Didysis hadronų priešpriešinių srautų greitintuvas (LHC) - mokslo revuliucijos pranašas (video) (47)
Pasaulio mokslininkai, o ypač fizikai jau senokai laukia nuostabios ir vienintelės tokios pasaulyje laboratorijos įsikūrimo. Tai didysis hadronų priešpriešinių srautų greitintuvas (angl. Large Hadron Collider, LHC) – dalelių greitintuvas CERN laboratorijoje, netoli Ženevos, Šveicarijoje. Jau dabar nerimsta kalbos, jog šis greitintuvas padės padaryti revoliuciją dabartiniame mokslo pasaulyje ir į daugelį dalykų iš esmės pakeis mūsų požiūrį. Šis projektas vykdomas jau eilę metų ir pamažu artėja prie finišo tiesiosios arba tikrųjų eksperimentų pradžios, kurių su nekantrumu laukia visas mokslo pasaulis.
Prisijunk prie technologijos.lt komandos!
Laisvas grafikas, uždarbis, daug įdomių veiklų. Patirtis nebūtina, reikia tik entuziazmo.
Sudomino? Užpildyk šią anketą!
Grandiozinis projektas
Nors dalelių greitintuvų pasaulyje pastatyta ne vienas, tačiau tokio dar niekas neregėjo. Netgi Anglijoje nesenai pradėjęs veikti naujas sinchrotronas negalės prilygti šiam gigantui.
Net ir nesigilinant į perspektyvas, kurios išaiškės po teigiamų eksperimentų rezultatų, šis grandiozinis projektas jau dabar sukelia pagarbą. LHC montavimas trunka jau 15 metų , prie jo dirba suburti daugiau nei 2000 fizikų iš 34 pasaulio šalių, 50-100m. gylyje iškastas 27 kilometrų ilgio riestainio formos tunelį ir į ji prikišti N super magnetų, kurie sukurs magnetinį lauką X kartų didesnį už žemės ir t.t. Rezultatas - galingiausias dalelių spartintuvas žemėje.
Tiesos dėlei reiktų paminėti, jog visa statyba vykdoma ne nuo nulio. Greitintuvo tunelyje anksčiau veikė elektronų – pozitronų priešpriešinių srautų greitintuvas LEP, kuris buvo uždarytas 2000 metais. Trijų metrų skersmens tunelis kerta Šveicarijos, Prancūzijos siena keturiuose taškuose, bet didžioji dalis įrenginio yra Prancūzijos teritorijoje. Taigi, jo kasti iš naujo jau nereikėjo, tačiau teko pritaikyti naujiems poreikiams.
Šiame tunelyje yra du vamzdžiai, kurie padengti superlaidžiais elektromagnetais šaldomais skystu heliu, kiekvienu vamzdžiu judės protonų pluoštas.Milijardai protonų bus porcijomis sušvirkšti į greitintuvą ir suksis jame kelias valandas, greitinami tūkstančių galingų magnetų. Kiekvienas protonas prieš susidūrimą per sekundę 27 km ilgio žiedą apskries maždaug 11 000 kartų. Tada papildomi magnetai nukreips protonų srautus, kad jie susidurtų priešpriešiais.
Kiekvienas protonų srautas turės 7 TeV energiją, o visa susidūrimo energija bus 14 TeV. Kas žymima raidelėmis Te? Tai daugiklis, lygus 1012. Pasakiško dydžio energija...
Susidūrimų skaičius sieks milijonus per sekundę. Na, o po to jau analizė, kurios metu bus bandoma atsakyti į šiuos klausimus: Ar egzistuoja paraleliniai pasauliai? Iš kur viskas atsirado? Kur slepiasi tamsioji visatos medžiaga? Kodėl visata yra tokia, kokia yra? Ar egzistuoja super simetrija?
Juodasis Saturnas
Klausimų labai daug, o jų atsakymus, galbūt, sužinosime visai netrukus. Tiesa, mokslininkai iškelia teorinę galimybę, kad eksperimentas gali sukelti juodosios skylės susidarymą, žemės, o gal net ir pačios visatos išnykimą. Tačiau tokia tikimybė tikrai labai maža, tad mokslininkai nelinkę nerimauti.
