Ensimmäiset törmäykset siirtyvät vuodelle 2009

LHC-kiihdyttimen uudelleenkäynnistäminen siirtyy ensi vuoden puolelle, joten ensimmäisiä törmäyksiä saadaan odottaa vielä jonkin aikaa.

LHC-kiihdyttimen sektorin 3-4 suureen heliumvuotoon liittyvät tutkimukset viittaavat siihen, että syynä oli kahden magneetin välisen sähköliitoksen pettäminen. Vaurioiden kartoittamiseksi kyseinen sektori täytyy lämmittää huoneenlämpötilaan ja vaurioituneet magneetit avata tutkimuksia varten. Tähän kuluu kolmesta neljään viikkoa.

LHC dipolimagneetti
Kuva: LHC dipolimagneetti. Mahdollinen syy heliumvuodolle oli kahden dipolimagneetin välisen sähköliitoksen läpilyönti, joka poltti reiän heliumputkeen ja päästi kaasua vuotamaan tyhjiöeristykseen. Lisääntynyt lämpökuorma kiehautti heliumin, joka vuoti LHC-tunneliin. [(C) CERN]

“Heti erittäin menestyksekkään LHC-kiihdyttimen käynnistämisen jälkeen tämä on epäilemättä psykologinen isku”, sanoi CERNin pääjohtaja Robert Aymar. “Siitä huolimatta, LHC:n menestys ensimmäisten hiukkassuihkujen käsittelyssä on todistus vuosikausien erittäin perusteellisista valmisteluista sekä CERNin kiihdytinkompleksin rakentaneiden ja sitä operoivien ryhmien taidoista. En epäile yhtään, etteikö tätäkin ongelmaa selvitettäisi samalla huolellisuudella ja antaumuksella.”

Tutkimusten ja huoltotöiden vaatima aika estää LHC-kiihdyttimen uudelleenkäynnistyksen ennen CERNin pakollista talvihuoltoseisokkia, joten kiihdytinkompleksin uudelleenkäynnistys siirtyy alkukevääseen 2009. LHC-kiihdyttimen hiukkassuihkut seuraavat sitten perästä.

Hiukkaskiihdyttimet kuten LHC ovat ainutkertaisia laitteita, jotka on rakennettu viimeisimmällä teknologialla. Kukin on oma prototyyppinsä ja hankaluudet käynnistysvaiheessa ovat aina mahdollisia.

“LHC on hyvin monimutkainen ja mittakaavaltaan valtava instrumentti, joka puskee teknologian rajoja monella alueella,” sanoo Peter Limon, joka vastasi maailman ensimmäisen suuren mittakaavan suprajohtavan kiihdyttimen, Yhdysvaltalaisen Fermilabin Tevatron-kiihdyttimen, käyttöönotosta. “Silloin tällöin sattuu toiminnan keskeyttäviä pidempiä ja lyhempiä välikohtauksia, erityisesti alkuvaiheessa.”

CERN on saanut vastaavia kannustavia lausuntoja useilta laboratorioilta, mukaan lukien Saksan DESY, jossa 1992–2007 toimi suprajohtava kiihdytin HERA.

“Me olemme DESY:ssä seuranneet LHC:n käyttöönottoa hyvin innostuneina ja olemme erittäin vaikuttuneita ensimmäisen päivän menestyksestä,” sanoo Albrecht Wagner, DESY:n johtaja. “Luotan, että kollegamme CERNissä selvittävät ongelman nopeasti ja jatkamme heidän tukemistaan niin paljon kuin pystymme.”

Haaveri sektorilla 3-4

LHC-kiihdyttimen odotetut ensimmäiset törmäytykset ovat toistaiseksi siirtyneet ainakin parilla kuukaudella sektorilla 3-4 tapahtuneen laiterikon takia.

Kiihdyttimen ylösajon yhteydessä perjantaina 19.9. puoliltapäivin LHC tunneliin vuoti suuri määrä heliumia sektorilla 3-4. Kiihdyttimessä ei ollut hiukkassuihkua, vaan dipolimagneeteissa kulkevaa virtaa oltiin nostamassa 5 TeV:n energiaa vastaavalle tasolle niiden testaamiseksi. Alustavien tutkimusten mukaan todennäköinen syy vuodolle oli kahden magneetin välinen viallinen sähköliitos, joka suli suuren virran takia ja johti laitteiston mekaaniseen pettämiseen. Tunnelissa ei CERNin tiukkojen turvamääräysten takia ollut vahingon sattuessa ketään, joten ihmiset eivät missään vaiheessa olleet vaarassa.

LHCn viimeisimpien liitosten hitsaus
Kuva: LHC:llä pettänyt komponentti on ilmeisesti yksi tuhansista dipolimagneettien välisistä sähköliitoksista, joita tässä hitsataan kiinni. [(c) CERN]

Ongelman täydellinen tutkinta on vielä kesken, mutta jo tässä vaiheessa on selvää, että sektori joudutaan lämmittämään korjausten suorittamiseksi. Tämän seurauksena LHC-kiihdyttimen aikataulu viivästyy vähintään kaksi kuukautta. Vastaavat sähköliitosten viat eivät ole harvinaisia tavallisille sähkömagneeteille, mutta normaalilämpötilassa korjaukset pystyttäisiin suorittamaan muutamassa päivässä.

