برخورد دهنده هادروني بزرگ ( LHC ) بزرگ ترين و پر انرژي ترين شتاب دهنده پيچيده ذرات در جهان است كه اين شتاب دهنده بر آن است كه پرتوهاي خلاف جهت هم پروتون با انرژي جنبشي زياد را به يكديگر برخورد دهد. هدف اصلي آن تحقيق صحت و محدوديت مدل استاندارد ، تصوير نظريه كنوني فيزيك ذرات ، است. اين نظريه وجود دارد كه برخورد دهنده حيات بوزون هاي هيگز را تائيد مي كند ، مشاهداتي كه پيش بيني و حلقه هاي گمشده ي مدل استاندارد را تائيد مي كند و مي تواند توضيح دهد كه چگونه ذرات ابتدائي مي توانند ويژگي هايي مانند جرم را حاصل كنند.
LHC توسط موسسه اوروپايي تحقيقات هسته اي ( CERN ) ساخته شد و در زير مرز فرانسه با سوئيس نزديك ژنو سوئيس قرار دارد. LHC با همكاري بيش از 8000 فيزيكدان از بيش از 85 كشور جهان مشابه صد ها دانشگاه و آزمايشگاه سرمايه گذاري و ساخته شده است. LHC در حال عمل هست و اكنون در حال آماده شدن براي برخورد مي باشد. اولين پرتو ها در 10 سپتامبر 2008 در برخورد دهنده به گردش در آمدند و اولين برخورد هاي پرانرژي براي 21 اكتبر كه LHC به طور رسمي آشكار شد ، برنامه ريزي شده است.
هر چند پرسش هاي بسياري در مورد امنيت برخورد دهنده هادروني بزرگ در رسانه ها و دادگاه ها وجود دارد ، جامعه علمي از عدم امكان تهديد توسط برخورد هاي ذره اي LHC اطمينان خاطر دارند.

 


 طراحي:
LHC بزرگ ترين و پر انرژي ترين شتاب دهنده پيچيده ذرات در جهان است. برخورد دهنده در يك تونل دايره اي شكل با محيط 27 كيلومتر و عمق بين 50 تا 175 متري زمين قرار دارد. عمق 3.8 متري در خط لوله بتوني كه در سال 1983 تا 1988 ساخته شده به عنوان مكان برخورد بزرگ الكترون-پوزيترون در نظر گرفته شده است. LHC مرز سوئيس و فرانسه را در 4 نقطه قطع مي كند ، اما اكثر آن در فرانسه قرار دارد. ساختمان روي سطح زمين تجهيزات فرعي مانند فشرده ساز ها ، تجهيزات تهويه ، الكترونيك هاي كنترل و دستگاه هاي خنك كننده را دارا مي باشد.
تونل برخورد دهنده داراي دو لوله هاي پرتوي مجاور موازي كه در چهار نقطه تقسيم مي شود و هر كدام يك پرتو پروتوني را حمل مي كنند و در دو جهت مخالف حركت مي كنند هستند. 1232 دوقطبي مغناطيسي پرتو را در مسير دايره اي خود نگه مي دارند ، در حالي كه 329 چهار قطبي معناطيسي به تمركز پرتو كمك مي كنند تا شانس برخورد بين دو ذره را در 4 نقطه اشتراكي كه پرتو ها از آن عبور خواهند كرد ، بالا ببرند. در نهايت 1600 مغناطيس ابرهادي با وزني بالغ بر 27 تن نصب شده است.نياز به تقريبا 96 تن هليوم مايع براي نگه داشتن مغناطيس ها در دماي فعاليتشان در 1.9 درجه ي كلوين LHC را به بزرگترين تجهيزات برودتي در جهان در دماي هليوم مايع ساخت.

