Large Hadron Collider

Large Hadron Collider eli LHC (suom. suuri hadronitörmäytin) on Sveitsin ja Ranskan rajalla CERN:in tutkimuskeskuksessa sijaitseva maailman suurin hiukkaskiihdytin ja hadronien törmäytin.

Tunneli, jossa LHC-kiihdytin sijaitsee.

CERNin hallinnoima laite käynnistettiin ensimmäisen kerran 10. syyskuuta 2008. 19. syyskuuta 2008 sattuneen vian vuoksi jouduttiin pitämään kahden kuukauden korjaustauko eikä ensimmäisiä törmäytyksiä päästy tekemään suunnitellusti lokakuussa. Ensimmäiset protonitörmäytykset suoritettiin lopulta 23. marraskuuta 2009.

Koelaitteisto rakennettiin samaan 27 kilometrin mittaiseen tunneliin sadan metrin syvyyteen, jossa aikaisemmin oli LEP-törmäytin (Large Electron Positron). Toisin kuin LEP-törmäytin, jossa törmäytettiin elektroneja ja positroneja, LHC törmäyttää hadroneita, pääasiassa protoneita. Suunniteltu maksimi liike-energiaa kullakin protonilla on 7 TeV eli yhteensä kahden protonin törmäyksen energia on 14 TeV. LHC:tä voidaan käyttää myös raskaiden ionien kuten lyijyn törmäyttämiseen. Törmäysenergia on tällöin 1 150 TeV.

LHC:llä on tarkoitus selvittää aineen rakenteen peruskysymyksiä, kuten mikä on kaiken aineen alkuperä ja kuinka maailmankaikkeus syntyi. Tutkijat odottavat kokeelta paljon. Sitä on rakennettu ja valmisteltu 20 vuotta. Eräs selvistä päätavoitteista oli muun muassa alkeishiukkasten massan selittävän Higgsin bosonin löytäminen. Maaliskuussa 2013 CERN vahvisti Higgsin bosonin löytymisen.

Historia

Suunnitteluvaihe

LHC:tä alettiin hahmotella jo 1980-luvun alussa, vaikka sen edeltäjää LEPiäkään (käytössä vuosina 1989–2000) ei ollut vielä rakennettu. Alusta asti suunnitelmana oli rakentaa uusi tehokkaampi kiihdytin LEPin luolaan. Samoin törmäytettäviksi hiukkasiksi valittiin vastakkaisiin suuntiin kiertävät protonit. Kiihdyttimen nimeksi tuli Large Hadron Collider (Suuri hadronitörmäytin), sillä protonit ovat hadroneita.

Virallisesti LHC:n kehitys alkoi 1984 Lausannessa, Sveitsissä, pidetyssä symposiumissa. LHC:stä tuli CERNin keskeisin hanke. Seuraavina vuosina tutkittiin mm., mitä fysiikan ilmiöitä tulevalla kiihdyttimellä voitaisiin tutkia. LHC:n tekniseen toteutettavuuteen jouduttiin kiinnittämään runsaasti huomiota, sillä vastaavaa ei ollut olemassa. Toteutustekniikaksi valittiin suprajohtava kiihdytin, joka toimii 1,9 K (−271,3 °C) lämpötilassa. Lukuisten tapaamisten ja tutkimusten jälkeen CERNin neuvosto hyväksyi hankkeen joulukuussa 1994. LHC päätettiin rakentaa kahdessa vaiheessa.

1995 Japani tuli CERNin tarkkailijajäseneksi ja rahoitti LHC:tä kuten myös vuosina 1996 ja 1998. Saman vuoden lokakuussa julkaistiin LHC:n tekninen suunnitelma, jossa määritetään sen toimintatapa ja arkkitehtuuri.

Helmikuussa 1996 CMS- ja ATLAS-kokeet hyväksyttiin hankkeeseen mukaan. Molemmilla oli tarkoitus etsiä Higgsin hiukkasta. Hankkeeseen liittyi lisää rahoittajia; Intia tuli mukaan maaliskuussa, Venäjä kesäkuussa ja joulukuussa vielä Kanada. Lisärahoituksen ansiosta neuvosto päättikin rakentaa LHC:n aiemmasta poiketen yhdessä vaiheessa.

