Linkovi

Kako funkcioniše hadronski sudarač?

  • Đorđe Putić

Grafički prikaz sudara protona u hedronskom sudaraču

Grafički prikaz sudara protona u hedronskom sudaraču

U suštini, CERNov akcelerator sačinjava niz mašina koje postepeno ubrzavaju oblačiće protona do brzine veoma bliske apsolutnoj brzini, odnosno brzini svetlosti. (približno 300 hiljada kilometara u sekundi) Istovremeno sa brzinom raste i energija protona do maksimalne koju ovaj kompleks akceleratora može da im da - 7000 gigaelektronvolti (7 teraelektronvolti ili 7TeV)

Svaki od pojedinačnih akceleratora ima sopstvene instrumente pomoću kojih naučnici mogu da eksperimentišu sa česticama na nižim energetskim nivoima.

Proces ubrzavanja počinje povremenim otvaranjem ventila na jednoj običnoj boci sa vodonikom. U pravilnim vremenskim razmacima oblačići tog gasa puštaju se u specijalnu komoru linearnog akceleratora, zvanog LINAC 2. Pod uticajem snažnog električnog polja njoj se atomima vodonika oduzimaju elektroni tako da u komori ostaju samo pozitivno naelektrisani protoni. Krećući se uz pomoć snažnih magneta kroz cev prve faze akceleratora, protoni se postepeno ubrzavaju do otprilike jedne trećine brzine svetlosti.

Sledeća faza je buster (booster). Kao što svemirske letelice tipa šatl imaju buster rakete za dodatno početno ubrzavanje, tako i kolajder ima svoj dodatni ubrzivač, koji se sastoji iz četiri jednake kružne cevi, naslagane kao prstenovi, jedna iznad druge. Obim prstenova je 157 metara. Oblačić protona deli se na četiri dela - po jedan deo za svaki prsten - kako bi ubrzanje bilo maksimalno.

Presek magneta hadronskog sudarača

Presek magneta hadronskog sudarača

Pulsirajuće električno polje ubrzava oblačiće protona, slično kao što se zamahivanjem nogu povećava amplituda ljuljanja na ljuljašci. Posle nekog vremena oblačići protona, koje snažni magneti drže na okupu poput roja mušica, već jure kroz šuplje prstenove brzinom od 91,6 odsto brzine svetlosti. U tom trenutku magneti ih ponovo sabijaju u jedan roj i skreću ih u protonski sinhrotron - drugu šuplju cev - u kojoj prolaze kroz treću fazu ubrzavanja.

Obim cevi sinhrotrona je 628 metara i u njemu protoni, i dalje pod uticajem snažnog pulsirajućeg električnog polja, dostižu brzinu od 99,9 odsto brzine svetlosti. Od tog trenutka energija električnog polja više ne može da se pretvara u povećanje brzine, jer se protoni već kreću gotovo maksimalnom mogućom brzinom svetlosti. Umesto toga, ta energija uvećava masu protona. Svaki od njih sada je 25 puta teži od svoje normalne težine i ima energiju od 25 gigaelektronvolti (25GeV). Roj protona sada se kanališe u četvrti ubrzivač - protonski supersinhrotron.

Supersinhrotron je cev savijena u prsten prečnika 7 kilometara. U njemu se energija svakog protona dalje povećava na 450 gigaelektronvolti (450GeV). Protoni su sada spremni za prelaz u Veliki hadronski kolajder.

Prsten kolajdera ima obim od 27 kilometara, sagrađen je na dubini od prosečno 100 metara i nalazi se delimično u Švajcarskoj, a delimično u Francuskoj. U stvari, kolajder sačinjavaju dva prstena u kojima vlada visok vakuum. Oblačići protona tako se preusmeravaju da kroz prstenove lete u suprotnim pravcima - u jednom prstenu kreću se u pravcu okretanja kazaljke na satu, a u drugom u suprotnom pravcu. Uz pomoć specijalnih instrumenata, dolazeći ubrzani rojevi protona, sinhronizuju se sa onima koji već kruže u prstenovima.