Net jeigu ir susidarytų juodoji skylė, ji būtų labai įdomus eksperimentinis objektas. Teoretikų skaičiavimais, susidariusi juodoji skylė būtų labai neįprasta – nieko panašaus mokslininkams kosmose nėra pavykę aptikti. Apie tai užsiminė Henriette Elvang iš MIT universiteto ir Pau Figueras iš Barselonos universiteto.
ATLAS detektoriaus požeminė salė
Šie du superstygų teorijos specialistai priėjo bendros išvados, jog galimai susidariusi juodoji skylė turėtų neįprastas savybes. Ji susidarytų iš 2 objektų – centrinės juodosios skylės ir ją tarsi žiedų jusiančios kitos juodosios skylės. Šis objektas būtų labai panašus į Saturną, todėl mokslininkai jį taip ir pavadino – „Juodasis Saturnas“. Tik dydžių gerokai nusileisiantis planetai – tikėtinas diametras siektų apie 10^-19 metrų.
„Juodasis Saturnas“ gali egzistuoti tik keturiuose matmenyse, tad trimatėje Visatoje didelės juodosios skylės neturi tokio žiedo. Tačiau mikroskopiniame pasaulyje tai yra įmanoma. Kokios realios tokio darinio pasekmės – niekas negali pasakyti, tad teorijos patvirtinimo ar paneigimo dar teks palaukti.
Įranga
Daleles valdys galingi elektromagnetai, kurių iš viso bus 1624, o jų bendras ilgis sieks 22 kilometrus. Paskutinis iš jų pastatytas praėjusiais metais. Dalelių srautus valdantys ir greitinantys elektromagnetai bus aušinami iki -271 laipsnių Celsijaus. Labai žema temperatūra reikalinga tam, kad elektros srovė tekėtų be pasipriešinimo ir susiformuotų stiprus magnetinis laukas – kitaip tariant būtų pasiekta superlaidumo būsena. Joje energijos nuostoliai yra nykstamai maži, tad galima naudoti milžiniškas sroves nesibaiminant didelės nuostolių temperatūros.
Tokia aušinimo temperatūra jau praktiškai pasiekta – nesenai derinimo metu vienas prietaiso sektorių buvo atvėsintas iki -271 laipsnių Celsijaus. Reikia paminėti, jog tai žemesnė temperatūra nei atvirame kosmose.
ATLAS detektoriaus magnetinio toroido transportavimas
Šaldymui buvo naudojamas helis, nes tai vienintelė medžiaga, išliekanti skysta tokiame šaltyje.
Daleles įgreitinus ir pasiekus jų susidūrimą, teks panaudoti specialius detektorius gautų rezultatų tyrimams. Numatyti keturi detektoriai:
ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS),
CMS (Compact Muon Solenoid),
LHCb (The Large Hadron Collider beauty experiment),
ALICE (A Large Ion Collider Experiment)
ATLAS ir CMS „ieškos“ Higzo buzono ir „nestandartinės fizikos“ požymių. LHZb detektorius optimizuotas b-kvarkų paieškai, o ALICE skirtas kvarkų plazmos analizei.
Eksperimentai
Vienas iš pagrindinių numatomų eksperimentų – Higzo bozono dalelės paieška. Iki šiol nežinoma, kodėl kūnai turi masę. Mokslininkai daro prielaidą, jog kūnai turi masę, nes egzistuoja Higso bozonas, kuris sąlygoja skirtingą dalelių sąveiką su aplinka. Jei po šio eksperimento dabartinės teorinės prielaidos pasitvirtins ir Higso bozonas bus nustatytas, tai bus ryški pažanga, galbūt revoliuciniai pokyčiai pasaulėžiūroje.
Mokslininkai tikisi, kad šis greitintuvas padės atsakyti į kitus ne mažiau svarbius klausimus:
Ar tikslesnės bariono masės apskaičiavimas patvirtina standartinį modelį?
Ar egzistuoja supersimetrija?
Kokie yra simetrijos pažeidimai tarp materijos ir antimaterijos?
