LHC

Grande Colisor de Hádrons (LHC)

A física de partículas é essencialmente uma ciência experimental. Observe partículas minúsculas exigem microscópios muito grande!
O Grande Colisionador de Hadrões é um instrumento científico gigantesco construído sob as planícies do Lago de Genebra, entre Genebra e as Montanhas Jura, na fronteira entre Suíça e França, a uma profundidade entre 50 e 175 metros sob a terra.
O CERN (Organização Européia para Pesquisa Nuclear) aprovou a construção do LHC dezembro 16, de 1994, que foi encomendado 10 de setembro de 2008.
Em Novembro de 2000, o colisor elétron-pósitron grandes (LEP), dá lugar no mesmo túnel, o LHC.
Este acelerador de partículas é um «brinquedo» fabulosa com colossal que centenas de físicos estudam as partículas menores, os componentes fundamentais da matéria. Este complexo é composto por uma sucessão de aceleradores de energia crescente.

Cada um injeta um feixe para a próxima máquina, que retoma a trazer o feixe de uma energia ainda maior, e assim por diante. É o mais poderoso no mundo além do Tevatron do Fermilab, em Chicago (EUA).
O LHC foi construído em um túnel de 3 metros de diâmetro e 26,659 km de circunferência, irá revolucionar a nossa compreensão do universo, desde o infinitamente pequeno ao infinitamente grande.
O LHC é um acelerador colisor de prótons circular.
O sistema de aceleração do LHC vai trazer energia de 7 TeV (1 teraelectron volt = 1,60217646 × 10^-7 joules).

Imagem: O Grande Colisionador de Hadrões está localizado na planície do Lago de Genebra, entre Genebra e as Montanhas Jura, na fronteira entre Suíça e França, a uma profundidade entre 50 e 175 metros sob a terra. Visita virtual do LHC aqui.

Que é um acelerador?

Os aceleradores de partículas são instrumentos que usam campos elétricos e/ou chumbo magnética partículas eletricamente carregadas a alta velocidade.
Em outras palavras, eles se comunicam de energia para as partículas.
O colisor é uma máquina onde os feixes circulando em sentidos opostos antes de colidir contrário de outros tipos de aceleradores em que um feixe colide com um alvo fixo.
Estes aceleradores são semelhantes aos aceleradores síncrotron, porque as partículas se movem ao longo de um trajeto circular.
Os dois feixes de partículas lançadas na 99.9999991% da velocidade da luz, vai fazer 11 245 voltas por segundo no sentido inverso do acelerador.

Esses feixes de partículas girar em duas tubo duplo onde há uma UHV, inserida em um sistema único imã supercondutor resfriado por hélio líquido.

Imagem: Esta foto mostra a pequena curvatura do túnel da circunferência do LHC de 26,659 km.
Crédito: CERN

Imanes em -271°C

O oito setores do LHC são mantidos em temperatura de funcionamento de -271,2°C, 1,9 graus acima do zero absoluto.
Um dos avanços mais importantes técnicos do final do século 20, foi o domínio dos ímãs supercondutores para acelerar e cavidades.
Alguns metais refrigerado para perto do zero absoluto (-273°C) perderá todos os resistividade elétrica e, portanto, há mais energia perdida através da dissipação de calor, que permite que as partículas circulam sem perda alimentação. Estes ímãs resfriados, cujo papel é dobrar o feixe de partículas são usadas para direcionar esses feixes para quatro pontos de intersecção em que as interações permitem que as colisões entre partículas. Os feixes de partículas subatômicas para a família dos hádrons (prótons ou íons de chumbo) viajam na direção oposta, em seguida, dentro do acelerador circular, armazenando a energia em cada rodada.

Se colidir duas partículas em direções opostas, cada um com energia E, a energia no centro de massa é igual a 2 E.
No CERN, em Genebra, o Super Proton Synchrotron (SPS) atingiu energias do 450 GeV apenas, por assim dizer em relação ao 7 TeV LHC.
Trazendo em colisão os dois feixes perto da velocidade da luz em energias muito altas, o LHC recriará as condições que existiram logo após o Big Bang.
As equipes de físicos e pode analisar partículas dessas colisões.