 


يك يا دو باز در روز در حالي كه پروتون ها از 450 گيگا الكترون ولت تا 7 ترا الكترون ولت شتاب ميگرفتند ، مغناطيس دو قطبي هاي ابرهادي از 0.54 تا 8.3 تسلا افزايش مي يافت. هر پروتون 7 الكترون ولت انرژي خواهد داشت و انرژي برخورد 14 ترا الكترون ولت ( 2.2 ميكروژول ) خواهد داد. در اين انرژي پروتون ها ضريب لورنز حدود 7500 و سرعتي معادل 99.999999 % سرعت نور خواهند داشت. كمتر از 90 ميلي ثانيه طول مي كشد تا پروتون يك بار به دور حلقه مركزي بچرخد سرعتي معادل 11000 دور در ثانيه. پروتون ها سريع تر از پرتو هاي متوالي در 2808 دسته با يكديگر دسته بندي مي شوند بنابراين برخورد دو پرتو در مدت مجزا نه كمتر از 25 نانو پانيه رخ خواهد داد. هنگامي كه برخورد دهنده براي اولين بار انجام ماموريت مي كند ، با شاخه هاي كمتري عمل خواهد كرد كه مدت 75 نانو ثانيه اي خواهد داشت. شاخه ها سرانجام آنچنان زياد خواهند شد كه دسته نهايي در مدت 25 نانو ثانيه عبور خواهد كرد.
قبل از تزريق در شتاب دهنده اصلي ، ذرات در سيستم هاي متوالي كه انرژي آن ها را به طور موثري افزايش خواهد داد آماده مي شوند. اولين دستگاه شتاب دهنده ذرات طولي Linac2 است كه پروتون هاي 50 مگا الكترون ولتي كه تقويت كننده دستگاه تقويت ذرات باردار الكتروني (Proton Synchrotron Booster ) را تغذيه خواهد كرد ، توليد خواهد كرد. در آنجا پروتون ها به حد 1.4 گيگا الكترون ولتي مي رسند و به دستگاه تقويت ذرات باردار الكتروني (PS ) كه پروتون ها را به 26 الكترون ولت مي رساند تزريق خواهد شد. در انتها دستگاه فوق تقويت ذرات باردار الكتروني (SPS) براي افزايش انرژي آن ها تا 450 گيگا الكترون ولت قبل از تزريق آن در حلقه مركزي ( در دوره اي بيش از 20 دقيقه ) مورد استفاده قرار مي گيرد. در اين نقطه دسته هاي پروتوني انباشته مي شوند و به انرژي پيك خود ، 7 ترا الكترون ولت ، ( در دوره اي بيش از 20 دقيقه ) مي رسند و سرانجام براي مدت 10 تا 24 ساعت در حالي كه برخورد ها در 4 نقطه تقاطع رخ مي دهد ، ذخيره مي شوند.
LHC همچنين براي برخورد يون هاي سنگين سرب ( Pb ) با انرژي برخورد 1150 ترا الكترون ولت مورد استفاده قرار ميگيرد. يون هاي سرب ابتدا توسط شتاب دهنده خطي Linac3 شتاب داده خواهند شد و حلقه تزريقي كم انرژي براي ذخيره سازي يون ها و واحد خنك كننده مورد استفاده قرار مي گيرد. يون ها پس از آن قبل از تزريق در حلقه LHC توسط PS و SPS شتاب داده خواهند شد در حالي كه به انرژي 2.76 ترا الكترون ولتي براي هر نوكلئون خواهند رسيد.

 


 آشكار ساز ها :
6 آشكار ساز بر روي LHC بنا شد كه در غاز بزرگ زير زمين در نقاط تقاطع LHC قرار دارند. دو تا از آن ها ، آزمايش اطلس و مون سولنوئيد پيچيده ( CMS) بزرگ هستند و هدف عمومي آن ها آشكارسازي ذرات است. " آزمايش تصادم يوني بزرگ " ( ALICE) براي مطالعه خواص كوارك-گلون پلاسماي خرده برخورد هاي يون هاي سنگين طراحي شده است. سه تاي ديگر ، LHCb ، TOTEM و LHCf كوچكتر و تخصصي ترند. خلاصه ي BBC در مورد آشكار ساز ها اين گونه است :

* ATLAS- يكي از دو تايي كه به نام آشكار سار با هدف عمومي ناميده مي شوند. Atlas به دنبال نشانه هايي از فيزيك جديد شامل اساس جرم و بعد هاي ديگر ميگردد.
* CMS- آشكار ساز با هدف عمومي ديگر كه مانند ATLAS به جستجوي بوزون هاي هيگز و شواهدي بر ماده تاريك مي گردد.

