LHC

Shematisks LHC attēlojums; Avots: CERN

Viens veids kā atrast atbildes uz fundamentāliem jautājumiem par mūsu Visuma uzbūvi, ir pētīt Standarta modeli veidojošo elementārdaļiņu īpašības. Diemžēl, prakstiski viss, ko sastopam savā makroskopiskajā ikdienā ir veidots tikai no četrām elementārdaļiņām, up un down kvarkiem, elektrona un fotona. Tā tas ir tādēļ, ka makroskopiskā pasaule eksistē relatīvi zemā enerģijas režīmā. Pēdējais brīdis, kad apstākļi Visumā bija tādi, lai ļautu brīvi eksistēt citām elementārdaļiņām bija vien mikrosekunti pēc Lielā Sprādziena, jeb mūsu Visuma dzimšanas brīža pirms gandrīz 14 miljardiem gadu. Tāpat diemžēl, ielūkoties tik tālā pagātne veicot kosmoloģiskos izmeklējumus nav iespējams, tāpēc, lai izpētītu Visuma īpašības, kādas tās bija tobrīd, mums nepieciešams radīt pašiem savus miniatūrus «Lielos Sprādzienus». To ir iespējams izdarīt izmantojot daļiņu paātrinātājus, jeb sadūrējus, milzīgas ierīces, kas paātrina daļiņu starus līdz gandrīz gaismas ātrumam un ļauj tiem sadurties iepriekš noteiktos punktos. Šādas sadursmes, kur milzīgs enerģijas daudzums tiek «saspiests» mikroskopiskos tilpumos momentāri rada tādus apstākļus, kādi tie bija vien mirkli pēc Visuma rašanās brīža. Lielākais un spēcīgākais daļiņu paātrinātājs, kādu zinātne ir radījusi līdz šim ir Lielais Hadronu Paātrinātājs (LHC).

LHC ir 27 kilometrus garš riņķveida paātrinātājs, kas atrodas aptuveni 100 metrus zem zemes uz Francijas-Šveices robežas, netālu no Ženēvas, Šveicē. Tas ir Eiropas Kodolpētniecības Organizācijas (CERN) eksperimentālais flagmanis. LHC paātrina protonus līdz 99.99999% no gaismas ātruma un liek tiem sadurties. Katrs no pretēji rotējošajiem daļiņu stariem satur aptuveni 3000 protonu kūļus, kas katrs satur aptuveni 100 triljonus protonu. Šie kūļi riņķo vien 25 nanosekundes viens aiz otra, kas nozīmē, LHC esot piepildītam līdz maksimumam, tas spēj eksperimentiem piegādāt 40 miljonus protonu kūļi sadursmju katru sekundi. LHC spējī radīt sadursmju enerģijas līdz 14 TeV. Tas ir ne tikai lielākais un spēcīgākais daļiņu paātrinātājs, kas jebkad radīts, bet arī vislielākā cilvēka veidotā iekārta pasaulē.

LHC satur četrus primāros eksperimentus, ALICE, ATLAS, CMS un LHCb, Šie eksperimenti ir grandiozas iekārtas, kas katra aptver daļiņu sadursmes punktu, kas ar ārkārtīgi sarežģītām kamerām, kas katrā kadrā fiksē dažādu daļiņu rašanās un sabrukšanas procesus. Šiem četriem eksperimentiem ir atšķirīgi pamatmērķi. ALICE primāri ir smago jonu sadursjmu eksperiments un tiecās noteikt karstas nukleārās plūsmas īpašības. LHCb ir eksperiments, kas primāri nodarbojās ar neatkārtojamu b un c kvarkus saturošu daļiņu izpēti, lai izpētītu matērijas un anti-matērijas asimetrijas izcelsmi. ATLAS un CMS ir divi, tā saucamie, vispārējās pētniecības detektori (GPD) un to fizikas izpētes programmas ir ļoti plašas. Viens no svarīgajiem virzieniem ir precīzi SM mērījumi ar mērķi atrast šī modeļa nepilnības. Cits virziens iekļauj tā saucamās ārpus Standarta modeļa. CMS piedalās arī vairākas Baltijas pētnieku grupas no CERN Baltijas grupas institūtiem, tai skaitā RTU zinātnieki.

CMS eksperiments ir vispārējās pētniecības detektors (GPD), kas atrodas aptuveni 100 metrus zem nelielas pilsētas ar nosaukumu Cessy, Francijā. CMS ir 21 metru garš un 15 metrus augsts cillindrisks detektors. Interesanti, ka CMS, lai arī aizņem vien sesto daļu no tilpuma, ko aizņem tā «lielais brālis» ATLAS, sver divtik vairāk, aptuveni 14’000 tonnas. Tas ir tādēļ, ka tā vietā, lai, līdzīgi kā ATLAS, sadursmēs radīto daļiņu palēnināšanai izmantotu atmosfēru, CMS izmanto daudz blīvāku materiālu - dzelzi. CMS ir hermētisks detektors, kas nozīmē, ka tas pilnībā ieskauj daļiņu sadursmes punktu.

