Suuri hadronitörmäytin

Suuri hadronitörmäytin (LHC), maailman tehokkain hiukkaskiihdytin. LHC:n rakensi Euroopan ydintutkimusjärjestö CERN (European Organization for Nuclear Research) samaan 27 kilometrin (17 mailin) pituiseen tunneliin, jossa sijaitsi sen suuri elektronipositronitörmäytin LEP (Large Electron-Positron Collider). Tunneli on pyöreä, ja se sijaitsee 50-175 metrin syvyydessä Ranskan ja Sveitsin rajalla. LHC suoritti ensimmäisen koekäytön 10. syyskuuta 2008. Jäähdytysjärjestelmän sähköongelma 18. syyskuuta johti noin 100 °C:n (180 °F) lämpötilan nousuun magneeteissa, joiden on tarkoitus toimia lähellä absoluuttista nollaa (-273,15 °C). Varhaiset arviot siitä, että LHC saataisiin nopeasti korjattua, osoittautuivat pian liian optimistisiksi. Se käynnistyi uudelleen 20. marraskuuta 2009. Pian sen jälkeen, 30. marraskuuta, se syrjäytti Fermin kansallisen kiihdytinlaboratorion Tevatronin tehokkaimpana hiukkaskiihdyttimenä, kun se kiihdytti protonit 1,18 teraelektronivoltin (TeV; 1 × 1012 elektronivoltin) energiaan. Maaliskuussa 2010 CERNin tutkijat ilmoittivat, että LHC:n suprajohtavan langan suunnitteluun liittyvä ongelma edellyttää, että törmäytin toimii vain puolienergialla (7 TeV). LHC suljettiin helmikuussa 2013 ongelman korjaamiseksi, ja se käynnistettiin uudelleen huhtikuussa 2015 täydellä 13 TeV:n energialla. Toinen pitkä seisokki, jonka aikana LHC:n laitteita päivitettäisiin, alkoi joulukuussa 2018, ja sen on määrä päättyä vuoden 2021 lopulla tai vuoden 2022 alussa.

LHC:n sydän on LEP-tunnelin kehän läpi kulkeva rengas; rengas on halkaisijaltaan vain muutaman senttimetrin kokoinen, se on evakuoitu syvää avaruustilaa paremmin ja se on jäähdytetty kahden asteen tarkkuudella absoluuttisesta nollasta. Tässä renkaassa kaksi vastakkain pyörivää raskaiden ionien tai protonien sädettä kiihdytetään nopeuteen, joka on alle miljoonasosa valon nopeudesta. (Protonit kuuluvat raskaiden subatomisten hiukkasten ryhmään, joka tunnetaan nimellä hadronit, mikä selittää tämän hiukkaskiihdyttimen nimen.) Kehän neljässä pisteessä säteet voivat risteillä, ja pieni osa hiukkasista törmää toisiinsa. Maksimiteholla protonien yhteentörmäykset tapahtuvat jopa 13 TeV:n yhdistetyllä energialla, joka on noin seitsemän kertaa suurempi kuin aiemmin on saavutettu. Jokaisessa törmäyspisteessä on valtavia, kymmeniä tuhansia tonneja painavia magneetteja ja detektoripankkeja, jotka keräävät törmäyksissä syntyvät hiukkaset.

Hankkeen toteuttamiseen kului neljännesvuosisata; suunnittelu alkoi vuonna 1984, ja lopullinen lupa annettiin vuonna 1994. LHC:n suunnitteluun, toteutukseen ja rakentamiseen osallistui tuhansia tiedemiehiä ja insinöörejä kymmenistä maista, ja materiaalien ja työvoiman kustannukset olivat lähes 5 miljardia dollaria; tähän eivät sisälly kokeiden ja tietokoneiden käyttökustannukset.

Yksi LHC-projektin tavoitteeksi on asetettu aineen perusrakenteen ymmärtäminen luomalla uudelleen äärimmäiset olosuhteet, jotka vallitsivat maailmankaikkeuden alkuhetkillä alkuräjähdysmallin mukaan. Fyysikot ovat vuosikymmeniä käyttäneet niin sanottua standardimallia perushiukkasista, joka on toiminut hyvin mutta jossa on heikkouksia. Ensinnäkin ja tärkeimpänä se ei selitä, miksi joillakin hiukkasilla on massaa. Brittiläinen fyysikko Peter Higgs esitti 1960-luvulla ajatuksen hiukkasesta, joka on ollut vuorovaikutuksessa muiden hiukkasten kanssa aikojen alussa ja antanut niille niiden massan. Higgsin bosonia ei ollut koskaan havaittu – sen pitäisi syntyä vain törmäyksissä sellaisella energia-alueella, joka ei ollut kokeiden käytettävissä ennen LHC:tä. Havainnoituaan vuoden ajan törmäyksiä LHC:ssä tutkijat ilmoittivat vuonna 2012, että he olivat havainneet mielenkiintoisen signaalin, joka oli todennäköisesti peräisin Higgsin bosonista, jonka massa oli noin 126 gigaelektronivolttia (miljardi elektronivolttia). Lisätiedot vahvistavat lopullisesti, että nämä havainnot ovat Higgsin bosonin signaalia. Toiseksi standardimalli edellyttää joitakin mielivaltaisia oletuksia, jotka jotkut fyysikot ovat ehdottaneet ratkaistaviksi esittämällä uuden luokan supersymmetrisiä hiukkasia; näitä voitaisiin tuottaa LHC:n äärimmäisillä energioilla. Lopuksi hiukkasten ja niiden antihiukkasten välisten epäsymmetrioiden tutkiminen voi antaa johtolangan toiseen mysteeriin: aineen ja antiaineen epätasapainoon maailmankaikkeudessa.