J.Tuominiemi / 28.12.2011 LHC kokeet v. 2011 CERNin LHC törmäytin oli talviseisokissa 6.12.2010 lähtien aina helmikuuhun 2011. Laitteistoa huollettiin ja tehtiin parannustöitä. Samoin LHC koeasemia huollettiin ja niiden toimintaa varmisteltiin. Törmäytintä alettiin käynnistää helmikuun 19. päivänä. Suihkuputki suljettiin 17.3. ja ensimmäiset törmäykset saatiin maaliskuun lopulla. Suihkuputken tyhjiön parantamiseen tähtäävien toimenpiteiden jälkeen LHC oli valmiina kokeita varten huhtikuun puolivälissä. Vuoden 2010 ajot olivat jo osoittaneet, että LHC toimii kiihdyttimenä hyvin tarkasti kuten se on suunniteltu. Lisäksi esikiihdyttimien suorituskyky on osoittautunut odotettua paremmaksi. Keväällä käynnistämisen jälkeen esitetyissä raporteissaan LHC fyysikot saattoivatkin riemuita: We have a beautiful machine in our hands! ( Meillä on käsissämme hieno laite! ). Näistä lähtökohdista voitiin vuodelle 2011 asettaa kunnianhimoisia tavoitteita. Suihkujen energia päätettiin kuitenkin rajoittaa vielä 3,5 TeV:hen, siis puoleen täydestä, sillä magneetteja yhdistävien suprajohdeliitosten kestävyydestä suuremmilla virroilla ei ole varmuutta. Kokeiden kannalta tärkeä parametri törmäysenergian lisäksi on törmäyttimen luminositeetti, joka määrää kuinka monta tiettyä törmäysreaktiota syntyy aikayksikössä. Luminositeetin taas määräävät protonisuihkujen ominaisuudet. Protonit kiertävät LHC:ssa noin 7 cm:n pituisina ja alle 0,05 mm:n paksuisina perättäisinä rihmoina. Suihkun epäjatkuvuus johtuu kiihdytinelementtien sähkökentän harmonisesta heilahtelusta. Luminositeetin määräävät yhdessä rihmassa olevien protonien lukumäärä (n p ), suihkujen törmäyksien poikkipintaala (jonka määrää suihkujen efektiivinen paksuus, ) ja rihmojen määrä per LHC:n ympärysmitta (n b ) Näiden parametrien tavoitearvot suihkujen maksimienergialla (7 TeV) ovat n p = 1,15x 10 11, = 16 m, n b = 2808. Tällöin protonirihmat kulkevat 7,5 metrin (25 ns:n) päässä toisistaan. Luminositeetin suuruus olisi n. 10 34 cm 2 s 1. Vuonna 2011 ajettiin kuitenkin vielä 3,5 TeV:n suihkuenergioilla ja 50 ns:n aikavälillä. Kokeet aloitettiin syöttämällä esikiihdytimistä LHC:hen 300 rihmaa kumpaankin suihkuun 50 ns:n välein. Rihmoihin saatiin ilman vaikeuksia pakattua suunniteltu määrä protoneja. Tavoitteena oli lisätä rihmojen määrää vaiheittain aina 900 rihmaan asti kesäkuuhun mennessä. Tämä saavutettiinkin 21.5. Elokuun loppuun mennessä oli käytössä jo 1380 rihmaa, joka on suurin mahdollinen määrä 50 ns:n aikavälillä. Tällöin saavutettu hetkellinen luminositeetti oli jo 3,5x10 33 cm 2 s 1. Kokeissa kerättävä törmäyksien määrä aikayksikössä on siis suoraan verrannollinen luminositeettiin ja ajan yli integroitu luminositeetti määrää törmäyksien kokonaismäärän. Vuoden alussa asetettiin tavoitteeksi kokonaisluminositeetti 1 fb 1. LHC saatiin kuitenkin toimimaan laskettua tehokkaammin ja kaiken kaikkiaan dataa (protoni protoni törmäyksiä) kerättiin
