pienoiskuva|Tunneli, jossa LHC-kiihdytin sijaitsee. Large Hadron Collider eli LHC () on Sveitsin ja Ranskan rajalla CERN:in tutkimuskeskuksessa sijaitseva maailman suurin hiukkaskiihdytin ja hadronien törmäytin.
CERNin hallinnoima laite käynnistettiin ensimmäisen kerran 10. syyskuuta 2008. 19. syyskuuta 2008 sattuneen vian vuoksi jouduttiin pitämään kahden kuukauden korjaustauko eikä ensimmäisiä törmäytyksiä päästy tekemään suunnitellusti lokakuussa. Ensimmäiset protonitörmäytykset suoritettiin lopulta 23. marraskuuta 2009.
Koelaitteisto rakennettiin samaan 27 kilometrin mittaiseen tunneliin sadan metrin syvyyteen, jossa aikaisemmin oli LEP-törmäytin (Large Electron Positron). Toisin kuin LEP-törmäytin, jossa törmäytettiin elektroneja ja positroneja, LHC törmäyttää hadroneita, pääasiassa protoneita. Suunniteltu maksimi liike-energiaa kullakin protonilla on 7 TeV eli yhteensä kahden protonin törmäyksen energia on 14 TeV. LHC:tä voidaan käyttää myös raskaiden ionien kuten lyijyn törmäyttämiseen. Törmäysenergia on tällöin 1 150 TeV.
LHC:llä on tarkoitus selvittää aineen rakenteen peruskysymyksiä, kuten mikä on kaiken aineen alkuperä ja kuinka maailmankaikkeus syntyi. Tutkijat odottavat kokeelta paljon. Sitä on rakennettu ja valmisteltu 20 vuotta. Eräs selvistä päätavoitteista oli muun muassa alkeishiukkasten massan selittävän Higgsin bosonin löytäminen. Maaliskuussa 2013 CERN vahvisti Higgsin bosonin löytymisen.
Historia
Suunnitteluvaihe
LHC:tä alettiin hahmotella jo 1980-luvun alussa, vaikka sen edeltäjää LEPiäkään (käytössä vuosina 1989–2000) ei ollut vielä rakennettu. Alusta asti suunnitelmana oli rakentaa uusi tehokkaampi kiihdytin LEPin luolaan. Samoin törmäytettäviksi hiukkasiksi valittiin vastakkaisiin suuntiin kiertävät protonit. Kiihdyttimen nimeksi tuli Large Hadron Collider (Suuri hadronitörmäytin), sillä protonit ovat hadroneita.kappaleviite, LHC Milestones
Virallisesti LHC:n kehitys alkoi 1984 Lausannessa, Sveitsissä, pidetyssä symposiumissa. LHC:stä tuli CERNin keskeisin hanke. Seuraavina vuosina tutkittiin mm., mitä fysiikan ilmiöitä tulevalla kiihdyttimellä voitaisiin tutkia. LHC:n tekniseen toteutettavuuteen jouduttiin kiinnittämään runsaasti huomiota, sillä vastaavaa ei ollut olemassa. Toteutustekniikaksi valittiin suprajohtava kiihdytin, joka toimii 1,9 K (−271,3 °C) lämpötilassa. Lukuisten tapaamisten ja tutkimusten jälkeen CERNin neuvosto hyväksyi hankkeen joulukuussa 1994.kappaleviite, LHC Milestones, THE FIRST STEPS OF A GREAT PROJECT LHC päätettiin rakentaa kahdessa vaiheessa.
1995 Japani tuli CERNin tarkkailijajäseneksi ja rahoitti LHC:tä kuten myös vuosina 1996 ja 1998. Saman vuoden lokakuussa julkaistiin LHC:n tekninen suunnitelma, jossa määritetään sen toimintatapa ja arkkitehtuuri.