Helmikuussa 1997 ALICE-koe hyväksyttiin virallisesti. Kokeella on tarkoitus tutkia kvarkki-gluoniplasmaa. Joulukuussa Yhdysvallat tuli mukaan hankkeeseen ja lupautui toimittamaan kiihdyttimeen suprajohtavia magneetteja. Samaan aikaan ensimmäinen 15-metrisen dipoli-magneetin prototyyppi toimitettiin CERNiin Italian INFN:stä. Vastaavia magneetteja tulee koneeseen yli 1 230 kappaletta.

Rakentaminen

Huhtikuussa 1998 aloitettiin maarakennustyöt ATLAS-kokeen osalta, mihin kuuluu muun muassa kahden kuilun kaivaminen ja maanpäällisten rakennusten rakentaminen. Kesäkuussa saavutettiin ensimmäisellä magneetin prototyypillä 8,3 teslan magneettikenttä, mikä on LHC:n tuleva toimintakenttä. Sveitsi antoi rakennusluvan vuoden alussa ja elokuussa myös Ranskan osalta saatiin ympäristövaikutusten arviointi valmiiksi. Elokuussa aloitettiin CMS-kokeen maarakennustyöt, joihin kuuluu kahden kuilun ja kahden kammion kaivaminen. Syyskuussa hyväksyttiin LHCb-koe, jolla on tarkoitus tutkia CP-rikkoa. Joulukuussa ensimmäinen suuri LHC:n koelaitteisto poistettiin käytöstä neljän vuoden käytön jälkeen. Prototyypeistä koostuvalla laitteistolla testattiin komponenttien toimintaa.

Helmikuussa 1999 ATLAS-kokeen toroidi-magneetin, maailman suurimman, valmistus alkoi suprajohtavien kaapeleiden valmistuksella. Huhtikuussa saapuivat siirtolinjojen ensimmäiset magneetit Venäjältä. 540 magneetista koostuvalla siirtolinjalla siirretään hiukkassäteet Super Proton Synchrotronista (SPS) LHC:hen. Kesäkuussa toimitettiin erikoiskaivuukone, jolla on tarkoitus kaivaa SPS:n ja LHC:n välille siirtotunneli. Bulgaria liittyi CERNiin. Ensimmäisiä ilmaisimien osia alkoi saapua. CERN sopi venäläisen toimijan (International Science & Technology Center of Moscow, Russia) kanssa sopimuksen, jonka perusteella sotilaallista tutkimuslaitteistoa suunnataan tieteelliseen tutkimukseen. Näin LHC sai runsaasti laitteistoa, mm. CMS-kokeen lyijyvolframikristallit.

Helmikuussa 2000 ensimmäiset LHC:n osat saapuivat CERNiin Yhdysvalloista. Maaliskuussa ensimmäiset kaikkiaan 420 kiihdytinkaaren suorista pätkistä läpäisivät testit täydellä teholla. Marraskuussa ensimmäiset kaikkiaan 1 232 päädipolimagneetista toimitettiin. LEP sammutettiin viimeisen kerran ja purkaminen aloitettiin joulukuussa.

Tammikuussa 2001 aloitettiin European DataGrid project (EDG), jonka idea kehitettiin kaksi vuotta aiemmin Annapolisissa, Yhdysvalloissa. Hankkeen tehtävä on kehittää maailmanlaajuinen tietoliikenneverkko, jota voidaan käyttää LHC:n kaltaisessa laajassa tiedehankkeessa. Maaliskuussa valmistui ensimmäinen ATLAS-koeaseman kalomimerin lieriön 32 moduulista. Ensimmäisen SPS:n ja LHC:n välisen tunnelin louhinta valmistui toukokuussa ja kesäkuussa toimitettiin viimeinen 540 siirtolinjaan tulevasta magneetista. Elokuussa valmistui ensimmäinen neljästä varta vasten LHC:tä varten louhituista kammioista; 62 metriä pitkä ja 20 metriä leveä tila toimii ATLAS-aseman aputilana. ATLAS-aseman 5,5 tonnin keskussolenoidimagneetti saapui Japanista syyskuussa. Magneetilla synnytettävää 2 teslan magneettikenttää käytetään varattujen hiukkasten liikemäärän mittaamiseen. Syyskuussa CERNin neuvosto hyväksyi LHC Computing Grid -hankkeen (suom. LHC-laskentaverkko) ensimmäisen vaiheen. Lokakuussa toinen suprajohtavien magneettien testilaitteisto saavutti vaadittavan nimellisvirran 11 850 ampeeria. Laitteistolla testattiin magneettijärjestelmän toimivuutta. Viimeinen kahdesta SPS:n ja LHC:n välisestä siirtolinjasta valmistui louhimisen osalta. Marraskuussa maanmittaajat pääsivät aloittamaan LHC:n komponenttien sijoituspaikkojen merkitsemisen LEPin tyhjennetyssä tunnelissa. Joulukuussa CERN antoi magneettien massatuotannon yksityisille yrityksille selvitettyään niiden valmistamisen yksityiskohdat.

