LHC-kiihdyttimen kolmas ajo suurilla energiamäärillä käynnistyy Cernissä 5.7.2022
Large Hadron Collider -hiukkaskiihdytin on jälleen valmis erinäisissä kokeissa tarvittaviin protonitörmäytyksiin ennennäkemättömällä 13,6 biljoonan elektronivoltin (TeV) törmäysenergialla. Kiihdyttimen kolmannen ajon käynnistyessä aletaan kerätä uutta dataa alkeishiukkasfysiikan tutkimukseen.

Tiistaina 5.7.2022 maailman tehokkaimmalla hiukkaskiihdyttimellä aletaan kerätä uutta tietoa yli kolmen vuoden päivitys- ja huoltotöiden jälkeen. Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskus Cernin kiihdytinkeskuksessa on kiertänyt hiukkassuihkuja jo huhtikuusta lähtien, sillä LHC-kiihdytin ja sen injektorit on otettu uudelleen käyttöön sen jälkeen, kun suihkujen tehoa ja energiaa on kasvatettu. Nyt LHC-kiihdytintä operoivat tutkijat ovat onnistuneet vakauttamaan hiukkassuihkut, minkä ansiosta kiihdyttimellä tehtävien kokeiden kaikki järjestelmät voidaan käynnistää ja datan kerääminen fysikaalisia analyyseja varten voidaan aloittaa. LHC-kiihdytin pyörii nyt kellon ympäri lähes neljän vuoden ajan ennätyssuurella 13,6 biljoonan elektronivoltin (TeV) energialla.

– Lisäämme törmäyksiä keskittämällä protonisuihkut vuorovaikutuspisteisiin alle 10 mikrometrin levyisinä suihkuina. Ensimmäisessä ajossa löydettiin Higgsin bosoni 12 käänteisellä femtobarnilla. Nyt kolmannessa ajossa saavutetaan 280 käänteistä femtobarnia. Näin suuri lisäys avaa oven uusille löydöille, sanoo Cernin kiihdytinjohtaja Mike Lamont. (Käänteinen femtobarni on törmäysten määrän suure eli verrannollinen kerätyn datan määrään. Yksi käänteinen femtobarni vastaa noin 100 biljoonaa (100 x 1012) protonien keskinäistä törmäystä.).

LHC-kiihdyttimellä toteutettavassa neljässä suuressa kokeessa on tehty mittavia parannuksia datan keruun ja valikointiin tarkoitettuihin järjestelmiin asentamalla uusia ilmaisinjärjestelmiä ja uutta laskentainfrastruktuuria. Muutosten ansiosta kokeissa voidaan kerätä huomattavasti aiempaa suurempia ja sisällöltään aiempia ajoja laadukkaampia dataotoksia. ATLAS- ja CMS-ilmaisimien odotetaan tallentavan kolmannessa ajossa enemmän törmäyksiä kuin kahdessa aiemmassa vaiheessa yhteensä. Kauttaaltaan uudistetun LHCb-kokeen tavoitteena on kymmenkertaistaa datankeruunopeus, kun taas ALICE:n tähtäimessä on kasvattaa taltioitujen törmäysten määrä peräti viisikymmenkertaiseksi.

Entistä suurempien datamäärien ja suuremman törmäysenergian ansiosta LHC-kiihdyttimen jo ennestään monipuolinen fysiikkaohjelma laajenee entisestään. Kokeita suorittavat tutkijat tarkastelevat Higgsin bosonin ominaisuuksia ennennäkemättömän tarkasti ja uusilla kanavilla. He saattavat havaita aiemmin saavuttamattomissa olleita prosesseja, minkä lisäksi he voivat mitata entistä tarkemmin lukuisia muita perustavanlaatuisiin kysymyksiin liittyviä tunnettuja prosesseja kuten esim. materian ja antimaterian epäsuhteen alkuperää maailmankaikkeudessa. Samalla voidaan tutkia materian ominaisuuksia äärilämpötiloissa ja -tiheyksissä. Tutkijat etsivät myös pimeän aineen ehdokkaita ja muita uusia ilmiöitä joko suoraan tai epäsuoraan mittaamalla tunnettujen hiukkasten ominaisuuksia tarkkaan.

– Odotamme innolla pääsevämme mittaamaan Higgsin bosonin hajoamista muoneiksi ja muiksi toisen sukupolven hiukkasiksi. Se olisi täysin uusi löydös Higgsin bosonin tarinassa, joka vahvistaisi ensimmäistä kertaa sen, että myös toisen sukupolven hiukkaset saavat massansa Higgsin mekanismin kautta, sanoo Cernissä työskentelevä teoreettisen fysiikan asiantuntija Michelangelo Mangano.

