LHC-kiihdytin käynnistettiin uudelleen
Protonisuihkut kiertävät jälleen kiihdyttimen 27 kilometrin mittaista kehää, kun vuosia kestäneet päivitystyöt on saatu päätökseen.

Maailman suurin ja tehokkain hiukkaskiihdytin on käynnistetty uudelleen yli kolme vuotta kestäneiden huolto-, vakautus- ja päivitystöiden päätteeksi. Tänään 22.4. iltapäivällä kaksi protonisuihkua kiersi Large Hadron Collider -hiukkaskiihdyttimen (artikkelin linkit englanniksi) 27 kilometrin pituista kehää vastakkaisiin suuntiin 450 miljardin elektronivoltin (GeV) injektioenergialla.

– Protonisuihkujen energia jäi injektioenergian tasolle, ja niissä oli suhteellisen vähän protoneja. Suuritehoisiin ja suurenergisiin törmäytyksiin päästään parin kuukauden päästä, sanoo Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskus CERNin hiukkassuihkuosaston johtaja Rhodri Jones.

 – Nämä ensimmäiset suihkut kertovat kuitenkin kiihdyttimen onnistuneesta uudelleenkäynnistyksestä pitkän tauon aikana tehdyn uurastuksen jälkeen.

– Suomalaiset fyysikot hyödyntävät tätä dataa myös kehittääkseen uusia menetelmiä datan äärimmäiseen tarkkaan kalibrointiin seuraavan vaiheen korkean luminositeetin LHC-kokeessa. Fysiikan tutkimuslaitos sai tähän tarkoitukseen tänä vuonna merkittävän 5-vuotisen EU-rahoituksen, kertoo Fysiikan tutkimuslaitoksen CMS-projektin johtaja, apulaisprofessori Mikko Voutilainen.

– CERNin kiihdytinkeskuksen toisen pitkän huoltokatkon aikana laitteita ja tiloja parannettiin merkittävästi, kertoo CERNin kiihdytin- ja teknologiajohtaja Mike Lamont.

– LHC:n vakautta parannettiin huomattavasti, ja injektorijärjestelmään tehtyjen merkittävien parannusten ansiosta se toimii nyt entistä korkeammalla energiatasolla. Näin kiihdytin tuottaa paljon enemmän dataa sillä tehtäviä uudistettuja kokeita varten.

Vuoden 2021 lokakuussa LHC-kiihdyttimessä käytettiin hetkellisesti koesuihkuja, mutta tänään kiihdyttimessä kiertäneet suihkut merkitsevät sekä LHC:n toisen pitkän huoltokatkon päättymistä että alkua valmisteluille, joita seuraavan neljän vuoden aikana kerätään fysiikkaan liittyvää dataa, näillä näkymin heinäkuusta lähtien.

Sitä ennen LHC:n asiantuntijat työskentelevät kellon ympäri saadakseen laitteen vaiheittain uudelleen käyttöön ja kasvattaakseen hiukkassuihkujen energiaa ja voimakkuutta, ennen kuin kokeiden edellyttämiä törmäyksiä suoritetaan 13,6 biljoonan elektronivoltin (TeV) törmäysenergialla.

LHC-kiihdyttimen kolmannen käyttövaiheen aikana laitteella suoritetuissa kokeissa kerätään dataa törmäytyksistä, jotka ovat ennätyksellisen suuria törmäysenergiansa lisäksi myös määränsä puolesta. Tämän käyttövaiheen aikana ATLAS- ja CMS-kokeissa voidaan odottaa enemmän törmäytyksiä kuin kahden aiemman käyttövaiheen aikana yhteensä, ja huoltokatkon aikana kauttaaltaan uudistetussa LHCb-kokeessa törmäytysten määrän voidaan olettaa kolminkertaistuvan. Äskettäin valmistuneen merkittävän parannuksen ansiosta raskaiden ionien törmäyksien havaitsemiseen erikoistuneessa ALICE-kokeessa puolestaan voidaan odottaa neljän- tai viisinkertaista määrää havaittavia ionitörmäytyksiä.

Ennennäkemättömän törmäytysten määrän ansiosta kansainväliset fyysikkoryhmät Cernissä ja muualla maailmassa voivat tutkia Higgsin bosonia yksityiskohtaisesti ja panna hiukkasfysiikan standardimallin ja sen laajennukset toistaiseksi kovimmalle koetukselle.

– Kolmannen vaiheen datan avulla pystymme ymmärtämään paremmin alkeishiukkasille massan tuottavan Higgsin kentän, protonit yhteen sitovan vahvan vuorovaikutuksen sekä raskaimman tunnetun hiukkasen, top-kvarkin, yhteispelin vaikutusta tyhjiön vakauteen, kertoo Mikko Voutilainen. Ilman pientä mittausvirhettä nykyisissä tuloksissa tai uusia raskaita hiukkasia elämme näennäisesti väliaikaisessa universumissa, hän lisää.

–  Alkavan kolmannen käyttövaiheen suuret törmäyslukumäärät mahdollistavat entistä tarkempia mittauksia ja toiveissa on, että niiden avulla saamme ikkunan standardimalliakin parempaan ymmärrykseen materian olemuksesta, toteaa Fysiikan tutkimuslaitoksen johtaja, professori Katri Huitu.

Kolmanteen käyttövaiheeseen kuuluu myös kahden uuden, standardimallin ulkopuolelta fysikaalisia ilmiöitä tarkastelevan kokeen (FASER ja SND@LHC) toteuttaminen sekä protonien ja heliumin törmäytyksiä, joilla mitataan sitä, miten usein nämä törmäytykset synnyttävät protonien antimateriavastineita. Lisäksi toteutetaan törmäytyksiä, joissa on mukana happi-ioneja ja joilla lisätään fyysikkojen kosmisen säteilyn fysiikkaan ja kvarkki-gluoniplasmaan (materian tila, joka vallitsi pian alkuräjähdyksen jälkeen) liittyvää tietämystä.

Lisätietoja:

Johtaja Katri Huitu, Helsinki Institute of Physics, katri.huitu@hip.fi, +358 2 941 50520

Apulaisprofessori Mikko Voutilainen, mikko.voutilainen@helsinki.fi, +358 50 448 5620