HET PROJECT LARGE HADRON COLLIDER
L
HC of Large Hadron Collider zal in de 21ste eeuw voor een groot deel de natuurkunde van de elementaire deeltjes reviseren. Het voorbereidingswerk heeft meer dan 10 jaar geduurd. De apparatuur en wetenschappelijke onderbouw zijn een staaltje van vernuft en samenwerking. LHC is een internationale onderneming waarbij Europa, en in het bijzonder de lidstaten van CERN, de grootste bijdrage levert. Heel wat bedrijven verzorgen de productie van bijzondere onderdelen, zoals elektromagnetenn, bedradingen en kabels, controleinstrumenten, ... Het computernetwerk, GRID, is pas in de loop van de jaren 2000 op punt gesteld geweest. Het resultaat getuigt van de noodzaak om in laatste instantie te zoeken naar elegante en vernieuwende technieken om aan dataverwerking te doen. De noodzaak aan experimenteel werk is groot, want het standaardmodel in de elemntaire deeltjesfysica vertoont ernstige tekorten. Alleen ontdekkingen zullen de weg openen om voorbij de grenzen van dit model te stappen.
2 Het project
CERN
C
onseil Européen pour la Recherche Nucléaire of CERN, wordt in 1954 opgericht met 12 Europese landen, waar België toe behoort. Momenteel telt CERN 20 leden. De bedoeling is om aan zuiver wetenschappelijk onderzoek te doen en de achterstand t.o.v. de Verenigde Staten weg te werken. Oorspronkelijk wordt de aandacht gevestigd op de kernstructuur omdat in die tijd weinig geweten is over de sterke kernkracht. In de voorbije 50 jaar is het onderzoeksterrein verschoven naar de hogeenergie fysica. Vele landen maken gebruik van de faciliteiten van de organisatie. Zowel de levering van apparatuur als financiële steun worden vastgelegd in contracten van eindige duur. In de loop der jaren is de complexiteit van projecten toegenomen en spelen bedrijven een toenemende belangrijker rol in het al of niet slagen van een project. In 1959 start de Proton Synchrotron vesneller (PS) waarbij protonen versneld worden in een kleine cirkelbaan van 628 m omtrek. De versneller is nu een onderdeel van LHC geworden. Op het einde van de CERN is gelegen nabij Meyrin in ht kanton Genève. LHC bevindt zich voor een deel onder het Jura-gebergte op 175 m diepte. De tunnel bevindt zich op Frans en Zwitsers grondgebied.
3 Het project
jaren zestig worden nieuwe technieken gebruikt om deeltjessporen vast te leggen, waaronder de proportioneelteller die op elektronische wijze sporen van deeltjes kan registreren. In 1976 wordt gestart met de bouw van de Super Proton Synchrotron versneller (SPS) die aanleiding heeft gegeven tot de ontdekking van de vectorbosonen in 1983. SPS is momenteel een belangrijke ringencomplex van LHC.
SPS is voor vele jaren het trekpaard geweest van het versnellingscomplex in CERN. De tunnel is 7 km lang. Geladen deeltjes (protonen) worden vanuit de PS gestuurd naar SPS. Daarin worden de ladingen vernsneld tot 450 GeV. Daarna worden ze geleid naar LHC waar hun energie wordt opgedreven tot maximaal 7 TeV.
VOORBEREIDINGSWERK
I
n het begin van de jaren ‘80 worden de voorbereidingen getroffen voor de bouw van de Large Electron Positron Collider of LEP. In 1983 wordt gestart met het graven van een 27 km ondergrondse tunnel waarin elektronen en positronen met hoge snelheid tegen elkaar botsen. De LEP werkt van 1989 tot 2000. In deze periode wordt het standaardmodel in de deeltjesfysica verfijnd met nieuwe experimentele resultaten. Begin de jaren '80 worden de ideeën geformuleerd voor een grootschaliger project: Large Hadron Collider of LHC. Hierbij zouden protonen tegen elkaar botsen. Meer energie komt vrij, maar de botsingen worden complexer dan bij de LEP. Tussen 1996 en 1998 worden vier experimenten goedgekeurd: ATLAS, CMS, ALICE en LHCb. Twee kleinere experimenten worden toegevoegd: TOTEM en LHCf.
Plaatsing van dipoolmagneten in de hoofdtunnel van LHC. Meer dan 1 200 dergelijke magneten worden gebruikt om protonen in precieze banen te laten ronddraaien langs de 27 km lange tunnel.
Vanaf 2000 wordt de tunnel van de LEP omgebouwd en aangepast voor de LHC. Nieuwe detectoren worden (vooraf ) op papier gezet en ontworpen. Onderdelen worden geleverd en geassembleerd, testen worden uitgevoerd, een netwerk wordt ontworpen, opslagmedia worden gecontroleerd op betrouwbaarheid, formaliteiten worden vervuld. In de loop van 2007 is de afwerking compleet en in september 2008 start de deeltjesversneller voor de eerste keer op. Eind maart 2010 vatten de experimenten aan.