viisinkertainen määrä. Tämä oli iloinen yllätys ATLAS ja CMS kokeille ja herätteli suuria toiveita uusille löydöille. LHC kokeet aloitettiin kaikilla neljällä koeasemalla huhtikuun puolivälissä. Myös niitä seurasi menestys koko vuoden ajan. Koelaitteet toimivat hämmästyttävän hyvin, ja esimerkiksi CMS pystyi ottamaan talteen yli 90% LHC:n tuottamista törmäyksistä. Kerätyn datan analyysiä tehtiin koko vuoden ajan reaaliajassa. Tutkimuskohteet olivat lukuisia ja jo keväällä LHC:n tuottama tieteellinen tulos ylitti Fermin laboratorion Tevatron kokeitten saavutukset. Vuoden aikana LHCkollaboraatiot julkaisivat lähes 200 tieteellistä julkaisua alan lehdissä. Nämä koskivat ensin Standardimallin ennusteiden verifiointia mutta myös uusien hiukkasten etsintää. Tärkeimmät tutkimusaiheet olivat Higgsin hiukkasten ja supersymmetristen hiukkasten etsintä (kts. oheinen artikkeli Higgsin fysiikasta). Lisäksi etsittiin eksoottisempia ilmiöitä, joita teoreetikot ovat ennustaneet LHCkokeissa syntyvän. Mitään näistä ei v. 2011 tutkimusaineiston avulla löydetty. Tämä ei ole kuitenkaan yllättävää, sillä kaikki etsityt ilmiöt ovat hyvin harvinaisia ja niiden havaitseminen ei vielä ollut tilastollisesti todennäköistä. Standardimallin ennustaman Higgsin hiukkasen etsinnässä päästiin kuitenkin jo pitkälle siinä mielessä, että hiukkasen mahdollinen massa saatiin rajoitettua 114 ja 128 GeV/c 2 :n välille. Tulokset herättivät luonnollisesti runsaasti mielenkiintoa tiedemaailmassa ja tiedotusvälineissä. ATLAS ja CMS kokeiden Higgsin hiukkasia koskevat tutkimustulokset julkaistiin CERNissä joulukuun 13. päivänä. Katsaus CMS kokeen tuloksiin löytyy osoitteesta http://cms.web.cern.ch/news/cms search standard model higgs boson lhcdata 2010 and 2011, myös suomenkielellä. CERNin lehdistötiedote aiheesta löytyy osoitteesta http://press.web.cern.ch/press/pressreleases/releases2011/pr25.11e.html. Marraskuussa 2011 LHC viritettiin kiihdyttämään ja törmäyttämään lyijy ytimiä. Näitä törmäyksiä rekisteröitiin ATLAS, CMS ja ALICE kokeissa. Myös tämä tutkimusohjelma toteutettiin menestyksellisesti, vieläpä odotettua paremmin. Kokeissa tutkitaan erittäin suuren energiatiheyden ilmiöitä ja testataan Standardimallin ennusteita niille. Tällä tavalla saadaan tietoa prosesseista, joita on voinut tapahtua maailmankaikkeuden aivan ensimmäisinä alkuhetkinä ja verrata niitä Big Bang teorian ennusteisiin (kts. http://www.newscientist.com/article/dn21111 lhc to probe earlyuniverse in best detail yet.html ). LHC:n tutkimusohjelma 2011 päättyi joulukuun alussa ja törmäyttimellä sekä koeasemilla aloitettiin huoltotauko, joka kestää v. 2012 helmikuun loppuun. Suunnitelmat vuodelle 2012 ovat edelleen kunnianhimoiset. LHC:n hetkellistä luminositeettia pyritään vielä nostamaan ja kerättäväksi arvioitu kokonaisluminositeetti tulee olemaan sitä luokkaa, että Standardimallin Higgsin hiukkasen olemassaolo voidaan joko varmistaa tai sulkea pois. Tulee olemaan jännittävää nähdä, alkavatko v. 2011 aineistostosta mitatuissa massajakautumissa näkyvät pienet rakenteet tasoittua pois tilastollisina heilahteluina tutkimusaineiston kasvaessa vai paljastaako tilastollisesti merkittävämpi tutkimusaineisto jakautumissa todisteita Higgsin hiukkasten olemassaololle.