Helmikuussa 1996 CMS- ja ATLAS-kokeet hyväksyttiin hankkeeseen mukaan. Molemmilla oli tarkoitus etsiä Higgsin hiukkasta. Hankkeeseen liittyi lisää rahoittajia; Intia tuli mukaan maaliskuussa, Venäjä kesäkuussa ja joulukuussa vielä Kanada. Lisärahoituksen ansiosta neuvosto päättikin rakentaa LHC:n aiemmasta poiketen yhdessä vaiheessa.
Helmikuussa 1997 ALICE-koe hyväksyttiin virallisesti. Kokeella on tarkoitus tutkia kvarkki-gluoniplasmaa. Joulukuussa Yhdysvallat tuli mukaan hankkeeseen ja lupautui toimittamaan kiihdyttimeen suprajohtavia magneetteja. Samaan aikaan ensimmäinen 15-metrisen dipoli-magneetin prototyyppi toimitettiin CERNiin Italian INFN:stä. Vastaavia magneetteja tulee koneeseen yli 1 230 kappaletta.
Rakentaminen
Huhtikuussa 1998 aloitettiin maarakennustyöt ATLAS-kokeen osalta, mihin kuuluu muun muassa kahden kuilun kaivaminen ja maanpäällisten rakennusten rakentaminen. Kesäkuussa saavutettiin ensimmäisellä magneetin prototyypillä 8,3 teslan magneettikenttä, mikä on LHC:n tuleva toimintakenttä. Sveitsi antoi rakennusluvan vuoden alussa ja elokuussa myös Ranskan osalta saatiin ympäristövaikutusten arviointi valmiiksi. Elokuussa aloitettiin CMS-kokeen maarakennustyöt, joihin kuuluu kahden kuilun ja kahden kammion kaivaminen. Syyskuussa hyväksyttiin LHCb-koe, jolla on tarkoitus tutkia CP-rikkoa. Joulukuussa ensimmäinen suuri LHC:n koelaitteisto poistettiin käytöstä neljän vuoden käytön jälkeen. Prototyypeistä koostuvalla laitteistolla testattiin komponenttien toimintaa.
Helmikuussa 1999 ATLAS-kokeen toroidi-magneetin, maailman suurimman, valmistus alkoi suprajohtavien kaapeleiden valmistuksella. Huhtikuussa saapuivat siirtolinjojen ensimmäiset magneetit Venäjältä. 540 magneetista koostuvalla siirtolinjalla siirretään hiukkassäteet Super Proton Synchrotronista (SPS) LHC:hen. Kesäkuussa toimitettiin erikoiskaivuukone, jolla on tarkoitus kaivaa SPS:n ja LHC:n välille siirtotunneli. Bulgaria liittyi CERNiin. Ensimmäisiä ilmaisimien osia alkoi saapua. CERN sopi venäläisen toimijan (International Science & Technology Center of Moscow, Russia) kanssa sopimuksen, jonka perusteella sotilaallista tutkimuslaitteistoa suunnataan tieteelliseen tutkimukseen. Näin LHC sai runsaasti laitteistoa, mm. CMS-kokeen lyijyvolframikristallit.
Helmikuussa 2000 ensimmäiset LHC:n osat saapuivat CERNiin Yhdysvalloista. Maaliskuussa ensimmäiset kaikkiaan 420 kiihdytinkaaren suorista pätkistä läpäisivät testit täydellä teholla. Marraskuussa ensimmäiset kaikkiaan 1 232 päädipolimagneetista toimitettiin. LEP sammutettiin viimeisen kerran ja purkaminen aloitettiin joulukuussa.