Imagem: poder criogênica do Grande Colisionador de Hadrões
Crédito: CERN

Uma nova era da física

Existem muitas pesquisas sobre o resultado dessas colisões. Físicos esperam que esta nova era da física traz seus dados novos sobre o funcionamento do universo. Para compreender as leis fundamentais da Natureza, os físicos contam com o modelo padrão da física de partículas descrevendo notavelmente. Este modelo prevê a existência de uma partícula chamada bóson de Higgs O bóson de Higgs é uma partícula prevista pelo famoso "modelo padrão" da física de partículas. É o elo que falta neste modelo. Na verdade, essa partícula é suposto para explicar a origem da massa de todas as partículas do Universo (incluindo o próprio), mas apesar deste papel fundamental, ele continua a ser descoberto desde nenhuma experiência atualmente observado de forma conclusiva., cuja detecção é um objectivo prioritário do LHC. Muitos argumentos teóricos a favor da existência dos chamados super simetria, que prediz que cada tipo de partícula conhecida tem um alter ego chamado de super-parceira.
A demonstração do super simetria é a segunda edição do LHC. Outro desafio é a identificação da matéria escura que acredita-se que constituem uma grande parte da massa do universo. A teoria das cordas prediz a existência de dimensões extras além das três dimensões espaciais que conhecemos.

Algumas colisões no LHC poderia revelar indirectamente, incluindo a formação de buracos negros microscópicos.
Se a matéria ea antimatéria existe em quantidades iguais durante o Big Bang, foram aniquilados, o que é o fenômeno conhecido como baryogenesis, o que gerou esse excesso minúsculos da matéria sobre a antimatéria, que permanece até hoje no espaço.
O LHC também pode encontrar uma resposta para esta pergunta.
Os núcleos atômicos são compostos de prótons e nêutrons consistem em unidades básicas chamadas quarks. Os quarks existem somente em grupos de partículas de 2 ou 3 (três no caso dos prótons e nêutrons).
Em temperaturas muito elevadas, os quarks podem existir em isolamento, que é o que o LHC vai tentar destacar.

Imagem: LHC Centro de Controlo do CERN, crédito : CERN

Caminho dos prótons e íons de chumbo

Cada feixe do protão é composto de cerca de 3 000 pacotes de partículas, cada uma contendo 100 000 milhões de partículas.
As partículas são tão pequenas que a probabilidade de uma colisão é pequena. Quando os pacotes de cruz, que ocorre apenas vinte colisões entre partículas 200,000 milhões. Dito isto, os pacotes de cruz na taxa de cerca de 30 milhões de vezes por segundo, assim que o LHC gerar até 600 milhões de colisões por segundo.
Um raio pode viajar por 10 horas, viajando mais de 10 bilhões de quilômetros, o dobro da distância da Terra a Netuno. Quase à velocidade da luz, um próton leva 11 245 rotações por segundo no LHC.
Aqui está uma breve história de um próton acelerado pelo complexo de aceleradores do CERN: os átomos de hidrogênio são extraídos de uma garrafa de hidrogênio ordinário. Prótons são obtidos retirando os átomos de hidrogênio em seu elétron.
Os prótons passam de LINAC 2 no injector da Proton Synchrotron (PS Booster, PSB) com uma energia de 50 MeV. O PSB acelera para 1,4 GeV.
O feixe é então injectado no Proton Synchrotron (PS), onde sua energia é aumentada para 25 eV. Prótons são então enviados para o Super Proton Synchrotron (SPS), onde são acelerados a 450 GeV.
Finalmente, eles são transferidos para o LHC (no sentido dos ponteiros do relógio e vice-versa, com um tempo de carregamento de 4 min 20 s por anel), onde são acelerados por 20 minutos para ser levado à energia nominal de 7 TeV.
Em operação normal, os raios circulem por várias horas nos tubos do LHC. Os prótons no LHC vêm em pacotes, que são produzidos em máquinas menores.

