LHC:n ensimmäiset 7 TeV:n törmäykset

Tiistai 30.3.2010 jää historiaan päivänä, jolloin ihmiskunta aloitti aineen perusominaisuuksien tutkimisen aikaisemmin kartoittamattomalla energia-alueella. LHC-kiihdytin tuotti ensimmäiset 7 TeV:n protoni-protonitörmäytykset, ja myös käynnisti saman tien niiden rutiininomaisen tuottamisen. Blogissa raportoimme nyt tunnelmista LHC:n Point 5:lta, CERNin rakennuksesta 40 (“fyysikkorakennus”, jossa on selkeä CMS- ja Atlas-rajalinja), sekä Helsingin Kumpulasta.

 

CERNissä LHC:n 7 TeV:n ajon starttia seurattiin useassa eri kohteessa: koeasemilla, kiihdyttimen ohjaamossa, Atlas- ja CMS-fyysikkojen suosiman rakennuksen 40 aulassa sekä pitkin päivää vilkaisuina omilla työasemilla pyörivään LHC:n webcast-lähetykseen.

Heti aamusta lähtien tunnelma CMS:n kontrollihuoneessa Point 5:lla oli innostuneen odottava ja huone kuhisi kiireisestä valmistelusta sekä itse mediatapahtumaa että törmäyksiä varten. Kaikki kynnelle kykenevät asiantuntijat olivat paikalla ilmaisimen operaattorien lisäksi ja välillä tuntuikin, ettei sen paremmin tuoleja kuin tilaakaan meinannut riittää kaikille halukkaille. Onneksi sopu sijaa antaa.

Hienoista pettymystä oli ilmassa, kun ensimmäinen yritys nostaa hiukkassuihkun energiaa 3.5 TeV:iin aamulla epäonnistui. Toisaalta, koska kyse oli sähköisestä häiriöstä pikaisen selvityksen perusteella, tunnelma ei latistunut liikaa ja valmistelut seuraavaa yritystä varten tehtiin suurella innolla. Lopulta lounasaikaan molemmat hiukkassuihkut oli saatu nostettua 3.5 TeV:in energiaan ja lähestulkoon yllätyksenä CMS näki ensimmäiset törmäykset klo. 13. Yllätyksenä siksi, että vaikka ilmaisimen valmistelussa törmäyksiä varten oltiin otettu pieni varaslähtö ja kaikki ilmaisimen osat olivat tiedonkeruumoodissa jo kello 13 (Suomen aikaa klo 14), törmäykset alkoivat n. 20 minuuttia ennen kuin niiden kuviteltiin alkavan LHC:n alunperin antamien tietojen pohjalta! Tämä tietysti sai aikaan valtaisat aplodit kontrollihuoneessa ja videolinkin välityksellä ympäri maailmaa kaikkialla, missä CMS-fyysikot seurasivat päivän tapahtumia.

Panja operoimassa CMS detektoriaKuva 1: Panja Luukka CMS-ilmaisimen valvomossa onnistuneiden ensimmäisten hiukkastörmäysten jälkeen.

ShamppanjaaKuva 2: Shamppanjaa törmäysten kunniaksi P5:lla.

CERNin rakennuksessa 40 hiukkassuihkujen energian lähestyessä klo 13 maissa paikallista aikaa 3.5 TeV:n energiaa väkeä alkoi kertyä sankoin joukoin seuraamaan törmäysten alkua kahdelle puolelle aulaa sijoitetuilta ruuduilta. Atlas-puoli vei tällä kertaa pisteet sujuvammin pyörivästä videolähetyksestä ja kovemmalle säädetystä äänestä, kun taas CMS-puoli veti mojovat aplodit ensimmäisen törmäyskuvan lävähdettyä kokoruudun kokoisena esiin vain minuutteja sen jälkeen, kun hiukkassuihkut alkoivat törmätä.