Ar egzistuoja kiti matavimai, kuriuos nuspėjo superstygų teorija, ir ar galima juos „pamatyti“?
Kokia yra tamsiosios materijos, kuri sudaro 96% visatos masės, prigimtis?
Kodėl gravitacijos jėga yra daug silpnesnė už elektromagnetinę, silpnąją ir stipriąją sąveikas?
ATLAS detektoriaus magnetinio toroido transportavimas
Atidėtas paleidimas
Iš pradžių greitintuvą buvo planuojama paleisti 2001 metais, bet dėl finansavimo problemų paleidimą teko atidėti iki 2007 metų.
„Pilnavertis greitintuvo įjungimas nuo pat pradžių buvo numatytas 2008 metų pavasarį, bet planavome prieš Kalėdas greitintuvą dvi savaites bandyti. Dabar bandymo nebus“, - sakė laboratorijos atstovas spaudai Jamesas Gilliesas.
Greitintuvo paleidimas atidedamas dėl kelių neypatingai rimtų problemų. Anksčiau šiais metais bandymo metu sutrūko greitintuvo superlaidžiųjų magnetų atraminė struktūra. „Atradome dizaino klaidą, ir ji dabar yra taisoma“, - sakė atstovas spaudai.
Šios klaidos buvo pastebėtos atliekant vieną eksperimentą, kurio rezultate pasigirdo visai padorus sprogimo garsas. Eksperimentas vykdytas nuosekliai bandant sumontuotą įrangą. Mokslininkai nusprendė patikrinti, kas bus jei didžiulių greitinančių magnetų temperatūra viršytų leistiną normą (jos normalus dydis siekia -271 laipsnių Clesijaus). Testavimui pasirinktas vienas iš magnetų, atsakingas už dalelių srauto fokusavimą.
Padidėjus temperatūrai magnetas išėjo iš superlaidumo būsenos ir tuo pačiu atsiradusi varža ėmė dar labiau didinti sistemos temperatūrą. Skystas Helis, naudojamas vėsinimui prie tokių sąlygų ima garuoti. Pagrindinė šio proceso inžinerinė problema – susidarantis milžiniškas Helio slėgis.
Kad išsiaiškinti šio atsiradusio slėgio galimas pasekmes, fizikai magneto ir sušinimo skysčio korpusą apkrovė nesimetrine, tokį slėgį imituojančia jėga. Pagal technines charakteristikas, leidžiama apkrova neturi viršyti 25 atmosferų, tačiau jau prie 20 atmosferų įvyko sprogimas ir korpusas įskilo.
Avarijos metu personalas nenukentėjo, tačiau tai lėmė atidėta greitintuvo paleidimą.
Be to, superlaidžiųjų magnetų aušinimas iki darbinės -271,25 laipsnių pagal Celsijų temperatūros taip pat truko ilgiau nei numatyta. „Mokomės ataušinti 38 000 tonų aparatūros iki temperatūros, žemesnės nei kosmose. Tai labai sudėtinga įranga“, - sakė J.Gilliesas.
Šis projektas yra „bene ambicingiausias visų laikų mokslinis darbas“, o jo rezultatai „tikriausiai pakeis mūsų supratimą apie Visatą“, - sako projekto kūrėjai.
Lietuva – projekto partneris
Džiugu, jog šiame ambicingame projekte dalyvauja ir Lietuvos mokslininkai. Prie šio Europos branduolinių tyrimų organizacijos CERN projekto prisideda ir Vilniaus universiteto mokslininkai.
Pasak Lietuvos mokslininkų grupės vadovo profesoriaus Juozo V. Vaitkaus, greitintuvas pradės veikti šį rudenį, o patikimus rezultatus tikimasi gauti po 10 metų. Norima pagerinti panaudojamus detektorius, kad eksperimentas sutrumpėtų bent iki 5 metų.