Imagem: O LHC foi construído em um túnel de 3 metros de diâmetro e 26,659 km de circunferência. Quase à velocidade da luz, um próton leva 11 245 rotações por segundo no LHC. Fonte CERN

História de íons de chumbo

O complexo acelerador acelera prótons não só mas também conduzir íons. Íons de chumbo são produzidos a partir de uma amostra de chumbo extrema pureza, aquecido a uma temperatura de cerca de 500 ° C.
Os íons assim produzidos são altamente cargas variáveis, com um máximo de cerca PB29 +.
Esses íons selecionados são então acelerados a uma energia de 4,2 MeV / u (energia por núcleo) antes de passar por uma folha de carbono que os "descascadores"ea maioria se transforma em Pb54 +.
Uma vez acumulado, os íons Pb54+ são aceleradas a 72 MeV/u em Leir (Anel de íons de baixa energia) e depois transferido para o PS (Proton Synchrotron).

Isto acelera o feixe de levantá-lo para 5,9 GeV/u e envia-lo para o SPS (Super Proton Synchrotron), após ter passado por uma segunda folha que o "descascador" completamente, produzindo pb82+.
O SPS é a viga de 177 GeV / u e depois injetadas no LHC, que acelera a 2,76 TeV/u.

Vídeo : Grande Colisor de Hádrons (LHC). Fonte CERN.

Alice, 12 DVDs de dados por minuto

O detector de partículas é Alice na França, que foi aprovado formalmente em fevereiro de 1997 e mudou-se para sua caverna em junho de 2001.
Cerca de um dos quatro pontos de colisão de partículas LHC é o detector Alice (A Large Ion Collider Experiment) que estuda a matéria nuclear em um estado de extremas de temperatura e densidade, a "sopa" de quarks (os constituintes últimos da núcleos atômicos) e glúons (glúon transmite a interação forte entre quarks) que teria existido alguns microssegundos após o Big Bang.
O detector deve ser capaz de separar as partículas de muitos produzidos em cada colisão chumbo-chumbo. Algumas colisões podem gerar dezenas de milhares de faixas e, portanto, é necessário ter um poder computacional muito elevada para a sua reconstrução.

Alice vai produzir cerca de 12 DVDs de dados por minuto. O fluxo de dados produzidos pelo experimento ALICE será o mais importante de todos os experimentos do LHC. Ele irá gerenciar e processar esses dados.

Imagem: Alice tem 16 m de altura e 26 m de comprimento, de crédito: CERN

Atlas e do bóson de Higgs

O Atlas é detector de partículas na Suíça.
O acordo para a concepção deste ímã da bobina magnética toroidal maior do mundo, foi assinado em 1996 e Atlas foi construído em fevereiro de 1999.
A escavação do maior caverna experimental no mundo (35 m de largura, 55 metros de comprimento e 40 m de altura) foi concluído em junho de 2002 para sediar a 6000 toneladas do detector ATLAS, em novembro de 2003. Cerca de um dos quatro pontos de colisão do LHC é um detector de partículas gigante Atlas (A Toroidal LHC Apparatus), capaz de descobrir novas partículas elementares, como o bóson de Higgs O bóson de Higgs é uma partícula prevista pelo famoso "modelo padrão" da física de partículas. É o elo que falta neste modelo. Na verdade, essa partícula é suposto para explicar a origem da massa de todas as partículas do Universo (incluindo o próprio), mas apesar deste papel fundamental, ele continua a ser descoberto desde nenhuma experiência atualmente observado de forma conclusiva., uma partícula em vão procurado até o momento, encontrar super partículas simétricas ou o acesso a dimensões extras do espaço.
O Atlas foi concebido como um detector versátil, que busca identificar e medir com precisão as características (velocidade, energia e direção) das partículas produzidas em colisões.

Altura de um prédio de seis andares, esta unidade tem gigante, localizado a 100 metros de profundidade, para ser na intersecção de dois feixes de prótons no acelerador. Sua caverna pode conter a nave de Notre Dame de Paris.