Heliumvuoto ei ole ensimmäinen lastentauti LHC:llä sitten ällistyttävän nopeasti onnistuneen käynnistyksen keskiviikkona 10.9., mutta toistaiseksi vakavin. Aiemmin LHC:lle tuotti ongelmia heti hyvän alun jälkeen hajonnut muuntaja, joka piti kiihdyttimen suljettuna vajaan viikon. Tästä kuitenkin selvittiin suhteellisen nopeasti, kun tilalle saatiin asennettua CMS-kokeelta varamuuntaja.

LHC-kiihdyttimen nopea alkupyräys herätti toiveita, että törmäyksiin voitaisiin edetä jopa muutamissa viikoissa. Kuten Science-lehti asiaa kuvasi: “10. syyskuuta CERNin fyysikot saavuttivat leuat loksauttavan menestyksen, kun he saivat LHC-kiihdyttimen toimimaan samassa ajassa, joka tavalliselta taavolta menisi saada tietokone ulos laatikosta ja käyntiin.”

Viimeisin vastoinkäyminen on tutkijoiden kannalta harmillinen, muttei aivan odottamaton tämän kokoluokan projektissa. Kun myöskin suprajohtavaa teknologiaa käyttävä Fermilabin Tevatron-kiihdytin aloitti 80-luvulla, vastaavia ongelmia oli vastassa yhtenään. Nyt ollaankin palaamassa takaisin realistisempiin odotuksiin, eikä törmäyksiä välttämättä nähdä vielä tämän vuoden puolella.

Ensimmäisiä LHC-jälkikuvia kaikilla koeasemilla

Lisäys pe 12.9: Upeita kuvia Atlas- ja CMS-koeasemien kuvasivuilla!

Keskiviikko 10.9. oli valtaisa menestys. Alkuperäinen tavoite, protonien kierrättäminen myötäpäivään, saavutettiin reilun tunnin työskentelyn jälkeen. Iltapäivällä saatiin protoneita kierrätettyä toisen suihkuputken avulla myös vastapäivään.

Harjoittelu LHC-kiihdyttimen avulla jatkui vielä tämänkin jälkeen. Päivän saldoksi tuli 300 täyttä kierrosta kiihdyttimen ympäri, eli alkuperäinen tavoite saavutettiin 30 000%:sti! Yöllä harjoittelua jatkettiin vielä siten, että koeasemien vieressä olevia kollimaattoreita suljettiin, jolloin koeasemilla voitiin havaita niistä syntyviä hiukkassuihkuja.

Seuraavina tavoitteina LHC:lla on kierrättää samoja protoneita muutamien tuhansien, mahdollisesti satojen tuhansien kierrosten ajan. Koska suihku kulkee 11 000 kierrosta sekunnissa, tämä kestäisi vain muutamien sekuntien ajan. Sen saavuttaminen vaatii protonien synkronoimista kiihdyttimen RF-järjestelmän kanssa. Tämän jälkeen päästäänkin itse asiaan: voidaan mahdollisesti tehdä törmäyksiä 450 GeV:in energioilla (mahdollisesti jo lokakuussa), aloittaa protonien energian nostaminen SPS-kiihdyttimen 450 GeVistä 700 GeViin, ehkä 800 GeViin tai jopa 1 TeViin. Näköpiirissä on myös haasteita, kuten kiihdyttimen suprajohtavien magneettien ominaisuuksiin kuuluva snapback-efekti, joka aiheuttaa jo Tevatron-törmäyttimessä havaittua magneettikentän vaihtelua (tästä aiheesta teknisiä dokumentteja: 1 ja 2). Tämän jälkeen päästäänkin kurkistamaan alueelle, jonne ei koskaan aiemmin ole nähty: huikeille 5 TeV:in törmäysenergioille.

Eilisistäkin hiukkasista on jo upeita kuvia. Alla esimerkiksi CMS-koeasemalla havaittuja sekundaarihiukkasten ratoja. Tällaisista kuvista näemme pian sen, mitä LHC-kiihdytin maailmasta paljastaa!

CMS-koeasema ja sen havaitsemat sekundaarihiukkaset, jotka ovat syntyneet myötäpäivään kulkevan LHC-suihkun osuessa kollimaattoreihin.
CMS-koeasema ja sen havaitsemat hiukkaset, jotka ovat syntyneet myötäpäivään kulkevan suihkun osuessa kollimaattoriin.

LHC-kiihdytin aloitti toimintansa

LHC-kiihdyttimen tämänpäiväinen käynnistys on ollut suuri mediatapahtuma CERNissä. Toimittajat ovat kierrelleet alueella jo päiviä valmistautumassa uutisoimaan tapahtumista tuoreeltaan ja TV-kameroita on vilahdellut siellä täällä. LHC:n ohjaamoon mahtuvien ihmisten määrä on rajoitettu, joten paikalle oli asennettu useita TV-kameroita ja vain avainhenkilöt ja kiihdyttimen valvojat päästettiin aamulla paikalle.

