN-owskich Wydziaw AB, AT, PH i SC. ktrzy przyczynili si do powstania tego przewodnika