Kuva 3: Fyysikkoja seuraamassa LHC:n 7 TeV ajon käynnistymistä CERNin rakennuksen B40 aulassa CMS-puolella.

Tapahtumaa seurattiin myös Helsingin CMS Centerissä Kumpulan Physicum-rakennuksessa, jossa pidettiin kaikille avoin mediatapahtuma. Eri puolille maailmaa oli rakennettu 35 CMS Centeriä, joihin toimitettiin CERNin korkean resoluution webcast-kuvaa, ja joissa seurattiin CERNin ja erityisesti CMS-ilmaisimen tapahtumia. Paikalla oli noin viitisenkymmentä henkilöä, joukossa myös Ylen, MTV3:n ja Nelosen kuvausryhmät. Tunnelma muuttui hetkessä jännittyneestä helpottuneeksi, kun valkokankaalle ilmestyneelle törmäyskuvalle päästiin vihdoin aplodeeraamaan.

Kuva 4: Helsingissä seurattiin tapahtumia viideltä näytöltä, vasemmalla meneillään CERNin pääjohtajan Rolf Heuerin haastattelu
Kuva 5: Aplodeerausta Helsingissä ensimmäisten törmäyskuvien ilmestyttyä seinälle

Mutta entäpä ensimmäisten törmäysten jälkeen? Lisää törmäyksiä, ja paljon! LHC ei tuottanut 30.10.2010 ainoastaan muutamaa hienoa törmäytystä, vaan aloitti saman tien niiden tuottamisen rutiininomaisella tavalla. Törmäytyksiä alkoi jo alusta alkaen syntyä noin 50 hertzin taajuudella (kullakin koeasemalla), ja seuraavien kolmen tunnin kuluessa saatiin nauhoitettua yli puoli miljoona törmäytystä. Uuden energia-alueen systemaattinen kartoittaminen lähti toden teolla käyntiin!

Linkki CERNin lehdistötiedotteeseen

Point 5:lta raportoi Panja Luukka, rakennus 40:stä Mikko Voutilainen ja Kumpulasta Tapio Lampén.

Kohti uutta fysiikkaa

LHC-kiihdytin aloittaa ensimmäisen pitkän mittausrupeamansa tiistaina 30.3.2010 törmäyttämällä protoneja ennätyksellisellä 7 TeV:n energialla. Cerniin kerääntyy yli sata tiedotusvälineiden edustajaa raportoimaan koeasemien havainnoista, ja tilaisuutta voi seurata Helsingistäkin käsin. Alkava mittausjakso kestää 18-24 kuukautta ja aloittaa uuden energia-alueen systemaattisen kartoittamisen.

Kuva 1: LHC:n 3,5 TeV:n protonisuihkujen tilanne 25.3.2010

Cernin pääjohtaja Rolf Heuer kertoi tiistain lehdistötiedotteessaan, että 3,5 TeV:n hiukkassuihkuja on nyt nyt opittu käsittelemään rutiininomaisella tavalla, ja että suihkuja aletaan törmäyttää keskenään tiistaina 30.3.2010 alkaen klo 10. Törmäytysten ensimmäisiä vaiheita voi seurata koko päivän ajan Helsinkiin perustettavassa CMS-keskuksessa (vapaa pääsy), sekä myös Cernin webcast-lähetyksenä.

“Kahden 3,5 TeV:n protonisuihkun avulla olemme todellakin LHC:n fysiikan tutkimusohjelman kynnyksellä”, toteaa Cernin kiihdytinteknologian johtaja Steve Myers. Hän myös korostaa, että “paljon työtä tarvitaan vielä ennen törmäytyksiä – jo pelkkä protonisuihkujen kohdistaminen on kuin Atlantin vastakkaisilta puolilta ampuisi neuloja vastakkain”. Myersin mukaan ennen törmäysten aloittamista suihkujen ohjausjärjestelmille ja ilmaisimien suojajärjestelmille joudutaan vielä suorittamaan perusteellinen käyttöönottokatsastus, sillä LHC on ainutlaatuinen laite, jonka käyttöönotto on pitkä, asteittain etenevä prosessi.

