Patrząc w niebo spoglądamy wstecz w czasie. Najbliższa gwiazda leżąca poza Układem
Słonecznym, Proxima Centauri, jest od nas oddalona o 4,3 lat świetlnych. Najbliższa galaktyka spiralna, Andromeda, znajduje się w odległości dwóch milionów lat świetlnych. Światło, które obecnie obserwujemy, wybiegło z Andromedy znacznie wcześniej, niż na Ziemi w wyniku ewolucji pojawił się gatunek ludzki.
Pewne obiekty, zwane kwazarami, leżące na granicach znanego Wszechświata, oddalone są od Ziemi o ponad 10 miliardów lat świetlnych. Ich światło biegło do nas ponad dwa razy dłużej niż istnieje Układ Słoneczny.
A co było jeszcze wcześniej?
Aby cofnąć się jeszcze dalej w czasie, poniżej niewielkiego ułamka sekundy od Wielkiego Wybuchu, naukowcy używają usytuowanych na ziemi akceleratorów cząstek, zbudowanych w laboratoriach takich jak CERN.
A co bylo na samym początku?
Zderzenia cząstek przy wysokich energiach odpowiadają wysokiej temperaturze. W CERNie zderzenia będą miały miejsce przy temperaturze 1015 K (100 milionów razy wyższej od temperatury jądra Słońca). Jest to temperatura Wszechświata, kiedy miał zaledwie 10-25 sekundy. Zatem badanie zderzeń cząstek przypomina badanie Wszechświata tuż po jego narodzinach.
Budowa materii
Atom składa się z elektronów i dodatnich obiektów (1897 - J J Thomson).
Elektrony krążą wokół dodatnio naładowanego jądra (1911).
Jądro złożone jest z protonów (1919) i neutronów (1932) …które składają się z kwarków (1964).
Kwarki i elektrony uważamy za cząstki fundamentalne.
Budowa materii - hadrony
Kwarki żyją w grupach wraz z innymi kwarkami i nigdy nie występują samotnie. Cząstki złożone z kwarków to hadrony.
LHC – program fizyczny
Podczas zderzenia protonów o wysokiej energii powstają tysiące cząstek wtórnych. Rozpadają się one na najlżejsze hadrony (kaony, piony, protony) oraz leptony (elektrony i neutrina).
Zadaniem detektorów jest zerejestrowania wszystkich cząstek końcowych, określenie ich toru, pędu oraz identyfikacja.
Zadaniem fizyków jest, na podstawie tych informacji, określić stan, który powstał z pierwotnego zderzenia protonów, czyli z miejsca naśladującego początek Wszechswiata.
Porównanie tych danych z wieloma istniejącymi teoriami, pozwoli na wybranie i weryfikację jednej z nich.
Do eksperymentu potrzeba zatem akceleratorów i detektorów.
Elementy systemu magnetycznego LHC
Nadprzewodzące magnesy dipolowe: 1232
Nadprzewodzących kwadrupolowych (ogniskujące wiązkę): 392
Pole magnetyczne przy 7TeV: 8,33 T
Masa pojedynczego magnesu dipolowego: 27 ton
Długość pojedynczego magnesu dipolowego: 15,18 m
Promień krzywizny: 2803 m
Kabel nadprzewodzący - 28 drutów o średnicy 1,065 mm
każdy taki drut zawiera 8900 drucików tytan-niob o średnicy 7 mikrometrów.
Całkowita energia pola magnetycznego w LHC wynosi 1511GJ.
Odpowiada to energii kinetycznej, jaką ma lotniskowiec 100 000 ton rozpędzony do prędkości 30 węzłów
Natomiast energia wiązki protonów - 350 MJ wystarcza to stopienia 500 kg miedzi.
Gęstość prądu w kablu cewki wewnętrznej - 1200A/mm2, zewnętrznej 1732A/mm2.
Detektory
Na LHC zainstalowanych jest sześć detektorow: ALICE, ATLAS, CMS, LHCb (w podziemnych grotach) oraz LHCf (obok ATLASA) i TOTEM (w pobliżu CMS).
Współczesne detektory cząstek elementarnych składają się z wielu elementów, które rejestrują większość produktów zderzenia (oddziaływania).
Cząstki oddziałują w różny sposób z poszczególnymi częściami detektorów.
Zadania detektorów
● zarejestrować wszystkie rodzaje cząstek,
● pokazywać trajektorię i zderzenia w 3D,
● wyznaczać masę, pęd i energię,
● precyzyjnie pokazywać miejsca produkcji i rozpadu,
● odrzucić przypadki nieciekawe,
● zapisać dane do dalszej analizy.
Zadania te mogą być realizowane przez wieloczęściowe zestawy detekcyjne (detektory wierzchołka, detektory śladowe w polu magnetycznym, kalorymetry oraz detektory mionów).