– Mittaamme Higgsin bosonin vuorovaikutuksen vahvuutta sekä materian että voimahiukkasten kanssa ennennäkemättömän tarkasti. Lisäksi etsimme entistä syvällisemmin Higgsin bosonin hajoamista pimeän aineen hiukkasiksi ja jatkamme useamman kuin yhden Higgsin bosonin etsintää, kertoo ATLAS-kokeen johtaja Andreas Hoecker.

– Ei ole lainkaan selvää, rajoittuuko luonnossa esiintyvä Higgsin mekanismi pienimpään mahdolliseen malliin, johon liittyy yksi ainoa Higgsin bosoni.

Yksi kiinnostavimmista tutkimuskohteista on harvinaisten prosessien luokka, jossa LHC-kiihdyttimen aiempien ajojen aikana LHCb-kokeessa havaittiin leptoniepäsymmetria eli odottamaton ero elektronien ja niiden muoni-hiukkasserkkujen vuorovaikutusten välillä.

– Upouudella ilmaisimella kolmannessa ajossa kerätyn datan avulla voimme parantaa tarkkuutta tekijällä kaksi ja vahvistaa tai sulkea pois mahdolliset poikkeamat, sanoo LHCb-kokeen johtaja Chris Parkes. LHCb-kokeessa havaittuja poikkeamia selittävät teoriat ennustavat tyypillisesti myös uusia vuorovaikutuksia eri prosesseissa. Niitä tutkitaan ATLAS- ja CMS-kokeisiin kuuluvissa tutkimuksissa.

– Tämä täydentävä lähestymistapa on olennaisen tärkeä, sillä jos pystymme sen avulla vahvistamaan uusia vaikutuksia, saavutamme merkittävän löydöksen hiukkasfysiikan saralla, toteaa CMS-kokeen johtaja Luca Malgeri.

Raskaiden ionien törmäytysohjelman avulla voidaan tutkia kvarkkigluoniplasmaa – materian tila ensimmäiset 10 mikrosekuntia alkuräjähdyksen jälkeen – ennennäkemättömän tarkasti.

– Odotamme pääsevämme siirtymään kvarkkigluoniplasman monien mielenkiintoisten ominaisuuksien havaitsemisesta vaiheeseen, jossa pystymme määrittämään nämä ominaisuudet tarkasti ja yhdistämään ne ilmiön osatekijöiden keskinäiseen dynamiikkaan, kertoo ALICE-kokeen johtaja Luciano Musa. Lyijytörmäytysten lisäksi toteutetaan ensi kertaa myös lyhyt happitörmäytysten jakso, jossa tavoitteena on tarkastella kvarkkgluoniplasman kaltaisten vaikutusten ilmaantumista pienissä törmäytysjärjestelmissä.

LHC-kiihdyttimellä toteutettavat pienimmät kokeet eli TOTEM, LHCf, täysin uudella MAPP-ali-ilmaisimella varustettu MoEDAL sekä vastikään asennetut FASER ja SND@LHC ovat niin ikään valmiita tutkimaan hiukkasfysiikan standardimalliin kuuluvia ja sen ulkopuolisia ilmiöitä magneettisista monopoleista neutriinoihin ja kosmisiin säteisiin.

– Suomesta tutkijoita osallistuu LHC-kiihdyttimen CMS-, ALICE-, TOTEM- ja MoEDAL-kokeisiin, toteaa Fysiikan tutkimuslaitoksen johtaja Katri Huitu. Fysiikan tutkimuslaitos on Helsingin yliopiston, Aalto-yliopiston, Jyväskylän yliopiston, Lappeenrannan teknillisen yliopiston ja Tampereen teknillisen yliopiston yhteinen tutkimuslaitos, joka vastaa Suomen tutkimusyhteistyöstä Cernin kanssa.

Suora lähetys Cernin kiihdytinvalvomosta 5.7. klo 16.30 alkaen

Alkeishiukkasfysiikan tutkimuksen uusi vaihe alkaa laajan ja lupaavan tutkimusohjelman merkeissä. LHC-hiukkaskiihdyttimen kolmannen ajon aloitusta voi seurata suorana Cernin sosiaalisen median kanavilla ja Eurovision-satelliittiyhteyden kautta alkaen kello 16.30 Suomen aikaa Cerninin kiihdytinvalvomosta kerrotaan katsojille viidellä kielellä (englanti, ranska, saksa, italia ja espanja) operaation eri vaiheista, joissa protonisuihkut ohjataan LHC-kiihdyttimeen, jossa niitä puolestaan törmäytetään neljässä vuorovaikutuspisteessä kiihdyttimessä suoritettavien kokeiden kohdalla. Suoran lähetyksen päätteeksi kiihdytin- ja koeasiantuntijat vastaavat kysymyksiin.

Tervetuloa seuraamaan suoraa lähetystä Cernin kiihdytinvalvomosta 5.7. klo 16.30