LHC on käynnistyi neljä vuotta sitten ja toimii vielä kenties 20 vuotta. Kiihdytintä alettiin suunnitella 1980-luvulla, päätös tehtiin 1995 ja rakentaminen kesti kymmenen vuotta, 1998-2008. Nyt on siis aika suunnitella ja testata seuraavaa kiihdytintä, jos sen halutaan olevan valmis vuoden 2030 tienoilla ottamaan vastaan soihdun LHC:ltä.

Hiukkaskiihdyttimien periaate on yksinkertainen: pumpataan hiukkasia korkeisiin nopeuksiin ja mitataan mitä kaikkea niiden törmäyksissä syntyy. Mitä isompiin energioihin törmäyksissä päästään, sitä syvemmälle aineen rakenteeseen saadaan katsottua. Törmäysenergiaa voi kasvattaa paremman teknologian lisäksi käyttämällä raskaampia hiukkasia. LHC:n tunnelissa ollut LEP-kiihdytin ja sen seuraaja LEP2 kiihdyttivät elektroneja ja positroneja, LHC käyttää 2000 kertaa raskaampia protoneita. Massassa on eroa kuin rekalla ja polkupyörällä, joten LHC näkee paljon edeltäjäänsä pidemmälle.

Valitettavasti protonit eivät ole alkeishiukkasia, vaan ennemminkin säkkejä, joissa on sisällä kasa kvarkkeja. Kahden protonin sisärakenteen kohdatessa on törmäys melkoisen sotkuinen. Elektronit ovat sen sijaan nykykäsityksen mukaan pistemäisiä, joten niiden törmäykset ovat paljon siistimpiä ja on helpompi löytää se mistä on kiinnostunut. Tämän takia kiihdyttimissä ollaan palaamassa elektroneihin ja positroneihin.

Törmäytettävien hiukkasten lisäksi pitää valita kiihdyttimen muoto. Kiihdyttimiä on kahdenlaisia: ympyröitä ja suoria. Neljä edellistä merkittävintä kiihdytintä, LEP, LEP2, Tevatron ja LHC ovat kaikki ympyränmuotoisia. Muoto on edullinen ainakin kahdesta syystä. Ensinnäkin hiukkassuihkulla voi olla useampi törmäyspiste. LHC:ssä säteet törmäävät neljässä kohdassa ja jokaisessa tehdään mittauksia. Tämä moninkertaistaa kerätyn datamäärän, mahdollistaa erilaisten asioiden tutkimisen samaan aikaan ja takaa sen, että yllättävien löytöjen tapauksessa asian voi varmistaa toisella detektorilla. Yksi syy siihen, että Higgsin (tai jonkun sen kaltaisen hiukkasen) löytämisestä ollaan vakuuttuneita on se, että kaksi koeryhmää, ATLAS ja CMS, ovat molemmat nähneet saman asian. Tässä tulee esiin ympyräkiihdyttimien toinen etu: törmäyspisteissä vain pieni osa kiihdytetyistä hiukkasista kohtaa, melkein kaikki jatkavat matkaansa kuin mitään en olisi tapahtunut. Ympyräkiihdyttimessä nämä hiukkaset voidaan käyttää seuraavaan törmäykseen joko samassa tai viereisessä detektorissa. Suorassa kiihdyttimessä --"lineaarikiihdyttimessä", fysiikan jargonissa-- nämä hiukkaset ja niihin laitettu energia menevät hukkaan. Lisäksi hiukkasia voi syöttää vain yhdelle kokeelle kerrallaan, suoran keskellä.

Tästä huolimatta kaksi kolmesta ehdokkaasta LHC:n seuraajaksi ovat lineaarikiihdyttimiä. Tärkein syy on se, että sähköisesti varatut hiukkaset säteilevät energiaansa pois ollessaan kiihtyvässä liikkeessä, joten lineaarikiihdyttimellä saavutettaviin energioihin pääseminen vaatii ylitsepääsemättömästi tehoa. Lineaarikiihdyttimeen voi myös lisätä pituutta ja siten energiaa myöhemmin, energian kasvattaminen ympyräkiihdyttimessä on vaikeampaa.