Helmikuussa 2002 viimeiset LEPin osat nostettiin pois kaivannosta. 14 kuukautta kestäneen purkamisen aikana poistettiin 40 000 tonnia laitteistoa. Kevään aikana saapui keskeisiä ALICE- ja ATLAS-asemien osia ja ATLAS-aseman kaivanto valmistui. 35 metriä leveä, 55 metriä pitkä ja 40 metriä korkean kaivannon tekeminen kesti 2 vuotta ja se on valmistuessaan suurin koetoimintaa varten louhittu. 500 ensimmäistä ALICE:n spektrometrin kristallia saapui Venäjältä. 7 000 tonnia terästä sisältävä CMS-koetta ympäröivä ies valmistui paikoilleen lokakuussa.

LHCb-aseman kokoonpano alkoi tammikuussa 2003, kun kaksi sen magneettikäämeistä laskettiin alas kaivantoon. Ensimmäiset magneetit Yhdysvalloista saapuivat tammikuussa. SPS:n ja LHC:n välisten siirtolinjojen 700 magneetin asennus alkoi helmikuussa. Maaliskuussa LHC:n maanrakennustyöt valmistuivat kun kaivaukset saatiin loppuun. Kesäkuussa tehtiin uusi tiedonsiirtoennätys kun terabitti dataa lähetettiin CERNistä Kaliforniaan hivenen yli tunnissa eli nopeudella 2,38 gigabittiä sekunnissa. Lokakuussa ensimmäinen ohjausmagneetit sisältävistä kiihdytinrenkaan suorista osista saatiin valmiiksi ja läpi ensimmäisistä testeistä. 800 LHC:n päämagneettien tukea saapui Intiasta lokakuussa osana Intian panosta hankkeeseen. Viimeinen kahdeksasta 4,5 kelvinin lämpötilaan pääsevistä kylmäkoneista toimitettiin. Kylmäkoneet ovat osa jäähdytyslaitteistoa, jolla suprajohtavat magneetit jäähdytetään 1,85 K toimintalämpötilaan.

Maaliskuussa 2004 ensimmäinen ATLAS-ilmaisimen aktiivinen osa, hadronikalorimetrin pala, laskettiin kaivantoon. Samalla LHCb:n ensimmäinen osa, magneettikäämi, saatiin valmiiksi. Päämagneettien testauslaitteisto valmistui kesäkuussa. Sen 12 testipenkissä jokainen magneetti testattiin 1,8 kelvinin toimintalämpötilassa. ATLAS-ilmaisimen ensimmäinen viipale, jossa on kaikki ilmaisintyypit, testattiin elokuussa SPS:n säteilyllä. Lokakuussa SPS:n ja LHC:n välisen 2,5 kilometriä pitkän siirtolinjan testaus onnistui. ATLAS-ilmaisimen kokoonpano alkoi lokakuussa, kun ensimmäinen kahdeksasta toroidimagneetin käämistä, nesteargonkalorimetri ja keskussolenoidi laskettiin kaivantoon. Lokakuussa ensimmäinen suprajohtava radio-aalto-onkaloresonaattori läpäisi viimeiset testit täydellä teholla. Resonaattoreilla kiihdytettiin LHC:tä kiertäviä protoneja.