Imagem: Atlas é de 35 m de largura, 55 metros de comprimento e 40 m de altura, crédito: CERN

CMS para a 5 ª dimensão e acima

O detector CMS está localizado em França.
22 jan 2008, 1 430 toneladas de o último elemento da CMS é rebaixada para a caverna que marca o final de comissionamento do CMS.
Em um dos quatro pontos de colisão do LHC no Cessy na França, é o CMS (Compact Muon Solenoid) poderia descobrir novas partículas elementares, como o bóson de Higgs O bóson de Higgs é uma partícula prevista pelo famoso "modelo padrão" da física de partículas. É o elo que falta neste modelo. Na verdade, essa partícula é suposto para explicar a origem da massa de todas as partículas do Universo (incluindo o próprio), mas apesar deste papel fundamental, ele continua a ser descoberto desde nenhuma experiência atualmente observado de forma conclusiva., que nunca foi observado e procurou, sem sucesso até o momento, encontrar partículas super simétrica ou destacar novas dimensões do espaço.
CMS solenóide supercondutor tem a maior e mais potente alguma vez construído. O campo magnético extremamente intenso (4 Tesla, ou 100.000 vezes o campo magnético da Terra) é para desviar as partículas carregadas.
CMS tem a missão é reconhecer com precisão e delicadeza de cada tipo de partícula produzido e selecione eventos interessantes.

CMS 21,5 metros de comprimento e um diâmetro de 15 metros e uma massa de 12 500 toneladas, está alojado em uma caverna de 27 metros de largura e 53 metros de comprimento e 24 metros de altura. Foi escavado em fraldas molhadas, tinha congelado por injeção de salmoura a -23°C e nitrogênio líquido a -80°C.

Imagem: CMS é de 21,5 metros e um diâmetro de 15 metros e uma massa de 12 500 toneladas, Credit: CERN

LHCb o detector "beleza"

O detector LHCb está localizado em França.
A montagem começa em janeiro de 2003 com a descida de duas bobinas do ímã na área underground experimental. Cerca de um dos quatro pontos de colisão do LHC é o detetor LHCb (Large Hadron Collider experimento beleza) que estuda a assimetria matéria-antimatéria especificamente através do rastreamento de partículas contendo um quark.
O objectivo final é compreender melhor por que o universo é composto inteiramente de material, enquanto na matéria e antimatéria nascimento estavam presentes em partes iguais.
É preciso conseguir o melhor possível a detecção de partículas "belo" (contendo um quark b) e seus produtos de decaimento.
As partículas chamadas "beleza" têm uma longa vida na escala das partículas em que vai viajar alguns milímetros antes de decair.

O experimento LHCb se distingue pela sua capacidade de reconstruir exatamente onde essas partículas se desintegram.

Imagem: LHCb o detector de beleza em sua caverna.
Crédito: CERN

Números recorde para o LHC

120 megawatt,
Este aparelho usa cerca de 120 MW (230 MW para o CERN todo), a qual corresponde à energia elétrica consumida por todas as famílias do cantão de Genebra. Supondo que o acelerador funciona 270 dias por ano (a máquina pára durante o inverno), o consumo anual de energia do LHC em 2009 deve chegar a cerca de 800 000 MWh. Este valor inclui o consumo da máquina, sua infra-estrutura e experiência.

O custo total anual para operar o LHC será cerca de 19 milhões de euros. CERN é fornecido principalmente com a eletricidade pela empresa francesa EDF, enquanto as empresas suíças EOS e SIG Suíça fornecer eletricidade em caso de falta do lado francês.

9 Tesla,
Os ímãs de flexão, os dipolos, incluem dois ímãs para ambos os tubos vazios onde os prótons movem em direções opostas. Esses ímãs, 15 metros de comprimento e cerca de 35 toneladas, em seu coração produzir um campo magnético, de 9 de Tesla, cerca de 200 000 vezes o campo magnético da Terra.

700 m3 de hélio líquido
Os ímãs são resfriados a 80 K usando 12 500 toneladas de nitrogênio líquido, em seguida, a 1,9 K com 700 m3 de hélio líquido. Em abril de 2007, um oitavo do anel é resfriado por hélio líquido a 1,9 K (-271,2 ° C), mais frio do espaço sideral.
O sector 7-8 de 3,3 km de comprimento e é a maior instalação de supercondutor do mundo.

Imagem: O hélio líquido, fluido criogênico esfria os magnetos supercondutores do LHC em -271°C.

1,1 gigabytes por segundo,
A gravação em fita de backup de dados é perdida em Maio de 2003 com uma taxa de transferência de 1.1 gigabytes por segundo por várias horas.
Isso equivale a gravar um filme em DVD a cada quatro segundos. Os dados produzidos por ano atingir os 15 peta bytes.

N.B.: 1 peta = 10¹⁵ soit 1 000 000 000 000 000 octets.

2,38 gigabits por segundo,
Um registro de transferência de dados são perdidos mais de 10 000 km entre o CERN e na Califórnia, com um caudal de 2,38 gigabits por segundo por mais de uma hora.
Isso é equivalente ao envio de 200 filmes em DVD em uma hora.

Tabela: grandezas e unidades utilizadas informática, bem como os nomes e símbolos destas grandezas e unidades. O padrão é publicado pela International Electrotechnical Commission (IEC), e faz parte do grupo de padrões conhecidos como ISO / IEC 80000, publicado conjuntamente pela IEC e da Organização Internacional de Normalização (ISO).

14 TeV energia criada
As maiores energias jamais alcançada pelo homem, 7 TeV feixe de prótons nominal. A energia de colisão de 14 TeV, é sete vezes maior do que o acelerador mais poderoso do mundo, o Tevatron do Fermilab, em Batavia, Illinois, a oeste de Chicago, EUA.

N.B.: 1 teraelectron volt = 1,60217646 × 10^-7 joules.

Imagem: Le Tevatron et les anneaux de l'injecteur principal.

O ultra-alto vácuo UHV,
Para evitar colisões com as moléculas de gás no interior do acelerador, os feixes de partículas de viagem em uma cavidade vazia como o espaço interplanetário, a ultra-so-called. Três sistemas de vácuo montado no LHC. A pressão interna do LHC é 13/10 atmosfera. A pressão nos tubos de feixe do LHC será cerca de dez vezes menor do que na lua.

Mais de 9.000 físicos
O LHC tem a maior concentração de pesquisadores através da colaboração de seus estados membros: Áustria, Bélgica, Dinamarca, Finlândia, França, Grécia, Hungria, Itália, Noruega, Países Baixos, Polónia, Portugal, República Eslovaca, República Checa, Suécia, Reino Unido e Suíça. Rússia, Israel, Turquia, Jugoslávia, a Comissão Europeia ea UNESCO têm o estatuto de observador.

E agora...

Os aceleradores tornaram-se cada vez mais poderosos, mais caro e, portanto, menos numerosos: dois na Europa, dois dos EUA e um no Japão.
O projeto do LHC, de 3 bilhões de euros é um avanço tecnológico que vão ao encontro das questões europeias em circulação do Modelo Padrão (bóson de Higgs, super simetria, matéria escura, as dimensões da matéria, os buracos negros, baryogenesis,...).
Responder a estas questões exige um grande esforço teórico e experimental, razão pela qual a comunidade de físicos aguarda ansiosamente os primeiros resultados do Large Hadron Collider, que necessariamente exigem novos conceitos.
Esta profusão de recursos e de poder implantado, é o preço de uma ferramenta de trabalho no serviço que vai permitir que os físicos para testar em condições extremas, as modernas teorias de partículas e antipartículas.

Imagem: O comissionamento do LHC, que teve lugar 10 de setembro de 2008, foi decepcionante para os espectadores desavisados só conseguia ver um pequeno ponto branco na tela de vídeo (canto inferior esquerdo abaixo).
Mais fotos no site boston.com: aqui
Somente 23 de novembro de 2009, pela primeira vez que dois feixes cruzados em 1 e 5, onde estão localizados os detectores ATLAS e CMS.
O detector ATLAS gravou seu primeiro evento interpretado como uma colisão às 14 h 22.