* ALICE- به مطالعه فرم مايع مواد با نام كوارك-گلون پلاسما كه مدت كوتاهي بعد از انفجار بزرگ وجود داشت مي پردازد.

* LHCb- مقدار ماده و پاد ماده خلق شده در انفجار بزرگ را برابر مي گيرد. اين آشكار ساز سعي در تحقيق در مورد پادماده گم شده دارد.
* اهداف:

در اين عمليات حدود 7000 دانشمند از 80 كشور جهان به LHC دسترسي دارند. اين تئوري وجود دارد كه برخورد دهنده بوزون هيگز گريزان ، آخرين ذره مشاهده نشده پيش بيني شده توسط مدل استاندارد، را توليد خواهد كرد. تحقيق در مورد وجود بوزون هاي هيگز مي تواند مكانيزم شكست متقارن الكترون هاي كم دوام را به واسطه ي ذرات مدل استانداردي كه گفته مي شود جرم خود را توليد ميكنند ، آشكار كند.
علاوه بر بوزون هاي هيگز ، ممكن است ذرات جديدي كه توسط توسعه ممكن مدل استاندارد پيش بيني شده بود ، توليد شوند. به طور كل ، فيزيك دانان اميدوارند كه LHC مي تواند توانايي هاي آنها را در پاسخ دادن به اين سوالات بالا ببرد:
آيا مكانيزم هيگز براي توليد خرده جرم هاي ابتدائي در مدل استاندارد به درستي در طبيعت درك مي شود؟ اگر اين چنين باشد ، چه تعداد بوزون هاي هيگز در آن جا وجود دارند و جرم آن ها چقدر است؟

آيا الكترومغناطيس ، نيروي قوي هسته اي و نيروي ضعيف هسته اي وجوه متفاوتي از يك نيروي تك همان گونه كه توسط تئوري هاي يكتاي قديمي متفاوت پيش بيني شده است ، آشكار مي شوند؟

چرا جاذبه از 3 نيروي بنيادي ديگر ضعيف تر است؟

آيا ابرتقارن در طبيعت درك مي شود ؟ با اشاره به اين كه ذرات مدل استاندارد شناخته شده يك جفت ابر متقارن دارند.

آيا اندازه گيري هاي دقيق جرم و تباهي هاي كوارك ها با مدل استاندارد به طور ثابتي همچنان سازگار است؟

چرا اشتباهي آشكار در تقارن بين ماده و پاد ماده وجود دارد؟
طبيعت ماده تاريك و انرژي تاريك چيست؟

آيا بعد هاي ديگري هم همچنان كه در تئوري رشته اي با مدل هاي گوناگون پيش بيني شده ، وجود دارد و آيا مي توانيم آن ها را ببينيم؟

در ميان اكتشافاتي كه LHC ممكن است انجام دهد ، تنها اكتشاف ذرات هيگز بحث برانگيز نيست اما اين اكتشاف به طور قطع ، پيش بيني نشده است. استفان هاوكينگ در مصاحبه ي BBC گفت :" به نظر من اين هيجان انگيز تر است كه ما هيگز ها را پيدا نكنيم. اين نشان ميدهد كه چيزي اشتباه است و ما نياز به تفكر دوباره داريم. من صد دلار شرط بسته ام كه ما هيگز ها را پيدا نمي كنيم. " در مصاحبه اي اين چنيني هاوكينگ امكان اكتشاف ابر جفت ها را تذكر داد :" هر چه كه LHC كشف كند يا كشف نكند ، نتايج مي تواند چيزهاي زيادي را در مورد ساختار جهان به ما بگويد."
 

 به عنوان برخورد كننده يوني:
برنامه فيزيكي LHC بر اساس برخورد پروتون-پروتون استوار شده است. هرچند ، دوره هاي در حال اجراي كوتاه تر ، اساسا يك ماه در سال ، با برخورد هاي يون هاي سنگين در اين برنامه گنجانده شده است. در حالي كه يون هاي سبك تر هم در نظر گرفته شده است ، برنامه اصلي با يون هاي سرب سر و كار دارد. اين مي تواند پيشرفتي براي برنامه تجربي كه اكنون در برخورد كننده ي يوني نسبتا سنگين ( RHIC ) در حال اجراست ، باشد. هدف برنامه يون سنگين ايجاد پنجره اي جديد در درك ماده اي با نام كوارك-گلون پلاسما كه در مراحل ابتدائي جهان شكل گرفت ، هست.
 