Paikoilleen asennettu ALICE:n myoni-spektrometrin dipolimagneetti läpäisi testit tammikuussa 2005. CMS-aseman hallin ja samalla koko LHC:n rakennustekniset työt saatiin valmiiksi. 53 metriä pitkän, 27 metriä leveän ja 24 metriä korkean hallin rakentaminen kesti kuusi vuotta. LHC:n kokoonpano alkoi maaliskuussa, kun ensimmäinen 1 232 suprajohtavasta dipolimagneetista laskettiin tunneliin. Jäähdytyslaitteisto jäähtyi ensimmäistä kertaa 1,8 kelviniin, mikä on LHC:n toimintalämpötila. Toukokuussa kaksi ensimmäistä päämagneettia liitettiin toisiinsa. LHCb:n sähkömagneettinen- ja hadronikalorimetrit asennettiin heinäkuussa. Elokuussa viimeinen kahdeksasta ATLAS-ilmaisimen toroidimagneetin käämistä saatiin asennetuksi ja magneettilieriö valmistui. 230-tonninen CMS:n solenoidimagneetti asennettiin kryostaattiinsa. Marraskuussa suurempi LHCb:n kahdesta Tserenkovin säteilyn ilmaisimesta laskettiin kaivantoon. 7 metriä korkea, 10 metriä pitkä ja 2,5 metriä leveä ilmaisin koostuu 28 ohuesta lasista tehdystä peilistä. Joulukuussa CMS havaitsi ensimmäisen hiukkasensa, kosmista säteilyä.

Uusi CERNin ohjauskeskus valmistui helmikuussa 2006. Ohjauskeskuksesta ohjataan kiihdyttimiä, jäähdytyslaitteistoa ja muuta teknistä laitteistoa. Maaliskuussa CMS:n solenoidimagneetti jäähdytettiin 4,15 kelviniin ja ilmaisin havaitsi kosmista säteilyä. Kesäkuussa ALICE havaitsi kosmista säteilyä. Heinäkuussa yhtä CMS:n kokonaista viipaletta päästiin testaamaan kokonaisena ja magneetti päällä. LHCf-koe hyväksyttiin virallisesti mukaan hankkeeseen elokuussa. Syyskuussa CMS-ilmaisimen solenoidimagneetti saavutti täyden magneettikenttänsä, 4 teslaa. Aikanaan maailman suurin suprajohtava, sähkömagneettinen solenoidimagneetti varastoi 2,5 gigajoulea energiaa ja on 13 metriä pitkä ja halkaisijaltaan 6 metriä. Maailman suurin kylmäkone valmistui. 27 kilometriä pitkä kryogeeninen linja kierrättää heliumia nesteenä ja kaasuna suprajohtavien magneettien jäähdyttämiseksi. Marraskuussa laskettiin kolme ensimmäistä kaikkiaan 15 CMS:n osakokonaisuudesta. Maailmaan suurin suprajohtava magneetti, ATLAS-ilmaisimen toroidimagneetti, saavutti marraskuussa 4 teslan magneettikentän ja 21 kA virralla. Magneettien valmistaminen saatiin päätökseen marraskuussa ja toimitettua CERNiin. 1 232 kappaletta 15 metriä pitkää dipolimagneettia ohjaava ja 392 kappaletta 5–7 metriä pitkää kvadrupolimagneettia kohdisti sädettä. Ensimmäinen kahdeksasta LHC:n sektorista valmistui.