Dve cevi kolajdera ukrštaju se na četiri mesta duž svog obima i na tim mestima postavljeni su osetljivi detektori i uređaji pomoću kojih mogu da se izazivaju sudari rojeva protona. Izbacivanje protonskih oblačića iz supersinhrotrona u kolajder traje oko pola sata, sve dok broj oblačića protona koji besomučno jure kroz tunele kolajdera ne dostigne 2808. Pulsirajuće električno polje, bolje reći polja duž tunela, i dalje dodaju energiju protonima i održavaju im brzinu, koja je sada toliko velika da jedan oblačić obiđe 27 kilometara dug prsten kolajdera više od 11 hiljada puta u sekundi. Energija jednog protona u međuvremenu je porasla na 7 teraelektronvolti (7TeV) i on je 7 hiljada puta teži od protona u mirovanju.

Grafički prikaz sudara čestica u glavnom sudaraču

Grafički prikaz sudara čestica u glavnom sudaraču

Elektromagneti koji održavaju protone u kolajderu sada "vuku" gotovo 12 kiloampera struje iz električne mreže. Struja je toliko visoka jer se temperatura magneta održava na minus 271,3 Celzijusovih stepeni, (odnosno 1,9 Kelvinovih stepeni), a na toj temperaturi njihovi namotaju postaju superprovodljivi, što znači da nemaju gotovo nikakav električni otpor!

Da bi se izbegli sudari sa retkim molekulima gasa u cevima kolajdera, u njima vlada izuzetno visok vakuum - 10 na minus trinaesti stepen atmosfera - što je deset puta manji pritisak nego na mesecu! Suprotno tome - energija oslobođena u trenutku sudara protona stvara temperaturu više od sto hiljada puta veću nego u jezgru sunca. Srećom, ta temperatura događa se u izuzetno malom prostoru i ne uspeva da zagreje okolni prostor.

Protoni su sada spremni za sudaranje. Uključivanjem određenih magneta njihovi oblačići se skreću tako da im se putanje ukrste. Sudari se ređaju jedan za drugim ogromnom učestalošću - gotovo 600 miliona sudara u sekundi!

Energija sudara dva protona je jednaka zbiru energija pojedinačnog protona - znači 14 teraelektronvolti - što stvara stanje slično onom koje je vladalo nekoliko milionitih delova sekunde posle Velikog praska.

Treba imati u vidu da je ovde reč o česticama mnogo manjim od atoma i da je za svakodnevne uslove ta energija i dalje izuzetno mala. Na primer, ako energiju od 14 TeV pretvorimo u neku poznatiju jedinicu za energiju - na primer džul - ona iznosi 22,4 x 10 na minus 7 stepen džula, odnosno 6 x 10 na minus deseti stepen jednog vata!

Različiti detektori na mestu sudara, povezani sa kompjuterima, pokušaće da zabeleže kakve će se sve druge subatomske čestice pojaviti u tom trenutku. Naučnici se nadaju da će im to pružiti uvid u to kako je nastao svemir, kako se razvijao, a možda i to koliko dugo će postojati.

Da bi zabeležili sve razultate sudara protona, koji se događaju 600 miliona u sekundi, u hadronski kolajder ugrađeni su najsavremeniji i najprecizniji mogući instrumenti koji registruju čak i pojave koje traju nekoliko milijarditih delova sekunde, kao i položaje čestica do nanometarske preciznosti.

Svi podaci biće beleženi na dvoslojne digitalne video diskove, a očekuje se da će rezultati jednogodišnjeg eksperimentisanja ispuniti oko sto hiljada takvih diskova. Naučnici širom sveta moći će da dobijaju kopije tih diskova kako bi mogli da sarađuju u njihovoj analizi. Dakako, za tu analizu neće biti dovoljni kompjuteri u CERNu pa će mnogi računari širom sveta takođe biti povezane u analitičku mrežu.

XS
SM
MD
LG