 آزمايش هاي زمانبدي شده:
سپتامبر 2008 : اولين پرتو در برخورد دهنده در صبح 10 سپتامبر 2008 به گردش در آمد. CERN پروتون ها را به طور موفقيت آميزي به طور مرحله اي به درون تونل به حركت درآورد ، 3 كيلومتر در يك زمان. ذرات در جهت ساعتگرد به درون شتاب دهنده فرستاده شدند و در ساعت 10:28 زمان محلي به طور موفقيت آميز به دور آن رانده شدند. LHC اولين تست بزرگ خود را با موفقيت پشت سر گذاشت: پس از اينكه تعداد زيادي آزمايش انجام شد ، دو نقطه سفيد بر روي سفحه نمايش ظاهر شد كه نشان ميداد پروتون ها تمام طول برخورد دهنده را طي كردند. هدايت جريان ذرات به دور مدار اوليه كمتر از يك ساعت طول كشيد موفقيت بعدي CERN فرستادن پرتويي از پروتون ها در خلاف جهت عقربه هاي ساعت در ساعت 14:59 بود.
اكتبر 2008 : اولين برخورد هاي پرانرژي براي 21 اكتبر كه LHC به طور رسمي آشكار شد ، برنامه ريزي شده است.

 پيشنهاد بهبودبخشي:
بعد از گذشت چندين سال از آغاز به كار، كم اهميت تر شدن آزمايشات مجدد در هر نوعي از آزمايش فيزيك ذرات باعث نابه ساماني آزمايشات فيزيك ذرات گرديد. هر سال كه از عملكرد آن ميگذرد، به كشفيات كمتري نسبت به سال قبل از آن دست مي يابد. راهي كه براي بهبود بخشي نابه ساماني هاي آزمايشات مجدد وجود دارد اين است كه آزمايش را يا از طريق تقويت انرژي و يا از طريق تقويت تابش، بهبود بخشيم.. ترفيع درخشش LHC كه با نام ابر LHC شناخته مي شود براي ساخته شدن در 10 سال بعد از عمليات LHC پيشنهاد داده شد. راه مطلوب درخشش ترفيع LHC در افزايش پرتوي كنوني ( يعني افزايش پروتون هاي پرتو ) و اصلاح دو ناحيه پر درخشش برخورد ، ATLAS و CMS ، است. براي بدست آوردن اين پيشرفت ها ، انرژي پرتو در نقطه اي كه آن ها به ابر LHC تزريق مي شوند بايد تا 1 تراالكترون ولت افزايش يابد. اين عمل به بهبود بخشي سيستم قبل تزريق نياز دارد كه هزينه هاي تغييرات مورد نياز در دستگاه فوق تقويت ذرات باردار الكتروني بسيار سنگين تمام خواهد شد.

 هزينه ها :
هزينه ي كلي اين طرح در حدود 3.2 تا 4.4 بيليون يورو پيش بيني شده بود. ساخت LHC در سال 1995 با هزينه ي 2.6 بيليون فرانك سوئيس به علاوه 210 ميليون فرانك بابت هزينه تحقيقات تصويب شد. هرچند ، هزينه ها از حد گذشت. در تجديد دوباره در 2001 تا 480 ميليون فرانك براي شتاب دهنده و 50 ميليون فرانك براي تحقيقات تخمين زده شد در حالي كه بودجه CERN كم شد و اتمام كار به جاي سال 2005 در آوريل سال 2007 صورت گرفت. مغناطيس ابرهادي براي 180 ميليون فرانك افزايش قيمت مسئول بود. همچنين در آن وقتي كه غار زيرزميني را براي سولنويد مون فشرده مي ساختند ، در قسمت هاي ناقصي كه توسط آزمايشگاه هاي مشخص ملي آرگون و فرميلاب به CERN قرض داده شده بود ، با سختي هاي مهندسي روبه رو مي شدند. ديويد كينگ ، افسر علمي رئيس سابق اتحاديه كينگ دام ، LHC را براي تخصيص اولويت بالاتري به سرمايه در برابر مشكلات عمده ي زمين تغييرات دمايي قانون مند اما همچنان رشد جمعيت و فقر در آمريكا انتقاد كرد.
 

