LHC sa pripravuje na nové výzvy

Po mimoriadne úspešnej prevádzke začína Veľký hadrónový urýchľovač (LHC) spolu s celou sústavou urýchľovačov a experimentami dvojročnú prestávku, ktorej cieľom je ich vyrazné zdokonalenie a modernizácia. 

Údržba supravodivých magnetov počas prvej dlhej prestávky

3. decembra 2018 presne o 6:00 ráno operátori v Riadiacom centre v CERNe vypli Veľký hadrónový urýchľovač (LHC), čím bol zavŕšený veľmi úspešný druhý beh najvýkonnejšieho urýchľovača častíc na svete. Sústava urýchľovačov v CERNe bude odstavená kvôli modernizácii asi na dva roky.
Počas druhého behu (2015–2018) fungoval LHC nad očakávanie, keď dosiahol približne 16 miliónov miliárd protón-protónových zrážok pri energii 13 TeV a taktiež množstvo zrážok jadier olova pri energii 5,02 TeV. Tieto výsledky predstavujú obrovské množstvo dát, z ktorých sa permanentne archivovalo viac ako 300 petabytov (300 miliónov gigabytov) v dátových knižniciach v CERNe. Toto je ekvivalent množstva dát odvysielaných počas nonstop video streamingu za 1000 rokov. Analýzou týchto dát už LHC experimenty dosiahli veľké množstvo výsledkov, ktoré rozšírili naše poznanie raného vesmíru a priniesli ďalšie svetlo do tajomstiev hmoty.

Druhý beh LHC priniesol veľa ovocia, pretože sme prekročili naše ciele vyprodukovaním päťnásobne väčšieho množstva dát v porovnaní s prvým behom a to pri bezprecedentnej energii 13 TeV,” povedal Frédérick Bordry, riaditeľ CERNu pre urýchľovače a technológie. “Pri tejto druhej dlhej prestávke pripravíme urýchľovač na ešte väčšie množstvo zrážok pri plánovanej energii 14 TeV.”

Okrem mnohých iných pekných výsledkov dosiahli experimentálne kolaborácie na LHC v priebehu niekoľkých posledných rokov úžasný pokrok v chápaní vlastností Higgsovho bozónu,” dodáva Fabiola Gianotti, generálna riaditeľka CERNu. “Higgsov bozón je jedinečná častica pri našej ceste za novou fyzikou. Jej vlastnosti nám môžu niečo prezradiť o fyzike za Štandardným modelom.”

Higgsov bozón je kľúčovým kameňom Štandardného modelu časticovej fyziky, teórie, ktorá najlepšie opisuje elementárne častice a sily, ktoré medzi nimi pôsobia. Bol objavený v CERNe r. 2012 a odvtedy je stále skúmaný. Fyzici konkrétne študujú ako sa rozpadá na iné častice, aby tak skontrolovali predpovede Štandardného modelu. V posledných troch rokoch LHC experimenty rozšírili merania rýchlostí rôznych rozpadových kanálov Higgsovho bozónu vrátane najčastejšieho, ale ťažko merateľného rozpadu na b kvarky, a tiež meranie zriedkavej produkcie Higgsovho bozónu spolu s top kvarkami. Experimenty ATLAS a CMS tiež aktualizovali meranie hmotnosti Higgsovho bozónu s doposiaľ najvyššou presnosťou.

Okrem Higgsovho bozónu dosiahli LHC experimenty množstvo ďalších výsledkov a publikovali stovky vedeckých článkov vrátane objavu nových exotických častíc Ξcc++ a pentakvarkov na LHCb experimente a doposiaľ nepozorovaných javov v zrážkach protón–protón a protón-olovo na experimente ALICE.

Počas dvojročnej prestávky známej ako Long Shutdown 2 (LS2), bude celá sústava urýchľovačov spolu s detektormi zdokonalená a modernizovaná pre ďalší beh LHC, ktorý začne v r. 2021 a pre projekt Vysoko-luminozitného LHC (HL-LHC), ktorý začne prevádzku po r. 2025. Zvýšenie luminozity LHC znamená výrazné zvýšenie tvorby dát.

Bohatá žatva experimentálnych dát počas druhého behu LHC umožňuje výskumníkom hľadať veľmi zriedkavé procesy,” vysvetľuje Eckhard Elsen, riaditeľ CERN pre výskum a výpočty. “Počas odstávky LHC budú fyzici zaneprázdnení analýzou dát, pri ktorej budú hľadať signály novej fyziky, ktorá ešte nemala príležitosť ukázať sa kvôli dominantnému príspevku Štandardného modelu. Toto nás nasmeruje k HL-LHC, pri ktorom sa znovu rádovo zvýši objem experimentálnych dát.”

Niekoľko častí urýchľovacej reťaze (injektory), ktoré dodávajú protóny do LHC, bude obnovených s cieľom dosiahnuť intenzívnejšie zväzky. Prvý článok tejto reťaze, lineárny urýchľovač Linac2, bude nahradený urýchľovačom Linac4. Nový lineárny urýchľovač bude urýchľovať ióny H, z ktorých sa neskôr odoberú ich dva elektróny a na ďalšie urýchľovanie ostanú už len kladné protóny, čo umožní pripraviť intenzívnejšie zväzky protónov. Druhý urýchľovač v reťazi, Protón Synchrotrónový Booster, dostane úplne nové vstrekovacie a urýchľovacie systémy. Super Protónový Synchrotrón (SPS), ktorý je posledným injektorom pred LHC, bude mať nový rádiofrekvenčný výkon na urýchlenie vysokointenzívnych zväzkov a bude pripojený k modernizovaným prenosovým linkám, ktoré ho spájajú s LHC.

Počas LS2 sa plánujú aj niektoré vylepšenia na samotnom LHC. Bypass-ové diódy (electrické súčiastky, ktoré chránia magnety v prípade vymknutia sa magnetu zo supravodivého stavu) – dostanú kryt, čo je podmienka pre zvýšenie energie zväzku na 7 TeV po skončení LS2, a tiež bude nahradených viac ako 20 hlavných supravodivých magnetov. Okrem toho budú pokračovať stavebné práce na HL-LHC, ktoré začali v júni 2018 – nové galérie budú spojené s tunelom LHC a po prvýkrát budú testované nové vykonné supravodivé technológie pre magnety.

Všetky experimenty na LHC zmodernizujú v najbližších dvoch rokoch dôležité časti svojich detektorov. Takmer celý LHCb experiment bude nahradený rýchlejšími detektorovými komponentami, ktoré umožnia kolaborácii nahrávať zrážky pri plnej protón-protónovej intenzite. Podobne ALICE zmodernizuje technológiu svojich dráhových detektorov. Aj ATLAS a CMS budú vylepšené a začnú sa pripravovať na modernizáciu pre HL-LHC.

Protónové zväzky sa vrátia na jar 2021 s tretím behom LHC.

Komentáre