Puoliväli ilmaisinten laskemisessa saavutettiin, kun CMS:n 1920-tonninen osa laskettiin kaivantoonsa helmikuussa 2007. Huhtikuussa yhden kohdistusmagneetin tukirakenteet murtuivat ja LHC:n valmistuminen viivästyi. Toukokuussa viimeinen 1 746 magneetista laskettiin kaivantoon. Kesäkuussa ATLAS-ilmaisimen suurimmat osat oli siirretty paikoilleen, kun ilmaisimen päätyihin tulevat 13 metriä halkaisijaltaan olevat, 240 tonnia painavat toroidimagneetit laskettiin paikoilleen. Kesäkuussa kokonainen LHC:n sektori kylmennettiin 2,15 kelviniin ensimmäistä kertaa. Heinäkuussa viimeinen CMS:n sähkömagneettisen kalorimetrin kaikkiaan 36 osasta saatiin asennetuksi. LHC:n sisäänpääsyihin asennettiin biometrinen iiristunnistusjärjestelmä heinäkuussa. Lokakuussa viimeinen 25 metriä halkaisijaltaan olevista ATLAS-aseman myoni-ilmaisimista asennettiin ja VELO-ilmaisin asennettiin LHCb:n ytimeen. Fermilabissa Yhdysvalloissa sijaitseva nLHC:n ja CMS:n etäohjauskeskuksen yhteys vihittiin käyttöön lokakuussa. Marraskuussa viimeinen LHC:n magneettien välinen liitos saatiin valmiiksi. CMS:n pii-ilmaisin asennettiin paikoilleen joulukuussa. ALICE:n suurimmat osat oli saatu asennetuksi, kun sähkömagneetin tuet laskettiin paikoilleen joulukuussa.

Viimeinen 15 CMS-ilmaisimen osaviipaleesta laskettiin paikoilleen tammikuussa 2008. Helmikuussa ATLAS-ilmaisimen viimeinen elementti asennettiin paikoilleen, kun 9,3-metrinen ja 100-tonninen myoni-ilmaisimen osa laskettiin alas. CMS:n sähkömagneettisen kalorimetrin viimeiset kristallit toimitettiin Venäjältä ja Kiinasta. 5. ja 6. huhtikuuta avoimien ovien päivinä yleisöllä oli ainutkertainen mahdollisuus vierailla LHC:n tunnelissa ja nähdä ilmaisimet paikan päällä ennen laitteiston käynnistämistä. Kahden päivän aikana vierailijoita kävi 76 000. Kesäkuussa asennettiin sädeputket CMS- ja ATLAS-ilmaisimien sisään ja LHC:n ympyrä suljettiin.

Ensimmäinen käyttövaihe 2008-2013

Heinäkuussa 2008 kaikkiaan 54 kilometriä pitkät sädeputket otettiin käyttöön ja niihin tehtiin tyhjiö. Elokuussa 27 kilometriä pitkä LHC:n ympyrä saavutti 2,15 kelvinin toimintalämpötilan. Kaksivaiheisessa jäähdytyksessä käytettiin 10 000 tonnia nestetyppeä ja 150 tonnia heliumia. Syyskuussa hiukkasia kierrätettiin ensimmäistä kertaa LHC:ssä. Hiukkasia kierrätettiin molempiin suuntiin, mutta ei törmäytetty.

Keskipäivällä 19. syyskuuta LHC:n sektoria 34 käytettiin 5 TeV tehoa vastaavalla virralla, jolloin syntyi suuri heliumvuoto tunneliin. Alustavien arvioiden mukaan vuoto johtui kahden magneetin välisestä viallisesta sähköliitännästä mikä luultavasti suli suuren virran myötä ja aiheutti mekaanisen vaurion. Vaurion korjaamisen arvellaan kokonaisuudessaan kestävän vähintään kaksi kuukautta, vaikka varsinaisen korjaamisen arvellaan kestävän vain pari päivää. Korjausta vaativa osio tulee ensin lämmittää, mikä kestää kuukauden ja sitten korjauksen jälkeen jäähdyttää, mikä myös kestää kuukauden ennen kuin laitteisto päästään käynnistämään uudelleen. Kiihdytintä ei kuitenkaan ehditty käynnistää ennen pakollista talvitaukoa, joten LHC voitiin käynnistää vasta marraskuussa 2009.

23. marraskuuta 2009 suoritettiin LHC:ssä ensimmäinen protoni–protoni-törmäytys. Kullakin protonisuihkulla käytettiin 450 GeV:n energiaa. 30. maaliskuuta 2010 päästiin alkuvuoden tavoitteeksi asetettuun 2 x 3,5 TeV:in törmäysenergiaan, mikä oli samalla uusi ennätys hiukkaskiihdyttimissä. Ensimmäisessä käyttövaiheessa säteen energiaa ei nostettu 4 TeV:ia suuremmaksi. Laskelmien mukaan tällä energialla kiihdytintä voidaan käyttää turvallisesti ennen magneettien liitinten vahvistamista.