Kilpailevat lineaarikiihdytinehdotukset ovat International Linear Collider (ILC) ja Compact Linear Collider (CLIC). ILC on nimensä mukaisesti kansainvälinen projekti, eikä sen sijoituspaikkaa ole päätetty: se saattaisi tulla Eurooppaan, Yhdysvaltoihin tai Japaniin. CLIC on sen sijaan suunniteltu rakennettavaksi nimenomaan CERNiin, Sveitsin ja Ranskan alueelle, ja keskityn tässä siihen.

Nimestään huolimatta CLIC on melko mittava. Tällä hetkellä on suunnitteilla kaksi versiota, joista pienemmän pituus on 13 kilometriä ja isomman 50 kilometriä; tässä tulevat jo Jura-vuoret harmillisesti vastaan. CLICin kaavailtu maksimienergia on 0.5 TeV tai 3 TeV, verrattuna LHC:n maksimiin 14 TeV, mutta elektroni-positroni-törmäyksillä saatava tarkkuus korvaa sen. Elektronien ja positronien kiihdyttäminen korkeisiin energioihin vaatii enemmän tehoa kuin protonien, ja energian hinta on rajoittaja tekijä. LHC:n teho on noin 120 MW, pienemmän CLICin energiantarve olisi 271 MW ja isomman 582 MW. Lukuja voi verrata siihen, että Olkiluoto 1 -reaktori tuottaa energiaa 880 MW. LHC pidetään pois päältä joululomien aikana sähkön korkeamman hinnan takia ja on ehdotettu että CLIC ei ollenkaan toimisi iltapäivisin sähkölaskun pienentämiseksi.

CLIC-projekti on on aloitettu jo 90-luvulla, ja CERNissä on pieni lineaarikiihdytin jolla tutkitaan ja kehitetään tarvittavaa teknologiaa. Helsingin yliopiston fysiikan laitos on tässä mukana. Päätös on määrä tehdä 2017, jolloin rakentamaan päästäisiin 2022 ja kiihdytin olisi valmis 2030. Pienemmänkin CLIC-kiihdyttimen arvioitu hinta on noin kaksinkertainen LHC:hen verrattuna, vajaa 10 miljardia.

CLICin ja ILC:n sijaan on ehdotettu LEPin ja LEP2:n seuraajaa, jonka nimeksi on keksitty LEP3. Ajatuksena olisi rakentaa uusi elektroni-positroni-kiihdytin samaan tunneliin, jossa LHC on ja edelliset LEPit olivat. Tällöin ei tarvitsisi kaivaa uutta tunnelia ja nykyisiä detektoreitakin voisi kenties käyttää. Toisaalta edellämainittujen säteilyhäviöiden takia ei päästäisi kuin puoleen pienemmänkään CLICin energiasta.

Suurin epävarmuus seuraavan sukupolven kiihdyttimen rakentamisessa ei ole teknologian kehittäminen, rahoituksen hankkiminen tai muodosta päättäminen, vaan se, mitä sillä on löydettävänä. Toistaiseksi LHC ei ole nähnyt mitään merkkejä Standardimallin tuonpuoleisesta, ei sen enempää supersymmetriaatekniväriäylimääräisiä ulottuvuuksia kuin mitään odottamatontakaan. Vuonna 2017 käytössä on moninkertainen määrä dataa tämänhetkiseen, joten on ennenaikaista arvioida edes sitä, millaisin perustein päätöstä ollaan lopulta tekemässä.

Kommentit (19)

Jani

Onko muita syitä kuin koko sille, ettei noita kahta muotoa (ympyrä ja suora) yhdistetä soikioksi?

Metusalah

"Tästä huolimatta kaksi kolmesta ehdokkaasta LHC:n seuraajaksi ovat lineaarikiihdyttimiä."

Sen jälkeen, kun suurin osa maailman potentiaalisista ydinasevaltioista ovat erilaisin sopimuksin allekirjoittaneet maaperässä ja ilmakehässä tehtävät ydinkokeet, ainakin alan supervallat (USA, Kiina, Venäjä) ovat jatkaneet "ydinkokeitaan" tietokonesimulaattoreilla. Voisiko Syksyn mielestä olla mahdollista, että jonakin päivänä huippukalliit lineaarikiihdyttimet korvattaisiin vastaavilla atk-simulaattoreilla, vai onko tällainen ajatus jo lähtökohdiltaankin järjetön?