Transport van elektromagneten naar een assemblagehall. De meeste onderdelen van LHC kunnen niet als volledig afgewerkte producten naar CERN gebracht worden. Ook het feit dat CERN gelegen is in een bergachtige streek, maakt het vervoer van zware onderdelen een moeilijke taak.
4 Het project
Het voorbereidingswerk van de ruimte onder de grond waar de detector CMS zal geplaatst worden. CMS staat voor Compact Muon Solenoïd. De detector is één van de 4 hoofdexperimenten. Het onderzoekgsgebied is ruim zoals het zoekenn naar het Higgs deeltje als het ontdekken van supersymmetrie.
Het experiment ATLAS onderzoekt dezelfde onderwerpen als CMS. ATLAS is echter anders opgebouwd en de gebruikte technieken om deeltjes op te sporen gelijkt niet op de methoden die CMS gebruikt. Dit ondersteunt de juistheid van een ontdekking.
LARGE HADRON COLLIDER
L
HC is een deeltjesversneller waarbij geladen deeltjes met veel energie in vaste cirkelbanen tegen elkaar botsen. De geladen deeltjes zijn protonen of loodionen. De keuze is afhankelijk van de aard van het experiment.
In de volgende tabel worden de belangrijkste parameters van LHC weergegeven. KENMERK
WAARDE
Cirkelomtrek tunnel
27 km
Vermogen
120 MW
Elektrisch verbruik
800 000 MWh
Kosten per jaar (raming)
€ 19 106
Verbruik helium (start)
120 ton
Energie per bundel
350 MJ
Aantal magneten
9 593
Lichtsterkte protonenbundel
1034 cm-2 s-1
Verbruik waterstof per dag
2 10-9 g
De protonen bewegen in 2 bundels die tegengesteld zijn van zin. Op vier vaste plaatsen kruisen de banen elkaar waar een centrale botsing optreedt. Op deze posities staat een detector. Zij registreren alle geproduceerde deeltjes na de botsing en filteren direct onbelangrijke processen weg.
Aantal werkdagen (raming)
270/jaar
Temperatuur
1,9 K
Druk in kokers
1,0 10-8 Pa
Aantal ronden per seconde
11 245
Aantal trossen per bundel
2 808
Beide kokers bevinden zich in een tunnel op een diepte van ongeveer 100 m onder de grond. De diepte is niet overal even groot en is o.m. afhankelijk van de structuur van de aardkorst. Mogelijke trillingen van de aarde worden opgevangen door bijzondere toestellen. Er wordt zelfs rekening gehouden met bewegingen van de aardkorst door de onderlinge stand van zon, maan en aarde.
Aantal protonen per tros
100 109
Tijdsduur van bundel in LHC
10 h
Aantal botsingen per seconde
600 106
Aantal DVD’s per jaar
100 000
Een deeltjesversneller kunnen we opvatten als een smalle koker waarin ladingen met grote snelheid bewegen. De deeltjes worden in de juiste baan gehouden door krachtige elektromagneten, die een mantel vormen rond de koker. De vorm van de koker is bijna een perfecte cirkel en bij elke omwenteling die de ladingen maken, neemt hun snelheid toe tot bijna de lichtsnelheid.
De versneller is voorzien van de nodige controle en veiligheidssystemen. Ruim 10 000 mensen zijn betrokken bij het project: wetesnchappers, informatici, technici, onderhoudspersoneel, medische staf, ... LHC zal tot eind 2012 op halve energie (7 TeV) werken. In 2013 worden alle meetgegevens verwerkt en gekeken naar nieuwe verschijnselen. De bekomen resultaten zullen mogelijk een invloed hebben op de manier hoe de experimenten verder moeten verlopen. In 2014 start LHC op volle energie waarbij 14 TeV aan botsingsenergie vrijkomt tussen protonen.
5 Het project
Bron: LHC the guide (CERN)
Een aantal parameters veranderen tijdens de duur van de experimenten. Zo is de lichtsterkte van de protonenbundel verhoogt in de loop van 2011. De verkregen informatie zal indrukwekkend worden. Er moet niet alleen gekeken worden naar de aard van de opslag, maar ook naar de verdelig van de data, de toegankelijkheid, beveiliging van meetgegevens en het maken van back-ups.