4. heinäkuuta 2012 CMS- ja ATLAS -kokeiden tutkijaryhmät ilmoittivat, että on löydetty bosoni, jonka energia on väliltä 125–126 GeV varmuudella 5 sigmaa. Jatkotutkimukset tukevat sitä, että löytynyt hiukkanen on todella Higgsin bosoni.

Ensimmäinen pidempi huoltokatko 2013-2015

14. helmikuuta 2013 Cern aloitti huoltokatkon, jonka aikana keskuksen kiihdyttimiä huolletaan ja päivitetään. LHC:n osalta suurin toimenpide on suprajohtavien magneettien välisten 10 170 suurvirtaliittimien vahvistaminen ja vikatilanteiden varalle rinnakkaisjohtimien asentaminen niihin.

Toinen käyttövaihe 2015-

Huoltokatkon jälkeen vuonna 2015 LHC törmäysenergia on tarkoitus saada nostettua 13 TeV:iin (6,5 TeV per säde). Käynnistämisvaiheessa maaliskuussa 2015 havaittiin oikosulku maahan yhdessä magneetin ja sen suojadiodin välisessä liitoksessa. Syyksi havaittiin liitokseen jumiutunut metallipala. Ongelma korjattiin polttamalla se sulakkeen tapaan. Näin liitosta ei tarvinnut purkaa ja vältyttiin pidemmältä korjaustauolta.

Osana valmistautumistvaihetta 4. huhtikuuta voitiin syöttää ensimmäiset protonisuihkut 450 GeV:n injektioenergialla kiihdyttimeen ja 10. huhtikuuta energia saatiin nostettua 6,5 TeV:iin. Ensimmäiset valmistelevat törmäytykset tehtiin 5. toukokuuta 450 GeV:n injektioenergialla ja 20. toukokuuta suoritettiin ensimmäiset 13 TeV:n törmäytykset. Varsinaiset datankeräystörmäytykset aloitettiin 3. kesäkuuta.

Tavoitteet

Toisen käyttövaiheen suuremmalla törmäysenergialla toivotaan päästävän standardimallin ulkopuolisen ns. uuden fysiikan pariin. Esimerkiksi jos löydettäisiin supersymmetrisiä hiukkasia, voitaisiin päästä pimeän aineen jäljille.

Rakenne ja toiminta

Kiihdytinputken rakenne.

LHC:n pääkiihdytin sijaitsee ympyrän muotoisessa tunnelissa, jossa aiemmin sijaitsi LEP-törmäytin. Tunnelin piiri on 26 659 metriä ja sen poikkileikkaus on halkaisijaltaan 3,8 metriä. Tunneli on 50–150 metrin syvyydessä maan sisällä. Maanalaisen laitteiston lisäksi LHC:en kuuluu maanpinnalla olevia laitteistoja kuten kompressorit, ilmanvaihtolaitteistot, ohjauselektroniikka ja jäähdytyslaitteistot.

LHC:n putkien risteyskohtiin on rakennettu kuusi hiukkasilmaisinta. ATLAS ja CMS ovat suuria "yleiskäyttöisiä" hiukkasilmaisimia. Myös ALICE on suuri hiukkasilmaisin, mutta se on tarkoitettu etsimään kvarkki-gluoniplasmaa raskaiden ionien sekaisista jäänteistä. Loput kolme LHCb, TOTEM ja LHCf ovat pienempiä ja erikoistuneempia.

Törmäytintunnelissa olevan putken sisässä on kaksi suprajohtavien niobium-titaani -sähkömagneettien ympäröimää putkea, joissa hiukkaset kulkevat vastakkaisiin suuntiin. Magneetteja jäähdytetään 1,9 kelvinin supranesteeksi jäähdytetyllä nestemäisellä heliumilla. Jäähdytysjärjestelmä koostuu kahdeksasta rinnakkaisesta järjestelmästä, joista kukin jäähdyttää osaa kiihdytinrenkaasta. Yksittäisessä jäähdytinjärjestelmässä on kaksi osaa; Ensimmäinen osa antaa 18 kilowatin jäähdytystehon 4,5 kelvinissä ja toinen 2,4 kilowatin 1,8 kelvinissä. Lisäksi niissä on 600 kilowatin tehoiset nestetyppeä käyttävät esijäähdyttimet.