Birželio 2–9 dienomis Vilniaus universitete įvyks trys konferencijos, skirtos didžiausio pasaulyje eksperimento – Didžiojo hadronų kolaiderio – modernizacijos problemoms spręsti. Tai mokslinio bendradarbiavimo komandų WOEDAN (Defektų analizė radiacijos suardytuose silicio detektoriuose), CERN RD50 (Radiacijai atsparūs puslaidininkiniai prietaisai labai didelio šviesingumo kolaideriams) ir CERN 39 (Kriogeniniai radiacijos detektoriai) pasitarimai. Jie reguliariai vyksta CERN ir vienoje iš partnerių šalių. Šiais metais patenkinta Lietuvos paraiška.
Konferencijos dalyviams bus pristatytas modernus prietaisas, sukurtas Vilniaus universiteto laboratorijose. „Jis jau parengtas unikaliam eksperimentui, kurio metu bus nustatyta, kaip kontroliuoti medžiagos, naudojamos detektoriams, savybes ir kaip tos medžiagos kinta jas apšvitinant dalelėmis greitintuve“, – atskleidė eksperimente dalyvaujančių Lietuvos mokslininkų grupės vadovas prof. Juozas V. Vaitkus. Tikimasi, kad šis eksperimentas gerokai padės kuriant detektorius, reikalingus Didžiojo hadronų kolaiderio eksperimentams.
LHC derinimas
„Tai unikalus eksperimentas, kurio metu originali Vilniaus universitete sukurta aparatūra bus išbandoma Helsinkio greitintuve. Po to ji bus nugabenta į CERN ir naudojama toliau“, – apie eksperimentą pasakojo Lietuvos mokslininkų grupės vadovas.
Lietuvos mokslininkai į bendradarbiavimo su CERN programas įsitraukė 2002 metais.
Į lenktynes – amerikiečiai
Ženevoje pradėsiantis veikti Didysis hadronų greitintuvas (Large Hadron Collider) pergrupuos mokslinio pasaulio žemėlapį – dabartinė fizikų traukos vieta JAV gali būti išmainoma į Europą. Gana nemaloni žinia amerikiečiams, kurie nuo pat šio mokslo susikūrimo pradžios buvo lyderiai, pritraukę ir geriausius kitų šalių mokslininkus į savo universitetus ir tyrimų centrus.
Tačiau amerikiečiai nenori užleisti savo pozicijų ir jau parengė planą, kaip vėl išsiveržti į lyderius - pastatyti savo greitintuvą, pavadintą International Linear Collider (ILC), trisdešimties kilometrų ilgio megastatinį, kainuosiantį keliolika milijardų JAV dolerių.
Šio plano kritikai teigia, kad tai gerokai sumažintų kitų mokslo sričių finansavimą, tačiau remėjai mano, kad to nepadarius, būtų apleistas pačios fundamentaliausios mokslo šakos vystymas.
Greitintuve fundamentaliosios dalelės - elektronai ir pozitronai - yra įgreitinami beveik iki šviesos greičio, o jų susidūrimų metu vykstančių procesų tyrinėjimai gali padėti atsakyti į tokius svarbius klausimus kaip kas yra tamsioji materija, iš ko susikūrė Visata ir kaip ji evoliucionuos, kiek joje yra dimensijų ir kitus fundamentalius klausimus.
Nors tikimasi, kad Šveicarijos greitintuvas, pavadintas Large Hadron Collider arba LHC, padės atlikti svarbius eksperimentus - gal būt net įrodyti Higso bozono - dalelės, kuri, kaip manoma, suteikia materijai masę - egzistavimą, tačiau be abejonės prireiks ir jautresnių tyrimo įrankių, kad išsiaiškinti šios dalelės savybes. Čia ir galėtų pasitarnauti amerikiečių greitintuvas.
Mokslininkų taryba (Board on Physics and Astronomy) JAV taip pat mano, kad apart šių tyrimų, naujasis greitintuvas toliau trauktų iškiliausius mokslininkus į JAV ir skatintų jaunimą rinktis fiziko specialybę.
Tarybos ataskaitoje rekomenduojama skirti 500 milijonų dolerių per artimiausius penkis metus technologijų, reikalingų šiam greitintuvui, tyrinėjimams. O visas projektas kainuotų net 12 milijardų dolerių.
Video medžiaga apie LHC greitintuvą:
Parengta pagal: