Suure Hadronite Põrguti insenerid valmistuvad kõrgeteks energiateks

Pärast kuudepikkusi ettevalmistusi on LHC (Large Hadron Collider, J.J.O.) järgmisel nädalal valmis põrgutama osakesi 7 TeV suuruse koguenergiaga. Plaanitust poole väiksema võimsusega töötav osakeste põrguti jätab aga 2012. aastal  tõenäoliselt oma traditsioonilise töötsükli vahele, andes sellega võimaluse Tevatroni kiirendi „luigelauluks.“

Suur Hadronite Põrguti kiirendab osakeste kimpe 3,5 TeV (teraelektronvoldise) energiani kahe järgmise aasta vältel, pärast CERN-i juhtide otsust riskide vähendamiseks esialgu piirduda vaid poole potentsiaalse võimsusega. Osakestekimpude juhtimiseks vajalike ülijuhtmagnetite vaheliste elektriühenduste asendamiseks kulub aga terve 2012. aasta.

Algselt oli kavas 7 TeV suuruse koguenergiaga kokkupõrkeid viia läbi vaid paar kuud, mille järel parandada nõrgemaid elektriahelaid, pärast mida oleks kiirendivõimsusest ära kasutatud juba 10 TeV.

Steve Myers‘i, CERN-i kiirendite ja tehnoloogia osakonna direktori sõnade kohaselt on uus plaan, arvestades korraga nii ohutust ning andmete kogumise soovi, algsele tegevuskavale parim alternatiiv. CERN-i ametnike sõnul hoiavad nad kiirendit käigus seni kaua 7 TeV energiaga ehk 1 pöördfemto-barnise efektiivsusega käigus, kuni uurijad on kogunud piisavalt andmeid.

Femto-barniks nimetakse kahe osakeste voo kokkupõrkeala. Kokkupõrgete arv on aga otseselt proportsionaalne aja jooksul mõõdetud kokkupõrgete heledusega. Seega saab arvutada osakeste vaheliste kokkupõrgete arvu korrutades kokkupõrke koguheledus ala ristlõikega, kus kokkupõrge toimub. Antud arvu nimetatakse pöördfemto-barniks ning selle abil mõõdetakse kiirendite efektiivsust.

„Selliselt käitudes on meil piisavalt aega, et disainida uus elektriühenduste lahendus ning olla seejuures kindel, et teeme seda õigesti,“ väitis Meyers. CERN-i teadlaste sõnul on hea uudis see, et ka 1 pöördfemto-barnisel kokkupõrkel saadav andmetehulk on piisav, et otsida sellest supersümmeetria osakesi ning isegi kõrgemaid dimensioone, mille olemasolu ennustavad mõned stringi teooria variatsioonid. „Otseloomulikult oleksime me eelistanud kõrgemaid energiaid,“ ütles Guido Tonelli, 3800 liikmelise CMS osakeste detektori töörühma esindaja: „ent see on siiski päris eksperimentaalne füüsika, mille abil saame me lahenduse leida suurele osale meie uurimisprogrammist.“ Greg Landsbergi, ühe CMS-i uurimisliikme sõnul kasutatakse esimesed kuude jooksul saadavaid andmeid ilmselt erinevate osakeste nagu W-ja Z-bosoni ning top-kvargi omaduste täpsustamiseks. Samuti on mõningate ennustuste kohaselt saavutatav energia piisav, et avastada aasta lõpus ka Higgs’i boson – salapärane osake, mida arvatakse andvat kõigile ülejäänud osakestele massi.

Samal ajal loodavad LHC veidi madalama energiaga konkurendi, Tevatroni põrguti, teadlased Fermilabis, Illinois, et sealse kiirendi sulgemisega viivitatakse, pikendades selle opereerimisaega 2012. aasta lõpuni. Praegusel hetkel plaanitakse Fermilabi osakestekiirendi sulgeda käesoleva aasta lõpul. Seal töötavad uurijad loodavad, et nende põrguti on võimeline koguma piisavalt andmeid, et kaua otsitud Higgsi boson enne LHC-d avastada. „See ei ole siiski päris nii, et me kiirustame antud väitega ning nõuame Tevatroni 2012. aastal käigus hoidmist, ent me soovime seda võimalust lahtisena hoida,“ ütles Fermilabi D0 osakestedetektori 510-liikmelise töörühma eestkõneleja Dmitri Denisov. Üks lisa-aasta kasvataks arvutuste kohaselt D0 kogutud andmete hulka 12 pöördfemto-barnilt 15 pöördfemto-barnini.

Denisovi arvates ei pruugi see olla siiski piisav põhjus, et opereerimise jätkamiseks tehtavaid kulutusi õigustada. Tunduvalt teistsugusem oleks olukord siis, kui Fermilabi teadlased näeksid kogutud andmetes konkreetseid vihjeid Higgsi bosoni olemasolu kinnitamisest, kui uurijate käsutuses oleks veel rohkem andmeid. Otsus Tevatroni tööjätkamise kohta 2012. aastal tehakse paari kuu pärast.

Juhul kui Tevatroni „luigelaul“ siiski laulmata jääb, kasvab Higgsi bosoni leidmise tõenäosus 2013. aastal suuresti, mil LHC täisvõimsusel opereerimist alustab. Põrguti tekitatav 14 TeV suuruse koguenergiaga prooton-prooton kokkupõrge on Tevatroni maksimaalsest saavutatust 7 korda suurem. Lisaks planeeritakse tulevikus LHC magnetite täiustamist, mis kasvataks kokkupõrgete sagedust järgmise aastakümne lõpuks kümnekordselt. Uus magnettehnoloogia kasutab kõrgtehnoloogilist materjali – niobiidiumi ja tina sulamit (Nb3Sn), mille väljatöötamisel tegi esimese sammu Fermilabis resideeruv USA LHC kiirendi uuringuprogramm (LARP).

Suurem kokkupõrke sagedus tähendaks aga, et kokkupõrkel saadud andmete lahtimuukimine oleks tunduvalt keerulisem. „ATLAS-e ja CMS-i osakestedetektoreid tuleb selle väljakutse jaoks kindlasti täiustada,“ kinnitas Sergio Betrolucci, uuringute ja arvutuste osakonna direktor. „Teisest küljest tähendaks kokkupõrgete koguheleduse kasv seda, et meil läbi viia eksperimente, mille abil laiendaksime oma nähtavushorisonti tunduvalt,“ lisas ta optimistlikult.

Allikad:

CERN-i uudis „The LHC enters a new phase“

Science Insider-i uudis „Europe’s LHC to Run at Half-Energy, Tightening Race for Higgs“

CERN-i uudis „Big advance towards the LHC upgrade“

Steve Myer’i pressiteade