CMS ir cillindriska sīpolam līdzīga struktūra, kur katrs detektora slānis ir stratēģiski pozicionēts, lai identificētu konkrētas elementārdaļiņas. Staram vistuvākais apakšdetektors ir trekeris, silīcija pikseļu un slokšņu detektors. Kā trekerim, šī detektora galvenais uzdevums ir reģistrēt precīzas koordinātes, kur lādētas daļīņas, kas nāk no sadursmes, ir to šķērsojušas. Šīs koordinātes tad tiek izmantotas kā punkti, kurus savienojot detektora programmatūra pārveido par daļiņu ceļiem, kurus tā ekstrapolē atpakaļ līdz sadursmes punktam, jeb primārajai virsotnei. Pēc trekera nāk elektromagnētiskais un hadronu kalorimetri, jeb ECAL un HCAL. Šīs ierīces kalpo, galvenokārt, kā daļiņas apturoša materiāla kopumi. Pilnībā apturēta daļiņa kalorimetrā atstāju visu savu enerģiju, kuru integrējot var noteikt to, cik enerģētiska šī daķliņa ir bijusi. ECAL un HCAL izmanto atšķirīgus materiāluso. ECAL izmanto svina wolframa-oksīda kristālus, kas, galvenokārt, aptur un identificē elektronus un protonus, kamēr HCAL izmanto vara un plastmasas scintilatora plākšņu slāņus, kuri aptur un identificē gandrīz visas citas daļiņas. Tālāk seko supervadošs solenoīda magnēts, kas viscaur CMS nodrošina aptuveni 4 T spēcīgu magnētisko lauku. Šis lauks ir nepieciešams, lai liektu lādētu daļiņu ceļu tām virzoties cauri detektoram. Šo liekto ceļu radiusu, kombinējot ar kopējo izmērīto daļiņas enerģiju izmanto, lai precīzi noteiktu šīs daļiņas masu, kas savukārt ļauj droši noteikt tieši kas šī daļiņa ir. Lai nodrošinātu nepieciešamo magnētisko lauku, viss magnēts tiek atdzesēts līdz 4.5 K un tajā plūst 18’000 A liels strāvas apjoms. Visbeidzot, detektora ārējo slāni veido muonu kambari. Muoni ir tā saucamās minimāli-mijiedarbojošās daļiņas. Vienkāŗši sakot, šīs daļiņas ar detektora materiālu mijiedarbojas daudz negribīgāk, kā, piemēram, elektroni. Tas, savukārt, nozīmē, ka muoni gandrīz vienmēr atrod ceļu cauri visiem CMS apakšdetektoriem. Tādējādi, atstājot pēdas par savu klātbūtni muonu kambaros, tie ir ārkārtīgi precīzi identificējami. Šis aspekts ir ļoti svarīgs CMS eksperimentam, jo muoni ar augstu impulsu bieži norāda uz to, ka attiecīgā daļiņu sadursme ir bijusi, interesanta no fizikas analīzes viedokļa.

Kā jau norāda apzīmējums – vispārējās pētniecības detektors (GPD), CMS fizikas pētniecības lauks ir ļoti plašs. Tā primārais un vissvarīgākais mērķis bija slavenā Higsa bozona atklāšana. Pēc Top kvarka atklājuma Fermilab, ASV, Higsa bozons bija pēdējā postulētā, bet līdz tam neatklātā SM sastāvdaļa. Tas, mainījās 2012. gada 4. jūlijā, kad ATLAS un CMS eksperimenta zinātnieki kopīgi paziņoja par šī bozona atradumu. 2013. gadā par šo atklājumu zinātniekiem Pīteram Higsam un Fransuā Englēram tika pieškirta Nobela prēmija fizikā.

Neskatoties uz to, ka Higsa bozona atklājums nozīmēja SM pabeigšanu, CMS fizikas programma ar to nebūt nebeidzas, jo, kā jau zināms, SM pati par sevi ir nepilnīga teorija, kas nespēj pilnībā izskaidrot un aprakstīt mūsu pasauli. Daudz interesanti un aktuāli jautājumi joprojām ir atvērti un atbildes uz tiem joprojām tiek meklētas izmantojot LHC eksperimentus. Šie meklējumi ietver arī Top kvarka pētījumus, kuros piedalās arī RTU pētnieku grupa.

CERN paātrinātāju komplekss; Avots: CERN	LHC dipola magnēta šķērsgriezums; Avots: CERN