Harkittavana on myös suihkujen energian nosto 4 TeV:hen. LHC:n ollessa käynnissä v. 2011 on tehty mittauksia suprajohtavien dipolimagneettien liitosten käyttäytymisestä ja näyttää siltä, että energiaa voidaan nostaa turvallisesti vielä jonkin verran ennen liitosten vaihtamista. Suurempi törmäysenergia kasvattaa tutkittavien ilmiöiden tapahtumistodennäköisyyttä ja lisää siten mahdollisuuksia uusien ilmiöiden havaitsemiseen kokeissa. Pidemmällä aikatähtäimellä LHC:lla aloitetaan vuoden 2013 alusta yli vuoden kestävä korjaustauko, jolloin suprajohtavien magneettien väliset liitokset rakennetaan uudelleen varmempaa teknologiaa käyttäen. LHC:n suihkujen energia nostetaan sen jälkeen tavoitearvoon 7 TeV. Tällöin uusien ilmiöiden havaitsemismahdollisuudet paranevat merkittävästi, kun niiden tapahtumistodennäköisyydet kasvavat energian myötä. Kokeita jatketaan nykysuunnitelmien mukaan 2014 2016, minkä jälkeen seuraa taas pidempi seisokki, jonka aikana koeasemiin tehdään suurehkoja parannuksia. Fysiikan tutkimuslaitos on mukana näitten parannustöiden suunnittelussa ja rakentamisessa. Lyhenteet: TeV = teraelektronivoltti = 10 12 ev = 1,6x10 7 Joulea. GeV = gigaelektronivoltti = 10 9 ev,. Suhteellisuusteoriassa massa ja energia ovat ekvivalentteja ja massan yksikkönä voidaan käyttää esim. GeV/c 2. :tä.. ns = nanosekunti = 10 9 s fb = femtobarn = 10 15 barn = 10 39 cm 2 (barn on törmäysreaktioiden todennäköisyyttä kuvaava suureen, vaikutusalan, yksikkö, jolla on pinta alan laatu)
Kuva 1. LHC kokeiden vuoden 2011 kuluessa keräämä protoni protonitörmäysten kokonaisluminositeetti ajan funktiona. Kokonaisuudessaan 5 fb 1 vastaa n. 5x10 14 protonitörmäystä. Näistä kuitenkin vain joka kymmenesmiljoonas on ns. liipaisuvalinnan avulla rekisteröity tietokoneille myöhempää fysiikan analyysiä varten.
Kuva 2. Tietokoneilla CMS koeaseman antamasta datasta rekonstruoitu kuva protoni protoni törmäyksestä, jossa on syntynyt neljä suurenergistä myonia. Niiden radat on rekonstruoitu CMS;n ratailmaisimen ja myonikammioiden antaman datan perusteella, punaiset viivat kuvaavat myonien ratoja. Keltaiset käyrät ovat ratailmaisimessa rekonstruoitujen hadronien ratoja. Higgsin bosonien hajotessa kahteen Z bosoniin, jotka edelleen hajoavat myoneiksi, saadaan kuvan kaltainen rekonstruktio. Samanlaisia kuvia saadaan kuitenkin myös standardimallin mukaisista reaktioista, jossa ei ole syntynyt Higgsin bosonia ja kokeiden tässä vaiheessa ei vielä voida sanoa kummasta on kysymys.
Kuva 3. LHC törmäyttimen vuoden 2011 aikana keräämä lyijy lyijy törmäysten kokonaisluminositeetti ajan funktiona. Raskasioni kokeissa LHC:n luminositeetti on huomattavasti pienempi kuin pp kokeissa. Kuva 4. Ennuste v. 2012 kerättävälle protoni protoni kokeiden kokonaisluminositeetille, jos käytetään 50 ns:n aikaväliä. Kerätty aineisto olisi lähes nelinkertainen nykyiseen verrattuna. Myös suunnitelmien mukaista 25 ns:n aikavälin käyttöä harkitaan.