 منابع محاسبه :
شبكه محاسباتي LHC براي نگه داشتن مقادير زيادي داده توليد شده توسط برخورد دهنده بزرگ هادروني ، ساخته شده است. اين شبكه از لينك كابل نوري فيبري خصوصي و بخش پرسرعت موجود در ابنترنت عمومي با هم متحد شد كه امكان انتقال داده ها از CERN به موسسات آكادميك سراسر جهان را فراهم مي آورد.
اين طرح محاسباتي پخش شده براي حمايت ساخت و اندازه گيري LHC آغاز شد. اين طرح از پايگاه BONIC براي اندازه گيري چگونگي حركت ذرات در تونل ، استفاده ميكند. با اين اطلاعات ، دانشمندان قادر خواهند شد تا اندازه مغناطيس مورد نياز براي بدست آوردن " مداري " پويا از پرتو درون حلقه را اندازه گيري كنند.
 

 امنيت برخورد ذره ها :

هرچند كه برخي افراد و دانشمندان در مورد امنيت آزمايش برنامه ريزي شده در رسانه ها و دادگاه ها سوال مي كنند ، جامعه ي علمي بر نبود پايه اي براي هرگونه تهديد ممكن در برخورد ذره اي LHC توافق دارند.
 

 امنيت عمليات :

اندازه LHC بر اساس يك رقابت مهندسي خاص با موضوع عملياتي واحد در مورد انرژي زياد ذخيره شده در ميدان مغناطيسي و پرتو ها ، شكل گرفت. در هنگام انجام عمليات ، انرژي كل ذخيره شده در ميدان مغناطيسي به 10 گيگا ژول ( معادل 2.4 تن TNT ) و انرژي كل حمل شده بر دو پرتو به 724 مگا ژول رسيد.
از دست دادن ده ميليونيم ((10−7 پرتو براي خاموش كردن مغناطيس ابرهادي كاي است. در حالي كه پرتو زائد بايد انرژي معادل بمب هوا-زمين را به خود جذب كند.اگر به اين بينديشيم كه چه ماده ي كوچكي اين انرژي هاي بي اندازه را حمل مي كند ، بسيار تاثيرگذار است : در وضعيت هاي عملياتي بسيار جزئي ( 2808 دسته براي هر پرتو و 1.151011 پروتون در هر دسته ) لوله هاي پرتو 1.010-9 گرم هيدرژن دريافت مي كنند كه در وضعيت استاندارد از نظر دما و فشار مي تواند حجمي معادل دانه اي ماسه داشته باشد.
 

 تصادفات ساختاري و عقب افتادگي ها :

در 25 اكتبر 2005 يك تكنيسين زماني كه بار جرثقيل تصادفا بر روي او افتاد ، در تونل LHC جان باخت.در 27 مارس 2007 يك پشتيبان مغناطيس برودتي در حين آزمايش فشار كه با گروه مغناطيسي سه گانه ( تمركز چهارقطبي) دروني LHC توليد شده توسط فرميلاي و كك ( KEK) درگير بود ، شكست. هيچ كسي زخمي نشد.مدير فرميلاب ، پير اودون ، اظهار داشت :" در اين موقعيت ما به خاطر از دست دادن توازن بسيار ساده نيروها ، متحر شديم." اين خطا در طراحي اصلي ظاهر شد و در چهار دوره مهندسي در اين سال ها باقي ماند. تجزيه نشان داد كه طراحي آن - كه تا آنجا كه ممكن بود براي نصب بهتر نازك طراحي شده بود به اندازه اي كه در برابر نيروهاي تجمع يافته در آزمايش فشار مقاومت كند ، نبود. جزئياتي كه CERN با آن موافق بود ، در اعلاميه اي از فرميلاب درج شده است. پس از تعمير و تقويت دوباره هشت گروه يكسان استفاده شده توسط LHC زمان آغازكار به تاخير افتاد و براي هفته ها بعد در نوامبر 2007 برنامه ريزي شد.