Syksy Räsänen

Jani:

Se tuskin olisi edullista. Jos halutaan minimoida säteilyhäviöt, muodon pitää olla suora, ja jos halutaan kierrättää sädettä useaan kertaan, ympyrä on käytännöllisin muoto. Yhdistämällä nämä kaksi saadaan yhdistettyä säteen vaikea kierrättäminen ja isot säteilyhäviöt.

Syksy Räsänen

Metusalah:

Kiina ja Yhdysvallat eivät olet ratifoineet ydinkokeet kieltävää CTBT-sopimusta.

Ydinfysiikassa sovelletaan tunnettua, LHC:llä etsitään tuntematonta. Ydinfysiikka perustuu Standardimalliin, joten kaikki ydinfysiikan asiat on periaatteessa laskettavissa. Koska laskut ovat äärimmäisen vaikeita, apuna käytetään kokeita. Tietokoneiden parantuessa kokeita voi osittain korvata tietokonelaskuilla. LHC ja sen mahdolliset seuraajat sen sijaan pyrkivät selvittämään, mitä on tuntemamme fysiikan tuolla puolen.

Sam

"LHC:n teho on noin 120 MW, pienemmän CLICin energiantarve olisi 271 MW ja isomman 582 MW. "

Nuo tehothan muuttuvat lopulta lämmöksi. Minnehän noin valtaisat lämpötehot johdetaan, hyötykäyttöön vai harakoille?

Pekka

Ilmeisesti näiden kiihdyttimien nk. "hyötysuhde" on varsin pieni... Hurjaa on kuitenkin kuvitella, että kohta tehoa tarvitaan 1GW jotta saadaan aikaiseksi muutama törmäys, joiden tulkinta ehkä antaa meille ripauksen uutta tietoa, tai edes vinkkiä siitä mitä tuntematonta fysiikan takana vielä lymyileekään.

Syksy Räsänen

Sam:

Kaikki kiihdyttimeen syötetty energia ei mene lämmöksi (osa esimerkiksi pakenee törmäyksessä syntyvien neutriinojen mukana), mutta arvelisin että suurin osa kylläkin. Tietääkseni LHC:ssä lämpöä ei käytetä mitenkään hyödyksi (mutta voin olla väärässäkin), en tiedä millaisia suunnitelmia CLICin suhteen on.

Pentti S. Varis

Tästä on kyllä ollut aiemminkin puhetta. Kullakin hiukkastyypillä on oma matemaatinen lakinsa, kenttä, joka sanelee syntyvän hiukkasen ominaisuudet. Ongelma, jonka ratkaisua en vielä ole löytänyt, on seuraava: Sijaitseeko jokin matemaattista "kenttää" vastaava olio avaruudessa tyhjillään, valmiina täyttymään, jos energiaa on tarjolla riittävästi? Vai vaikuttaako epäaineellinen matematiikka teoreettisine kenttineen jollain tavalla hiukkasen syntyyn? Ja miten tämä voisi näin tehdä?

Jossain aiemmassa kommentissa oli arvio, että ensin syntyy kaikenlaisia hiukkasia, ja niistä lopulta valiutuvat ne "oikeat". Mutta tuleekohan todella edes hetken "eläviä" epämuotoisia hiukkasia?

Ydinkysymykseni on kuitenkin, mikä vakuumissa säätää syntyvien hiukkasten ominaisuudet? Vakuumissa oleva tuntematon sub-planckinen substanssi, epäaineellinen matematiikka kenttäkäsitteineen vai hiukkasten oma laskentaprosessi. Vai onko matematiikka sittenkin jonkin tuntemattoman, myös vakuumissa vaikuttavan substanssin ilmitullut muoto?

tuli mieleen

Mielenkiintoista on, mitä pienempiä asioita tutkitaan, sitä isommat työkalut vaaditaan. Tuleeko kellekään muulle mieleen, että onko maapallomme kokoluokan työkaluilla, ylipäätään mahdollista päästä käsiksi, kuin vain tietyn kokoluokan pienuuteen kiinni?? Tällainen tulee mieleen, kun ajattelee maailmankaikkeuden suuruutta, jota sitäkään emme oikein voi käsittää, kuin oman mittakaavamme mukaan.

Syksy Räsänen

Pentti S. Varis:

Kysymys on sen verta etäällä merkinnän aiheesta, että ei siitä sen enempää.