vaihtoeht teksti
Kuva 2: Fermilabin ja SLACin yhteisesti julkaiseman Symmetry-lehden artikkeli kertoo havainnollisesti, mitä yksityiskohtia törmäystapahtumasta voidaan nähdä

Syksyllä 2008 LHC:n ensimmäiset hiukkassuihkut saatiin kiertämään yllättävän ripeästi, jo muutamassa tunnissa. Myös ensimmäiset hiukkastörmäykset voidaan tiistaina 30.3. saada ensimmäisen tunnin, parin kuluessa, mutta tähän voi myös kulua paljon pidempikin aika. Kun Cern edellisen kerran otti käyttöön suuren hiukkaskiihdyttimen, LEPin (Large Electron Positron collider) vuonna 1989, kesti kolme päivää ensimmäisten törmäytysten synnyttämiseen. Mikäli törmäyksiä ei LHC:ssa saada aikaan tiistaina 30.3., mediatapahtumaa jatketaan samassa laajudessa vielä keskiviikkonakin 31.3.

Kuva 3: LHC-tunnelin huolto- ja tarkastustöissä käytettävät menopelit ovat saaneet lepovuoron protonisuihkujen kiertäessä tunnelissa

Omstart!

Maailman suurin kiihdytin valmistautuu CERNin historian pisimpään yhtenäiseen ajoon puolentoista vuoden hiljaiselon jälkeen. Ensimmäisenä löytönä ei ehkä olekaan Higgsin bosoni, vaan selitys pimeälle aineelle.
.
Kuva 1: Ensimmäisiä CMS-kokeella havaittuja 2.37 TeV törmäyksiä. (c) CMS
.
CERNin maailmanmaineeseen nostaneen ja viikkoa myöhemmin kuuluun haaveriin päättyneen startin jälkeen LHC ja tämäkin blogi ovat viettäneet ulospäin suhteellista hiljaiseloa. Kulissien takana on kuitenkin tehty valtavasti työtä 27-kilometrisen kiihdyttimen korjaamiseksi sekä ilmaisinten virittämiseksi parhaaseen toimintakuntoon. Ensimmäinen fysiikka-ajo häämöttää kuukauden sisään, ja pressitoimisto on jälleen valmistautunut CERNin paluuseen julkisuuden valokeilaan.
.
Syyskuun haaverin jälkipeli on ollut LHC:lle melkoinen voimankoitos. Paikaltaan liikahtaneita ja viottuneita tonnien painoisia ja viisitoista metriä pitkiä dipoli- ja kvadrupolimagneetteja joutui lopulta korjattavaksi yli viisikymmentä ja varakappaleet menivät käytännössä viimeistä myöten. Ultrapuhdasta tyhjiöputkea oli siivottava noesta ja eristeenpaloista neljä kilometriä. Parannettuja turvajärjestelmiä varten täytyi asentaa 900 uutta venttiiliä, 6500 ilmaisinta ja 250 kilometriä kaapelia.
.
Kuva 2: Yhteenveto LHC-kiihdyttimille syyskuun 2008 haaverin jälkeen tehdyistä korjauksista. (c) CERN
.
Mittaukset paljastivat liitoksissa toisenkin piilevän tyyppivian, jonka kartoittamiseksi tarvittiin muunmuassa 100,000 käsintehtyä mittausta. Kartoituksen perusteella ensimmäisen fysiikka-ajon energiaksi  on päätetty 3.5+3.5 TeV, puolet LHC:n tavoite-energiasta. Kaksivuotiseksi suunnitellun ensimmäisen ajon jälkee tarvitaan vielä reilu vuosi lisäkorjauksia, jotta päästään lähelle 7+7 TeV:n tavoitetta.
.