Tammikuussa 2001 aloitettiin European DataGrid project (EDG), jonka idea kehitettiin kaksi vuotta aiemmin Annapolisissa, Yhdysvalloissa. Hankkeen tehtävä on kehittää maailmanlaajuinen tietoliikenneverkko, jota voidaan käyttää LHC:n kaltaisessa laajassa tiedehankkeessa. Maaliskuussa valmistui ensimmäinen ATLAS-koeaseman kalomimerin lieriön 32 moduulista. Ensimmäisen SPS:n ja LHC:n välisen tunnelin louhinta valmistui toukokuussa ja kesäkuussa toimitettiin viimeinen 540 siirtolinjaan tulevasta magneetista. Elokuussa valmistui ensimmäinen neljästä varta vasten LHC:tä varten louhituista kammioista; 62 metriä pitkä ja 20 metriä leveä tila toimii ATLAS-aseman aputilana. ATLAS-aseman 5,5 tonnin keskussolenoidimagneetti saapui Japanista syyskuussa. Magneetilla synnytettävää 2 teslan magneettikenttää käytetään varattujen hiukkasten liikemäärän mittaamiseen. Syyskuussa CERNin neuvosto hyväksyi LHC Computing Grid -hankkeen (suom. LHC-laskentaverkko) ensimmäisen vaiheen. Lokakuussa toinen suprajohtavien magneettien testilaitteisto saavutti vaadittavan nimellisvirran 11 850 ampeeria. Laitteistolla testattiin magneettijärjestelmän toimivuutta. Viimeinen kahdesta SPS:n ja LHC:n välisestä siirtolinjasta valmistui louhimisen osalta. Marraskuussa maanmittaajat pääsivät aloittamaan LHC:n komponenttien sijoituspaikkojen merkitsemisen LEPin tyhjennetyssä tunnelissa. Joulukuussa CERN antoi magneettien massatuotannon yksityisille yrityksille selvitettyään niiden valmistamisen yksityiskohdat.
Helmikuussa 2002 viimeiset LEPin osat nostettiin pois kaivannosta. 14 kuukautta kestäneen purkamisen aikana poistettiin 40 000 tonnia laitteistoa. Kevään aikana saapui keskeisiä ALICE- ja ATLAS-asemien osia ja ATLAS-aseman kaivanto valmistui. 35 metriä leveä, 55 metriä pitkä ja 40 metriä korkean kaivannon tekeminen kesti 2 vuotta ja se on valmistuessaan suurin koetoimintaa varten louhittu. 500 ensimmäistä ALICE:n spektrometrin kristallia saapui Venäjältä. 7 000 tonnia terästä sisältävä CMS-koetta ympäröivä ies valmistui paikoilleen lokakuussa.
LHCb-aseman kokoonpano alkoi tammikuussa 2003, kun kaksi sen magneettikäämeistä laskettiin alas kaivantoon. Ensimmäiset magneetit Yhdysvalloista saapuivat tammikuussa. SPS:n ja LHC:n välisten siirtolinjojen 700 magneetin asennus alkoi helmikuussa. Maaliskuussa LHC:n maanrakennustyöt valmistuivat kun kaivaukset saatiin loppuun. Kesäkuussa tehtiin uusi tiedonsiirtoennätys kun terabitti dataa lähetettiin CERNistä Kaliforniaan hivenen yli tunnissa eli nopeudella 2,38 gigabittiä sekunnissa. Lokakuussa ensimmäinen ohjausmagneetit sisältävistä kiihdytinrenkaan suorista osista saatiin valmiiksi ja läpi ensimmäisistä testeistä. 800 LHC:n päämagneettien tukea saapui Intiasta lokakuussa osana Intian panosta hankkeeseen. Viimeinen kahdeksasta 4,5 kelvinin lämpötilaan pääsevistä kylmäkoneista toimitettiin. Kylmäkoneet ovat osa jäähdytyslaitteistoa, jolla suprajohtavat magneetit jäähdytetään 1,85 K toimintalämpötilaan.
Maaliskuussa 2004 ensimmäinen ATLAS-ilmaisimen aktiivinen osa, hadronikalorimetrin pala, laskettiin kaivantoon. Samalla LHCb:n ensimmäinen osa, magneettikäämi, saatiin valmiiksi. Päämagneettien testauslaitteisto valmistui kesäkuussa. Sen 12 testipenkissä jokainen magneetti testattiin 1,8 kelvinin toimintalämpötilassa. ATLAS-ilmaisimen ensimmäinen viipale, jossa on kaikki ilmaisintyypit, testattiin elokuussa SPS:n säteilyllä. Lokakuussa SPS:n ja LHC:n välisen 2,5 kilometriä pitkän siirtolinjan testaus onnistui. ATLAS-ilmaisimen kokoonpano alkoi lokakuussa, kun ensimmäinen kahdeksasta toroidimagneetin käämistä, nesteargonkalorimetri ja keskussolenoidi laskettiin kaivantoon. Lokakuussa ensimmäinen suprajohtava radio-aalto-onkaloresonaattori läpäisi viimeiset testit täydellä teholla. Resonaattoreilla kiihdytettiin LHC:tä kiertäviä protoneja.