Syksy Räsänen

tuli mieleen:

Koko on rajoite tietyllä tavalla toimivissa kiihdyttimissä. On muitakin tapoja päästä käsiksi hiukkasfysiikan tapahtumiin, kuten esimerkiksi varhaisesta maailmankaikkeudesta jääneiden merkkien tutkiminen. Tällä hetkellä kiihdyttimet kyllä antavat sellaista yksityiskohtaista tietoa, jota ei muuten saada, mutta eiköhän tulevaisuudessa kehitetä uudenlaisia teknologioita, joita koko ei rajoita samalla tavalla.

PekkaP

Olisiko edes teoriassa mahdollista käyttää avaruudesta tulevia suurienergisiä hiukkasia? Olen käsittänyt, että yläilmakehäänkin tulee avaruudesta hiukkasia, joiden energia on paljon korkeampi kuin mitä millään kiihdyttimellä saadaan. Onko niiden suuntaaminen ilmasimiin kokonaan mahdotonta, vai ovatko ne niin satunnaisia, ettei realistisesti ajateltuna aika mitenkään riittäisi riittäisi tulosten saamiseen.

Kinthaalla Wikiin viittaan:
http://fi.search.yahoo.com/r/_ylt=A7x9QXzJXkZQK1AAQMNbLAx.;_ylu=X3oDMTBy...

PekkaP

Taisin tössiä linkin., Linkin esimerkissä oli kyse OMG hiukkasesta, joka taitaa lukeutua sarjaan ainoalaatuisia anomalioita.

Syksy Räsänen

PekkaP:

Avaruudesta tulevia massiivisia hiukkasia (eli kosmisia säteitä) tutkitaan koko ajan, mutta niihin käytetään erilaisia detektoreita kuin kiihdytinkokeisiin. Kirjoitan kenties aiheesta joskus myöhemmin. LHC:nkin detektoreissa kyllä näkyy kosmisista säteistä syntyneitä myoneja, niitä mitattiin kalibrointivaiheessa ennen törmäyksiä.

Tiedemies

Ympyräkiihdyttimessähän hiukkaset pidetään radallaan magneettikentän avulla, ja tämä syö energiaa myös, eikö niin?

Toinen kysymys: Eikö hiukkassädettä saisi ohjattua ulos ympyräradalta, niin että kun säde on pyörinyt aikansa ympyrärataa, se ohjattaisiin vielä "viimeiselle matkalle" suoraan putkeen joka jatkuisi jostain kohtaa ympyrän tangentin suuntaan tms? Vai onko tällainen rakenne hankala tai mahdoton muutoin?

Syksy Räsänen

Tiedemies:

Hiukkasten pitäminen ympyräradalla tosiaan syö valtavasti energiaa. Yksi syy on se, että koska hiukkasten suunta muuttuu koko ajan (eli ne ovat kiihtyvässä liikkeessä), ne säteilevät energiaa pois koko ajan. Lineaarikiihdyttimessä ei ole tätä ongelmaa.

Toinen kysymys onkin kiinnostava. Aiemmissa lineaarikiihdyttimissä on käytetty designia, jossa hiukkasia esikiihdytetään ja pidetään valmiina ympyränmuotoisessa kiihdyttimessä ennen niiden syöttämistä lineaarikiihdyttimeen. En tiedä kuinka pitkälle ideaa voi viedä.

Vieraita avaruudesta - blogit ...

[...] hiukkaskiihdyttimet ovat kehittyneitä työkaluja, joiden rakentaminen kestää kauan ja maksaa paljon. Kiihdytinten ideana on saattaa hiukkasia suuriin nopeuksiin, jotta nähtäisiin mitä tapahtuu kun [...]

Syksy Räsänen

Erkki Aikamies:

Eipä ihan vähän luvatakaan: "instrumentti joka ratkaisee maailmankaikkeuden alkuperän ja kaikkien muiden ilmiöiden mysteerin" (vai onko se "maailmankaikkeuden alkuperän mysteerin ja kaikki muut ilmiöt"?).

Seuraa 

Maailmankaikkeutta etsimässä

Blogin päivittäminen on päättynyt.

Syksy Räsänen on teoreettinen fyysikko Helsingin yliopistossa. Syksy kirjoittaa kosmologiasta, hiukkasfysiikasta ja niiden tekemisestä, tai ainakin asioista sinne päin.

Teemat

Blogiarkisto