Neljässä pisteessä on magneetit, joilla voidaan törmäyttää protonisäteet toisiinsa. Kummankin protonisuihkun suunniteltu maksimi energia on 7 TeV, jolloin törmäysenergia on 14 TeV. Protonin kiertoaika putkessa on noin 90 mikrosekuntia.

LHC:n hiukkaskiihdyttimet ja koeasemat

Ennen pääkiihdyttimeen vientiä hiukkasia kiihdytetään useissa pienemmissä kiihdyttimissä. Ensimmäisessä lineaarikiihdytin Linac2:ssa päästään 50 MeV:n energiaan. Seuraavassa Proton Synchrotron Boosterissa (PSB) päästään jo 1,4 GeV:iin. Proton Synchrotronin (PS) jälkeen energia on 26 GeV. Super Proton Synchrotronissa (SPS) energia nousee 450 GeV:iin. Super Proton Synchrotronista protoneita ohjataan varsinaiseen LHC:hen molempiin suuntiin.

LHC:llä voidaan törmäyttää myös raskaita ioneja kuten lyijyioneja (Pb). Tällöin törmäysenergia on 1 150 TeV. Ioneja kiihdytetään ensimmäiseksi lineaarikiihdytin Linac 3:lla. Low-Energy Injector Ringiä (LEIR) käytetään ionivarastona ja jäähdytysyksikkönä. Ioneja kiihdytetään lisää Proton Synchrotronilla (PS) ja Super Proton Synchrotronilla (SPS).

Käynnissä olevan LHC:n magneetteihin on varautunut 10 GJ energiaa ja säteeseen 725 MJ. Vastaavat määrät TNT:ä ovat 2 500 kg ja 157 kg.

Datajärjestelmä

LHC:n tuottaa suuren määrän dataa. Miljoonat törmäykset kussakin mittalaitteessa tuottavat noin petatavun verran dataa sekunnissa. Tämä data käy ensin läpi esiseulonnan, josta 1 per 10 000 tapahtumaa pääsee läpi. Toisesta seulontavaiheesta pääsee läpi noin 1 % tapahtumista. Tämän seulonnan jälkeen neljä suurinta mittaalaitetta ALICE, ATLAS, CMS ja LHCb tuottavat vuodessa yli 25 petatavua dataa. Tämä data tallennetaan CERN:in datakeskukseen (Tier 0-taso) ja kopioidaan kasettivarastoon.

Lisäksi data lähetetään kopioina 11 datakeskukseen (Tier 1-taso) ympäri maailmaa. Näistä datakeskuksista data sitten jaetaan käsiteltäväksi lukuisiin muihin tietokoneisiin (Tier 2-taso) käsiteltäväksi.

Kokeet

LHC:n rakenteilla oleva Atlas-koeasema

LHC:ssä on kuusi hiukkasilmaisinta, jotka tuottavat kokeiden datan. Näiden hiukkasilmaisinten tai kokeiden nimet ovat:

• A Large Ion Collider Experiment eli ALICE (suom. suuri ionien törmäytyskoe)
• A Toroidal LHC ApparatuS eli ATLAS (suom. toroidaalinen LHC-aparaatti)
• Compact Muon Solenoid eli CMS (suom. kompakti myonisolenoidi). Suomi osallistuu tähän kokeeseen.
• Large Hadron Collider beauty eli LHCb (suom. suuri hadronitörmäytin lumo)
• Large Hadron Collider forward eli LHCf (suom. suuri hadronitörmäytin pohja)
• Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation eli TOTEM (suom. kokonaisvaikutusala, elastinen siroaminen ja diffraktion dissosiaatio)

LHC-kiihdyttimessä tutkittavia ongelmia

LHC on suurin yksittäinen hiukkasfysiikan koe, ja sillä toivotaan saatavan vastauksia moniin keskeisiin kysymyksiin kuten:

• Mitä massa on?
• Mikä alkeishiukkasten massan alkuperä on? Onko Higgsin bosoni olemassa?
• Miksi alkeishiukkasilla on eri suuruisia massoja? Ovatko hiukkaset vuorovaikutuksessa Higgsin kentän kanssa?
• Mistä koostuvat pimeä aine ja pimeä energia?
• Onko supersymmetrisiä hiukkasia olemassa?
• Onko antimateria materian täydellinen peilikuva?
• Onko olemassa lisää ulottuvuuksia, ja saavatko säieteoriat kokeellista tukea?

