Large Hadron Collider

Rozbalit box

Obsah boxu

Large Hadron Collider (často zkracováno jako LHC, česky Velký hadronový urychlovač) je největší a nejvýkonnější urychlovač částic na světě. Byl vybudován Evropskou organizací pro jaderný výzkum (CERN) mezi lety 1998 a 2008 ve spolupráci s více než 10 000 vědci a stovkami univerzit a laboratoří z více než 100 zemí. Nachází se v kruhovém tunelu o obvodu 27 kilometrů v hloubce až 175 metrů pod francouzsko-švýcarskou hranicí poblíž Ženevy.

Hlavním účelem LHC je srážet svazky hadronů – buď protonů, nebo těžkých iontů olova – při extrémně vysokých energiích. Cílem těchto experimentů je testovat předpovědi různých teorií částicové fyziky, včetně Standardního modelu, a hledat odpovědi na fundamentální otázky o povaze vesmíru, jako je původ hmotnosti, existence temné hmoty, temné energie nebo supersymetrie.

Nejvýznamnějším úspěchem LHC je potvrzení existence Higgsova bosonu, částice předpovězené v 60. letech 20. století, jejíž objev byl oznámen 4. července 2012. Tento objev vedl k udělení Nobelovy ceny za fyziku Peteru Higgsovi a François Englertovi v roce 2013.

📜 Historie a vývoj

Myšlenka na stavbu velkého hadronového urychlovače v CERNu se objevila na počátku 80. let 20. století. Projekt byl formálně schválen v roce 1994. Pro jeho umístění byl využit již existující tunel, který byl v letech 1989 až 2000 domovem pro Large Electron–Positron Collider (LEP). Využití stávající infrastruktury výrazně snížilo náklady a dobu výstavby.

🏗️ Výstavba a první spuštění

Samotná výstavba detektorů a instalace supravodivých magnetů a dalšího vybavení probíhala od konce 90. let. Na projektu se podílely tisíce vědců, inženýrů a techniků z celého světa, včetně významného přispění z České republiky.

První svazek protonů byl do urychlovače vpuštěn 10. září 2008 za velkého zájmu médií i veřejnosti. Devět dní po spuštění, 19. září 2008, došlo k vážné havárii, kdy vadný elektrický spoj mezi dvěma supravodivými magnety způsobil masivní únik tekutého helia. Incident poškodil více než 50 magnetů a kontaminoval tunel. Opravy a dodatečná bezpečnostní opatření si vyžádaly více než rok práce. Provoz byl obnoven v listopadu 2009.

💡 První a druhý běh (Run 1 & 2)

První provozní období, známé jako Run 1, probíhalo od konce roku 2009 do začátku roku 2013. Během tohoto období urychlovač pracoval s energií srážek 7 a později 8 TeV. Právě data z tohoto běhu vedla k historickému objevu Higgsova bosonu, který byl oznámen v roce 2012 experimenty ATLAS a CMS.

Po dvouleté odstávce (Long Shutdown 1, LS1), během které proběhly rozsáhlé modernizace, byl v roce 2015 zahájen Run 2. Energie srážek byla navýšena na 13 TeV, což se blížilo projektovanému maximu. Během tohoto běhu, který trval do konce roku 2018, bylo nasbíráno obrovské množství dat, které umožnilo detailní studium vlastností Higgsova bosonu a přesné měření mnoha procesů Standardního modelu.

🔧 Modernizace a třetí běh (Run 3)

Po druhé dlouhé odstávce (LS2) v letech 2019–2022 byl LHC opět vylepšen. Byly modernizovány injektory, které dodávají částice do hlavního prstence, a vylepšeny samotné detektory. Run 3 byl zahájen v červenci 2022 s ještě vyšší energií srážek 13,6 TeV a se záměrem nasbírat ještě větší objem dat než v předchozích dvou bězích dohromady. Toto provozní období má trvat do konce roku 2025.

🚀 Budoucnost: High-Luminosity LHC

Po skončení Run 3 je plánována další velká modernizace, která přemění urychlovač na High-Luminosity LHC (HL-LHC). Cílem tohoto projektu je zvýšit svítivost urychlovače až desetinásobně. Vyšší svítivost znamená mnohem větší počet srážek za sekundu, což umožní vědcům studovat velmi vzácné jevy a provádět ještě přesnější měření vlastností částic, zejména Higgsova bosonu. Spuštění HL-LHC se očekává kolem roku 2029.

⚙️ Princip a konstrukce

LHC je synchrotron, typ kruhového urychlovače. Jeho úkolem je urychlit částice na rychlost blízkou rychlosti světla a následně je nechat čelně srazit ve specifických bodech, kde jsou umístěny obří detektory.

⭕ Urychlovací prstenec

Urychlovací komplex v CERNu je vícestupňový. Protony jsou nejprve urychleny v sérii menších urychlovačů (Linac 4, Proton Synchrotron Booster, Proton Synchrotron a Super Proton Synchrotron) a teprve poté jsou vpuštěny do hlavního 27kilometrového prstence LHC. Zde obíhají ve dvou oddělených trubicích s ultra vysokým vakuem, aby se nesrážely s molekulami vzduchu. Svazky se pohybují v opačných směrech.

🧲 Supravodivé magnety

Aby bylo možné udržet protony o tak vysoké energii na kruhové dráze, jsou zapotřebí extrémně silná magnetická pole. Ta jsou generována 1232 hlavními dipólovými magnety. Tyto supravodivé magnety jsou vyrobeny ze slitiny niobu a titanu a musí být chlazeny na teplotu 1,9 K (−271,25 °C), což je teplota nižší než ve volném vesmíru. Chlazení zajišťuje komplexní kryogenní systém využívající obrovské množství tekutého helia. Kromě dipólových magnetů, které ohýbají dráhu svazku, se používají stovky kvadrupólových magnetů k jeho zaostřování.

💥 Kolize částic

Na čtyřech místech prstence se dráhy obou svazků protnou. V těchto bodech dochází k čelním srážkám protonů. Podle slavné rovnice Alberta Einsteina E=mc² se obrovská kinetická energie srážejících se částic může přeměnit na hmotnost nových, často velmi těžkých a nestabilních částic, které v běžném světě neexistují. Právě tyto nově vzniklé částice jsou předmětem zkoumání. LHC může také srážet jádra olova, čímž vzniká extrémně horká a hustá hmota zvaná kvark-gluonové plazma.

🔬 Hlavní experimenty

Kolem čtyř kolizních bodů jsou postaveny obrovské a komplexní detektory, které zaznamenávají produkty srážek. Každý z nich je navržen s mírně odlišným zaměřením.

ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)

Jeden ze dvou velkých víceúčelových detektorů. Je obrovský – 46 metrů dlouhý, 25 metrů vysoký a váží 7000 tun. Jeho cílem je pokrýt co nejširší spektrum fyzikálních jevů, od hledání Higgsova bosonu po pátrání po částicích temné hmoty nebo extra dimenzích. Spolu s CMS se podílel na objevu Higgsova bosonu.

CMS (Compact Muon Solenoid)

Druhý víceúčelový detektor. Jak název napovídá, je kompaktnější než ATLAS, ale s hmotností 14 000 tun je výrazně těžší. Jeho klíčovou součástí je obrovský supravodivý solenoid, který vytváří magnetické pole 4 tesla, což je asi 100 000krát silnější než magnetické pole Země. Stejně jako ATLAS, i CMS zkoumá širokou škálu fyzikálních procesů a podílel se na objevu Higgsova bosonu.

ALICE (A Large Ion Collider Experiment)

Tento experiment je specializován na studium srážek těžkých iontů (jader olova). Cílem je vytvořit a studovat kvark-gluonové plazma, což je stav hmoty, který pravděpodobně existoval několik mikrosekund po Velkém třesku. Vědci v ALICE zkoumají vlastnosti této exotické "polévky" kvarků a gluonů.

LHCb (Large Hadron Collider beauty)

Experiment LHCb se zaměřuje na studium částic obsahujících takzvaný b-kvark (beauty nebo bottom kvark). Jeho hlavním cílem je zkoumat, proč se vesmír skládá převážně z hmoty a ne z antihmoty. Studuje jemné rozdíly v chování částic a antičástic, jev známý jako CP narušení.

🧪 Vědecké cíle a objevy

LHC byl navržen k zodpovězení některých z nejhlubších otázek moderní fyziky.

✨ Objev Higgsova bosonu

Největší úspěch LHC. Objev částice s vlastnostmi odpovídajícími Higgsovu bosonu potvrdil existenci Higgsova pole, které dává elementárním částicím jejich hmotnost. Tento objev završil Standardní model částicové fyziky.

🌌 Hledání nové fyziky

Standardní model, přestože je neuvěřitelně úspěšný, nedokáže vysvětlit jevy jako temná hmota, temná energie nebo gravitace. LHC proto intenzivně pátrá po fyzice "za Standardním modelem". Mezi hlavní kandidáty patří:

Supersymetrie (SUSY): Teorie, která předpovídá, že každá známá částice má svého "superpartnerského" protějška. Zatím nebyly nalezeny žádné důkazy pro existenci těchto částic.
Extra dimenze: Některé teorie předpovídají existenci více než tří prostorových dimenzí. Tyto extra dimenze by se mohly projevit při vysokých energiích.
Částice temné hmoty: LHC se snaží přímo vytvořit částice, které by mohly tvořit temnou hmotu, jež tvoří asi 27 % vesmíru.

🧊 Studium kvark-gluonového plazmatu

Experiment ALICE úspěšně vytvořil a studoval tento exotický stav hmoty. Zjistil, že se chová spíše jako dokonalá kapalina než jako plyn, což bylo překvapivé zjištění.

⚖️ Přesné měření Standardního modelu

LHC umožňuje měřit vlastnosti známých částic (jako jsou top kvark nebo W a Z bosony) s bezprecedentní přesností. Jakákoli odchylka od předpovědí Standardního modelu by mohla být náznakem nové fyziky.

🧑‍🏫 Pro laiky: Jak LHC funguje zjednodušeně

Představte si, že chcete zjistit, z čeho se skládá pomeranč, ale nemůžete ho rozkrojit. Jednou z možností je vzít dva pomeranče a hodit je obrovskou rychlostí proti sobě. Když se srazí, rozletí se na kousky – slupku, dužinu, semínka. Když budete tuto srážku mnohokrát opakovat a pečlivě sledovat všechny kousky, které z ní vylétnou, nakonec poskládáte obrázek o tom, jak pomeranč vypadal uvnitř.

LHC dělá něco velmi podobného, ale místo pomerančů používá protony (malé částečky z jader atomů) a místo očí používá obrovské digitální "fotoaparáty" zvané detektory.

Protony jsou "pomeranče". Jsou tak malé, že jich jsou v jednom svazku miliardy.
Urychlovač je obří "prak", který tyto protony roztočí téměř na rychlost světla, aby měly obrovskou energii.
Srážka je moment, kdy se dva svazky protonů letící proti sobě střetnou. Energie srážky je tak velká, že se z ní zrodí úplně nové, exotické částice, které normálně neexistují.
Detektory (ATLAS, CMS atd.) jsou jako super-rychlé, 3D kamery, které "vyfotí" vše, co ze srážky vylétne. Zaznamenají dráhu, energii a typ každé nově vzniklé částice.

Analýzou milionů a milionů takových "fotek" mohou vědci objevit nové částice (jako byl Higgsův boson) a pochopit základní zákony, kterými se řídí náš vesmír.

Šablona:Aktualizováno