Paikoilleen asennettu ALICE:n myoni-spektrometrin dipolimagneetti läpäisi testit tammikuussa 2005. CMS-aseman hallin ja samalla koko LHC:n rakennustekniset työt saatiin valmiiksi. 53 metriä pitkän, 27 metriä leveän ja 24 metriä korkean hallin rakentaminen kesti kuusi vuotta. LHC:n kokoonpano alkoi maaliskuussa, kun ensimmäinen 1 232 suprajohtavasta dipolimagneetista laskettiin tunneliin. Jäähdytyslaitteisto jäähtyi ensimmäistä kertaa 1,8 kelviniin, mikä on LHC:n toimintalämpötila. Toukokuussa kaksi ensimmäistä päämagneettia liitettiin toisiinsa. LHCb:n sähkömagneettinen- ja hadronikalorimetrit asennettiin heinäkuussa. Elokuussa viimeinen kahdeksasta ATLAS-ilmaisimen toroidimagneetin käämistä saatiin asennetuksi ja magneettilieriö valmistui. 230-tonninen CMS:n solenoidimagneetti asennettiin kryostaattiinsa. Marraskuussa suurempi LHCb:n kahdesta Tserenkovin säteilyn ilmaisimesta laskettiin kaivantoon. 7 metriä korkea, 10 metriä pitkä ja 2,5 metriä leveä ilmaisin koostuu 28 ohuesta lasista tehdystä peilistä. Joulukuussa CMS havaitsi ensimmäisen hiukkasensa, kosmista säteilyä.
Uusi CERNin ohjauskeskus valmistui helmikuussa 2006. Ohjauskeskuksesta ohjataan kiihdyttimiä, jäähdytyslaitteistoa ja muuta teknistä laitteistoa. Maaliskuussa CMS:n solenoidimagneetti jäähdytettiin 4,15 kelviniin ja ilmaisin havaitsi kosmista säteilyä. Kesäkuussa ALICE havaitsi kosmista säteilyä. Heinäkuussa yhtä CMS:n kokonaista viipaletta päästiin testaamaan kokonaisena ja magneetti päällä. LHCf-koe hyväksyttiin virallisesti mukaan hankkeeseen elokuussa. Syyskuussa CMS-ilmaisimen solenoidimagneetti saavutti täyden magneettikenttänsä, 4 teslaa. Aikanaan maailman suurin suprajohtava, sähkömagneettinen solenoidimagneetti varastoi 2,5 gigajoulea energiaa ja on 13 metriä pitkä ja halkaisijaltaan 6 metriä. Maailman suurin kylmäkone valmistui. 27 kilometriä pitkä kryogeeninen linja kierrättää heliumia nesteenä ja kaasuna suprajohtavien magneettien jäähdyttämiseksi. Marraskuussa laskettiin kolme ensimmäistä kaikkiaan 15 CMS:n osakokonaisuudesta. Maailmaan suurin suprajohtava magneetti, ATLAS-ilmaisimen toroidimagneetti, saavutti marraskuussa 4 teslan magneettikentän ja 21 kA virralla. Magneettien valmistaminen saatiin päätökseen marraskuussa ja toimitettua CERNiin. 1 232 kappaletta 15 metriä pitkää dipolimagneettia ohjaava ja 392 kappaletta 5–7 metriä pitkää kvadrupolimagneettia kohdisti sädettä. Ensimmäinen kahdeksasta LHC:n sektorista valmistui.