Teoreettisia uhkakuvia

Teoreettisesti törmäyttimen on mahdollista aiheuttaa erilaisia onnettomuuksia, mutta näiden tapahtumistodennäköisyys on arvioiden mukaan erittäin pieni, suorastaan infinitesimaalinen.

Esitettyjä vaaroja ovat:

• vakaan mustan aukon syntyminen
• vakaiden outokaisten (strangelets) syntyminen ja että nämä muuttaisivat Maan aineen oudoksi aineeksi
• protonin hajoamista katalysoivien magneettisten monopolien syntyminen
• nykyistä tyhjiötä matalammalla energiatasolla olevien tyhjiökuplien syntyminen ja että nämä kuplat laajenisivat ja tuhoaisivat koko nykyisen kaikkeuden, tätä nimitetään virheellisen tyhjiön purkautumiseksi

Mikäli pienikokoisia mustia aukkoja syntyisi, ne haihtuisivat lähes välittömästi Hawkingin säteilyllä ja olisivat siten harmittomia. Hawkingin säteily on tosin vielä varmistamaton ilmiö. Vahvin kokeellinen argumentti törmäytysten turvallisuuden puolesta on kosmisen säteilyn suurienergisten hiukkasten törmäykset taivaankappaleisiin, kuten Maahan. Nämä parhaimmillaan 20 miljoonaa kertaa LHC:ssä saavutettavia 1,4×10¹³ eV:n energiatasoja suuremmatkaan törmäykset eivät ole aiheuttaneet vaarallisia ilmiöitä.

Cern tutki mahdollisuuksia vaarallisten kohteiden syntymiselle ja totesi, ettei ole "mitään ajateltavissa olevaa vaaraa". Muiden muassa Lifeboat Foundation on kuitenkin käsitellyt aihetta.

LHC:n yleiseen tietoverkkoon tunkeuduttiin pian LHC:n käynnistämisen jälkeen syyskuussa 2008. Krakkerit ilmoittivat tavoitteekseen osoittaa turvajärjestelmien heikkouden, ei vahingoittaa hanketta. He eivät kuitenkaan tunkeutuneet tarkemmin vartioituihin tietojärjestelmiin, joilla LHC:tä ohjataan.

Katso myös

• Superconducting Super Collider
• Relativistic Heavy Ion Collider

Lähteet

• CERN: LHC Milestones lhc-milestones.web.cern.ch. Viitattu 16.9.2008. (englanniksi)

Kirjallisuutta

• Carroll, Sean: Maailmanlopun hiukkanen: Miten Higgsin hiukkasen etsintä vie kohti uutta käsitystä maailmankaikkeudesta. ((The Particle at the End of the Universe: How the Hunt for the Higgs Boson Leads Us to the Edge of a New World, 2012.) Suomentanut Tuukka Perhoniemi) Helsinki: Ursa, 2015. ISBN 978-952-5985-27-6

Aiheesta muualla

• Kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Large Hadron Collider Wikimedia Commonsissa

• Wikiuutisissa on aiheeseen liittyvä uutinen: Maailmanloppu yhdeksän päivän päästä?
• Wikiuutisissa on aiheeseen liittyvä uutinen: Vika LHC-hiukkaskiihdyttimessä – kuukausien remontti

• LHC – The Large Hadron Collider webpage
• LHC@home (englanniksi)
• Kuvia laitteesta (englanniksi)
• BBC – Radio 4 – Big Bang Day (englanniksi)
• Huhtanen, Jouni: Sinnikkyys palkitaan. Kirja-arvostelu teoksesta Carroll, Sean: Maailmanlopun hiukkanen: Miten Higgsin hiukkasen etsintä vie kohti uutta käsitystä maailmankaikkeudesta. Ursa, 2015. (Agricolan kirja-arvostelut 27.4.2015)