Tällä hetkellä LHC on jo hyvää vauhtia valmistautumassa pitkään fysiikka-ajoon. Ensimmäiset pilottitörmäykset 0.9 TeV:n ja 2.36 TeV:n energioilla tehtiin jo joulukuun alussa, ja jälkimmäinen törmäysenergia vei LHC:n lopultakin ennätysten kirjoihin maailman korkeaenergisimpänä törmäyttimenä. Edellinen ennätys, 1.96 TeV, oli Fermilabin yhä toimivalla Tevatron-kiihdyttimellä Yhdysvalloissa.
.
Kokeet ovat analysoineet viime kuukaudet saamaansa kalibrointidataa kiivaasti. Ensimmäiset julkaisut 0.9 TeV:n datasta tehtiin jo muutaman päivän päästä ensimmäisistä törmäyksistä  (ALICE, 1.12.) eikä uusiin 2.36 TeV:n tuloksiinkaan kulunut kauaa (CMS, 7.2.). Melkoinen saavutus, kun jälkimmäisen paperin on allekirjoittanut yli 2400 tutkijaa.
Kuva 3: ALICEN ja CMS:n ensimmäiset tulokset mittasivat törmäyksissä syntyvien varattujen hiukkasten lukumääriä ja energiaa 0.9 TeV:n ja 2.36 TeV:n törmäyksissä. Kuva esittää varattujen hiukkasten keskimääräistä lukumäärää per kulmayksikkö eri kulmilla hiukkassuihkuun nähden. Kohta eta=0 x-akselilla vastaa 90 asteen kulmaa suhteessa törmääviin suihkuihin. (c) CMS
.
Juuri alkaneella talvikonferenssikaudella on luvassa paljon tuloksia LHC-kokeilta, jotka esittelevät kykyään analysoida ensimmäistä dataa. Ainakin CMS-kokeella tilanne vaikuttaa erittäin lupaavalta, sillä koe on jo osoittanut kykynsä käyttää koko ilmaisinta tehokkaasti törmäysten heuristiseen analyysiin. Myös koeasemaa mallintava tietokonesimulaatio on osoittautunut lähes ennennäkemättömän tarkaksi, mikä on erittäin tärkeää datan ymmärtämisen kannalta.
.
Kuva 4: Useita hiukkasryöppyjä tuottanut 2.36 TeV:n törmäys CMS-fyysikoiden käyttämällä Fireworks-ohjelmistolla tarkasteltuna. Vihreät viivat esittävät varattujen hiukkasten ratoja, punaiset ja siniset palkit sähkömagneettisen ja hadronisen kalorimetrin mittaamaa energiaa. Keltaiset kartiot sekä niitä vastaavat palkit esittävät rekonstruoituja hiukkasryöppyjä.
.
Seuraavaksi katseet kääntyvät ICHEP-konferenssiin Pariisissa heinäkuun lopussa. Tähän mennessä koeasemien pitäisi olla viimeisen päälle viritetty ja ensimmäisten standardimallia korkealla energialla testaavien fysiikkatulosten olla tulossa.
.
Jos luonto ja tekniikka sallivat, vuoden loppua kohti voi olla jo ensimmäiset mahdollisuudet murskalöytöihin. Yhdysvaltalainen CDMS-kollaboraatio julkaisi juuri joulun kynnyksellä ensimmäisen mahdollisen vihjeen maapalloa ympäröivästä pimeästä aineesta. Eräs suosituimmista selityksistä pimeälle aineelle ovat massiiviset supersymmetriset hiukkaset, joita LHC:kin odotetaan tuottavan, mikäli niitä on olemassa. CDMS-kokeen tutkimalla energia-alueella ne voisivat hyvinkin olla LHC:n saavutettavissa.
.
.
P.S. Tuo otsikon omstart viittaa (teekkari)spekseissä yleisön usein esittämään toiveeseen saada nähdä äskeiset tapahtumat uudestaan muunneltuina.