14 TeV CMS
LHC 450 GeV
7 TeV ALICE SPS 14 TeV
ATLAS
PS loodbundel
VERSNELLINGSCOMPLEX
D
e versneller LHC maakt deel uit van een versnellingscomplex. Dit is het resultaat van een opeenvolging van nieuwe ontwerpen naarmate de technologie voor het maken van deeltjesversnellers verandert. Steeds krachtiger en grotere versnellers worden geconstrueerd en bestaande ringen worden aangepast voor nieuwe projecten. Voor LHC zijn drie versnellrs van groot belang: LHC: Large Hadron Collider SPS: Super Proton Synchrotron PS: Proton Synchrotron
De protonen komen uit een voorraad waterstofatomen die gebracht worden in een lineaire versneller. Deze geeft de deeltjes voldoende energie waarna ze geïnjecteerd worden in de Proton Synchrotron (PS). Daarin krijgen de protonen nog meer energie waarna ze de Super Proton Synchrotron (SPS) binnen gebracht worden. Tenslotte belanden de ladingen in de LHC. Gedurende 20 minuten worden ze versneld tot hun maximale energie en snelheid. Per seconde draaien de protonen 11 245 maal rond langs de cirkelbaan. 600 miljoen botsingen treden op per seconde die door de detectoren worden opgemeten. 6 Het project
LHCb 14 TeV
14 TeV
protonenbundel
• • •
7 TeV
25 GeV
LHC is de centrale hoofdring. Protonen komen versneld uit 2 kleinere ringen PS en SPS. In opeenvolgende stadia neemt de energie van de protonen toe. Op vier plaatsen treden botsingen op.
Tijdens botsingen tussen protonen komt energie vrij. Hoe groter de versneller is, hoe meer energie vrijkomt. Deze energie wordt omgezet in nieuwe deeltjes. Om deeltjes in een cirkelbaan te houden, moeten ze drager zijn van een elektrische lading. Elektromagneten zorgen er dan voor dat ze netjes in de pas blijven bewegen. Bovendien moeten de versnelde ladingen stabiel zijn en niet na een bepaalde tijd vervallen in andere deeltjes. Elektronen, protonen en ionen zijn daarom de ideale kandidaten om versneld te worden. Bij LHC wordt gebruik gemaakt van protonen en loodionen. Collectief worden ze als hadronen aangeduid. Tot deze familie behoren alle deeltjes die opgebouwd zijn uit quarks zoals het proton en neutron. Ook atoomkernen en ionen worden bij dit experimet tot de hadronen gerekend.
DOELSTELLINGEN VAN LHC
E
xperimenten hebben steeds een doel voor ogen. De eerste drijfveer is de nieuwsgierigheid van de mens. Het theoretisch kader waarin deeltjesprocessen begrepen worden, wordt het standaardmodel genoemd. Het model is een succesvolle theorie die de afgelopen vijftig jaar een scherp afgebakend gebied begrenst.
Toch kan het model niet alle verschijnselen verklaren en vertoont de theorie duidelijke gebreken. Alleen experimenten laten toe om de ontbrekende stukken van de puzzel te vinden.
versneller PS SPS LHC
snelheid p+ 0,9993 c 0,999998 c 0,999999991 c
energie (GeV) 25 450 7 000
In elk stadium van de versnelling verhoogt in de drie ringen de snelheid en energie. De lichtsnelheid kan niet bereikt worden; de energie kan onbepekrt toenemen. Alleen de gebruikte technologie en kosten beperken onderzoekers om de energie nog te laten stijgen.
Dipoolmagneten worden vooral geleverd vanuit de VS. In onderdelen komen ze aan in CERN, waar ze gecontroleerd en samengesteld worden tot grotere bouwstenen. Nadien worden de vormen gemeten op mogelijke fouten met laserlicht. Eenmaal in de tunnel moeten de elektromagneten perfect in elkaar passen over een lengte van 27 km.
Voorbeelden zijn: •
Alle materie bezit massa, met een enorme bereik. Neutrino's bezitten bijna geen massa; top-quarks zijn enorm zwaar. Waar komt massa vandaan?
•
De gravitatietheorie van Einstein is niet verenigbaar met de natuurkunde van de microkosmos. Bestaat één overkoepelende theorie voor gravitatie en de kwantummechanica?
•
Komen in de natuur extra dimensies voor? Theorieën voorspellen het bestaan van meer dan 3 ruimtelijke dimensies die in onze wereld niet waarneembaar zijn. Kunnen we daar sporen van ontdekken?
•
Bestaan supersymmetrische deeltjes? Supersymmetrie is een hogere symmetrievorm die het bestaan van nieuwe deeltjes voorspelt.
•
De verdeling en beweging van materie in het heelal wijst op het bestaan van onzichtbare materie. Uit de versnelde expansie van de ruimte zou het heelal moeten gevuld zijn met een transparante donkere energievorm. Wat is de aard van donkere materie en donkere energie?
7 Het project
•
Alle objecten in het heelal bestaan uit materie. Locaal wordt bij processen met veel energie tijdelijk antimaterie gevormd die nadien direct verdwijnt. Waarom komt alleen materie in het heelal voor?
•
Kort na de Big-Bang bestond de materie uit een heet mengsel van vrije elementaire deeltjes zoals quarks, elektronen en gluonen. Wat zijn de eigenschappen van een dergelijk quark-gluon plasma?
Vragen genoeg om aan experimenteel onderzoek te doen op fiundamenteel niveau. Iedereen is ervan overtuigd dat LHC resultaten zal oplevern die ons voor verrassingen zal komen te stellen. En misschien moeten een aantal hypothesen verworpen of herschreven worden.
Ligging CERN
8 Het project