CERNin väki kokoontui aamulla klo 9 alkaen useisiin saleihin ympäri aluetta seuraamaan LHC:n käynnistystä. Itse olin päärakennuksen salissa, joka oli aivan tupaten täynnä väkeä. LHC:n käynnistys alkoi varovasti pisteestä 2 edeten sektori kerrallaan. Aivan kylmiltään LHC:n ohjaamon väki ei tehtävään lähtenyt, vaan suihkun kierrättämistä oli harjoiteltu jo puoli kierrosta myötä- ja vastapäivään, ja puolimatkan CMS-kokeessa nähtiin edellisenä iltana jo ensimmäiset suihkun poistamisesta syntyneet myonit.

Kunkin sektorin jälkeen hiukkassuihku pysäytettiin ja sen kohdistus tarkastettiin. Eteneminen sektorista 2 sektoriin 5 saakka oli nopeaa ja tapahtui noin 20 minuutissa. Sektorista 5 eteenpäin päästiin neitseelliselle alueella ja hiukkassuihkun laatua jouduttiin korjaamaan muutamia kertoja. Tästä huolimatta eteneminen oli odottamattoman nopeaa ja suihku ohitti Atlas kokeen ensimmäistä kertaa pisteessä 1 jo alle tunnissa. Matkalla ehdittiin testata niin kutsutun “beam dumpin” (piste, jossa huonolaatuinen suihku voidaan poistaa) toimintaa sekä ajastaa ilmaisimia yhteen hiukkassuihkun kanssa.

First beam-induced events seen at CMS
Kuva 1 (klo 9:50): Ensimmäiset osumat CMS-kokeella! Hiukkassuihku pysäytettiin kollimaattoreihin juuri ennen pistettä 5, ja ilmaisin havaitsi tästä syntyneitä jäännöshiukkasia. [CMS e-commentary]

Viimeinen etappi alkoi hieman ennen klo 10:30, vain vähän reilu tuntia sen jälkeen kun ensimmäinen suihku oli saatu kiihdyttimeen klo 9:15. LHC-kiihdyttimen johtajan Lyn Evansin opastuksella kaikki seurasivat suihkun paikkaa seuraavaa ilmaisinta, jossa täyden kierroksen tehnyt suihku näkyisi kahtena pisteenä (yksi piste kummaltakin ohituskerralta). Tarkalleen Evansin laskettua 3, 2, 1… hiukkassuihku 1 saatiin kiertämään ensimmäisen kerran ja salissa puhkesivat raikuvat aplodit!

First complete LHC orbit!
Kuva 2 (klo 10:25): Hiukkassuihku on juuri tehnyt ensimmäisen täyden kierroksen ja palannut takaisin pisteeseen 2. [CMS e-commentary]

Kerrassaan loistava suoritus LHC:n rakentaneilta ihmisiltä! Paineet ovat varmasti olleet kovat, kun sadat toimittajat ja tuhannet kollegat seurasivat käynnistyksen etenemistä silmä kovana. LHC-väellä on nyt syytäkin hymyillä.

LHC:n ohjaamo jatkaa nyt ohjaamalla hiukkassuihkua 2 (vastapäivään kulkeva suihku) ensimmäiselle kierrokselle samaan tapaan kuin suihku 1 (myötäpäivään) jo teki.

CMS-kokeen päiväkirjamerkintöjä sekä kuvia CMS-kokeen havaitsemista LHC-kiihdyttimen synnyttämistä hiukkasista voi katsella osoitteessa:
http://cmsdoc.cern.ch/cms/performance/FirstBeam/cms-e-commentary.htm

edit klo 15:00: Hiukkassuihku 2 teki juuri ensimmäisen kierroksen kiihdyttimen ympäri! Molemmat suunnat on nyt testattu, ja hiukkassuihku 1 on tehnyt parhaimmillaan kolme täyttä kierrosta.

P.S. Nelosen uutisissa juttua tänään klo 19:30.

Ensimmäinen kierros!

Suorana CERNistä, LHC:n hiukkassuihku 1 on juuri tehnyt ensimmäisen täyden kierroksen hieman ennen klo 10:30 (CERN, GMT+2) raikuvien aplodien saattelemana!

LHC first turn
Kuva: Hiukkassuihku on kiertänyt ensimmäisen täyden kierroksen ja osunut uudelleen suihkumonitoriin. [LHC logbook]

Kysymyksiä hiukkasfyysikolle

TT -jutun kuva
Kuva: Olisiko Higgs jäänyt tänne kiinni? [(C) CERN]

Hiljattain ilmestyneessä Tekniikka & Talous -lehdessä esitettiin joukko kysymyksiä hiukkasfyysikolle, aiheena LHC ja CERNissä tehtävä tutkimus. Mikä on Higgsin hiukkanen ja miksi se on niin tärkeä? Entä jos sitä ei löydykään? Näihin ja moniin muihin kysymyksiin voi etsiä vastausta lehden nettijulkaisusta:

http://www.tekniikkatalous.fi/tk/article120091.ece

Lisää kysymyksiä voi myös esittää blogin kommenteissa!