Lyijyionien aika

CERNin LHC-kiihdytin päätti vuoden 2010 protoni-protoni-törmäytyksensä, ja aloitti raskaiden ionien törmäyttämiset. CMS-koeasema rekisteröi ensimmäiset kahden lyijy-ytimen törmäytykset maanantain 8.11. vastaisena yönä, ja maanantai-iltapäivällä hiukkassuihkut saatiin vakautettua siten, että päästiin rutiininomaisesti tuottamaan useita tuhansia törmäyksiä. Näissä törmäytyksissä LHC:n synnyttämä törmäytysenergia oli 2,76 TeV kullekin nukleoniparille, mikä on 14-kertainen verrattuna toistaiseksi tehokkaimpaan RHIC-raskasionitörmäyttimeen.

Lyijy-ytimien törmäytys CMS-kokeessa. Raskasionikokeissa syntyy useimmiten hyvin suuri määrä jälkiä.

Protonien vaihtuminen lyijy-ytimiin merkitsi uusia haasteita sekä kiihdyttimelle että koeasemille. Koeasemien kannalta näkyvin ero protonitörmäytyksiin on se, että lyijytörmäytyksissä syntyy kertaluokkia enemmän jälkiä, mikä tekee niiden havaitsemisesta ja jälkien erottelemisesta vaikeampaa. Tapahtumien syvälliseen tulkitsemiseen tarvitaan toki tietokonetta, mutta visuaalisena elämyksenä raskaiden ionien törmäytyskuvat ovat kerrassaan huikaisevia!

Linkki CMS-kokeen lehdistötiedotteeseen. Tiedotteen lopussa on myös suomenkielinen tiedote, tässä suora linkki.

Linkki reaaliaikaiseen CMS:n törmäysnäyttöön: katso, mitä juuri tällä hetkellä tapahtuu!

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

Syyskuun haaverin jälkipeli

Syyskuussa sattunut kiihdyttimen rikkoutuminen on aiheuttanut melkoisesti muutoksia LHC:n aikatauluun sekä selvityksiä haaverin syistä. Onnettomuuden perimmäinen syy on suurella todennäköisyydellä virheellisesti tehty suprajohtavien kaapelien liitos, vaikka alkuperäistä liitosta ei olekaan voitu tutkia sen sulettua täydellisesti.

Valokaari dipolimagneettien liitoksessa
Kuva: Dipolimagneettien liitos ennen ja jälkeen syyskuun haaverissa purkautunutta valokaarta. (Lähde: P. Lebrun, Chamonix 2009)

Jatkotutkimuksissa kiihdyttimestä paikannettiin toinenkin vastaava korkeavastuksinen liitos, joka on tuotu maan pinnalle korjattavaksi ja vahvistaa hypoteesia asennusvirheestä.

Osasyynä haaveriin oli se, etteivät aiemmat turvajärjestelmät olleet riittävän herkkiä ja reagoineet ongelmaan ajoissa. Jälkikäteen ohmisen vastuksen kasvu kyllä nähtiin kiihdyttimen lokitiedoista, mutta automaattisen hätäpysäytyksen raja-arvot ylittyivät liian myöhään, noin puolen sekunnin viiveellä. Siten suuri osa magneettien energiasta (puolet noin 600 MJ:sta eli 170 kWh:sta) pääsi purkautumaan valokaarena onnettomin seurauksin.

Alkuperäisissä seurantajärjestelmissä ei osattu odottaa ohmista vastusta ainoastaan kaapelien liitoksessa vaan jännitettä mitattiin koko 15 m mittaisen dipolimagneetin matkalta. Näin liitoksen jännitteen mittaustarkkuus rajoittui käytännössä noin yhteen volttiin. Uudet menetelmät parantavat mittaustarkkuutta 0,3 millivolttiin, joka vastaa 25 nano-ohmin vastusta.

Kaikki vielä kylmät sektorit on haravoitu läpi toisten ongelmallisten dipolien varalta. Tuloksena löytyi yksi dipoli, jossa oli mitattu 100 nano-ohmin vastus sekä pari dipolia 25–50 nano-ohmin vastuksilla. Ne on nostettu maan päälle korjattavaksi. Vertailun vuoksi, haaverin aiheuttaneen dipolin vastukseksi on arvioitu 220 nano-ohmia.

Aiemmat turvajärjestelmät perustuivat olettamukseen, että suprajohtavissa kaapeleissa syntyvä resistiivinen alue leviää nopeasti koko kaapelin matkalle, mikä rajoittaa yksittäiseen pisteeseen kohdistuvaa lämpökuormaa. Suprajohtavien kaapelien välinen liitos on kuitenkin rakenteeltaan poikkeava ja voi paikallistaa lämpökuorman hyvin pienelle alueelle, kuten syyskuun onnettomuudessa kävi.

Tämä riitti sulattamaan ympäröivän alueen ja aiheuttamaan valokaaren, joka puhkaisi heliumia kuljettavan putken, jossa suprajohtava kaapeli kulkee. Näin kaasua pääsi purkautumaan magneettien kylmää massaa ympäröivään tyhjiötilaan. Samalla myös odotettua pienempi osuus lämmöstä siirtyi magneettien rautakylmämassaan ja kiehuvan heliumin määrä kasvoi.

Haaveriin laajuutta lisäsikin juuri se, ettei suunnitelmissa osattu ennakoida pahimmassa tapauksessa vapautuvan heliumin määrää (n. 20 kg/s). Turvaventtiilit kyllä päästivät heliumia karkaamaan, mutta liian hitaasti (n. 2 kg/s). Näin paine (15 baria) kasvoi yli sallittujen rajojen (1.5 baria), ja magneetteja ympäröivässä tyhjiötilassa paine pääsi vahingoittamaan ja siirtämään lukuisia viereisiä magneetteja. Uusilla jälkiasennettavilla turvaventtiileillä sekä magneettien vahvistetuilla lattiakiinnikkeillä vastaavat vahingot saadaan rajattua huomattavasti pienemmälle alueelle.

Syyskuun haaverissa ei turvamääräysten ansiosta loukkaantunut ihmisiä, mutta vapautunutta heliumia levisi laajalle alueelle. Uusissa turvaohjeissa turvamarginaalia lisätään entisestään ja rajoitetaan henkilöstön oleskelua myös testattavia sektoreita ympäröivillä alueilla sekä koeasemilla.

Haaverin syyt ovat jo kokonaisuudessaan melko hyvin selvillä ja tarvittavat korjaukset suunniteltu. Lisää LHC:n jatkosuunnitelmista ja uudesta aikataulusta seuraavassa blogipostissa.

Jutun lähteenä on käytetty pääasiassa P. Lebrunin puhetta Chamonix’ssa helmikuussa järjestetyssä LHC-workhopissa.