Przystanek nauka - portal Uniwesytetu Śląskiego w Katowicach

LHC

LHC znajduje się w ośrodku naukowo-badawczym CERN pod Genewą (Szwajcaria). To największy i najpotężniejszy akcelerator cząstek na świecie: pierścień o obwodzie 27 kilometrów przebiega około 100 metrów pod ziemią. Maszyna wykorzystuje ponad 9000 nadprzewodzących magnesów, tysiące obwodów elektrycznych i setki tysięcy elementów technicznych. Aby magnesy mogły działać w stanie nadprzewodnictwa, cały system chłodzony jest do temperatury około –271°C, czyli zaledwie kilka stopni powyżej zera absolutnego – dzięki największemu na świecie systemowi kriogenicznemu.

Wielki Zderzacz Hadronów nie powstał w jednej chwili – jego budowa była wieloletnim projektem inżynieryjnym, a od momentu uruchomienia maszyna przechodziła już kilka dużych modernizacji. Budowę LHC rozpoczęto w 1998 roku. W dużej mierze wykorzystano istniejący tunel o obwodzie 27 km, który wcześniej służył akceleratorowi Large Electron–Positron Collider (LEP). Po jego wyłączeniu w 2000 roku tunel przystosowano do znacznie potężniejszego akceleratora protonów. 10 września 2008 roku dokonano pierwszego uruchomienia akceleratora i wprowadzenia wiązki protonów do pierścienia. Wkrótce nastąpiła poważna awaria, która wymusiła ponad roczną przerwę. Od 2010 roku rozpoczęto regularne zderzenia protonów. To właśnie w danych z pierwszych lat działania LHC w 2012 roku eksperymenty ATLAS i CMS ogłosiły odkrycie bozonu Higgsa.

Fizycy i inżynierowie pracują z obecną instalacją od wielu lat, jej skala i złożoność wciąż robi ogromne wrażenie. Każdy sezon eksperymentów to precyzyjnie zaplanowana operacja obejmująca synchronizację dziesiątek systemów technicznych i aparatury badawczej.

Tegoroczny ostatni cykl pracy potrwa cztery miesiące. Najpierw zaplanowano dziewięć tygodni zderzeń protonów, a następnie trzy tygodnie eksperymentów z ciężkimi jonami ołowiu. Sezon zakończą dwutygodniowe testy z wiązkami protonów o wyjątkowo wysokiej intensywności – zawierającymi o około 40% więcej protonów niż standardowe wiązki LHC. Testy te mają sprawdzić, jak obecna infrastruktura reaguje na warunki, które w przyszłości staną się codziennością w zmodernizowanym akceleratorze. Ponieważ tak intensywne wiązki stanowią duże obciążenie dla aparatury, w testach zostanie użyta ograniczona liczba paczek protonów – obecna konfiguracja akceleratora i detektorów nie jest jeszcze przygotowana na pełną skalę przyszłej pracy.

Wielki remont i przygotowania do HiLumi LHC

29 czerwca 2026 roku rozpocznie się czteroletni okres modernizacji akceleratora. W tym czasie część infrastruktury LHC zostanie zdemontowana i zastąpiona nowymi, bardziej zaawansowanymi urządzeniami. Modernizacja obejmie około 1,2 kilometra instalacji – to właśnie tam pojawią się najbardziej innowacyjne elementy przyszłego akceleratora.

Przygotowania do tej transformacji już trwają. Pod ziemią instalowane są nowe systemy techniczne, w tym elementy ogromnych układów chłodzenia, które będą obsługiwać przyszłe magnesy w pobliżu dwóch największych detektorów LHC: ATLAS i CMS. Nowe chłodziarki będą schładzać układy magnetyczne do temperatury około –271,3 °C (1,9 kelwina). Na powierzchni zainstalowano już sprężarki i komory chłodnicze, które wstępnie schładzają hel do –268,6 °C (4,5 kelwina). Ostatnie kilka stopni osiąga się poprzez obniżenie ciśnienia helu krążącego w kriostatach magnetycznych. W procesie tym wykorzystywany jest zestaw czterech sprężarek pracujących szeregowo. Równolegle montowane są podziemne linie kriogeniczne, którymi hel będzie transportowany do poszczególnych elementów instalacji. Pierwszy etap tych prac instalacyjnych został już zakończony.

HiLumi LHC – nowa era badań po 2030 roku

Celem projektu High‑Luminosity Large Hadron Collider jest znaczące zwiększenie tzw. jasności akceleratora. W fizyce akceleratorów termin jasność określa, jak często dochodzi do zderzeń cząstek w detektorach. Im jest wyższa, tym więcej danych mogą zebrać eksperymenty – a to zwiększa szanse na zaobserwowanie niezwykle rzadkich procesów fizycznych. Docelowo HiLumi LHC ma zwiększyć zintegrowaną jasność akceleratora nawet dziesięciokrotnie w porównaniu z pierwotnymi założeniami projektowymi LHC.

Zmodernizowana maszyna powinna rozpocząć pracę około 2030 roku. Tak duża liczba zderzeń pozwoli fizykom znacznie dokładniej badać znane zjawiska, w tym właściwości bozonu Higgsa. Szacuje się, że w trakcie działania HiLumi LHC powstanie około 380 milionów takich cząstek – dla porównania od początku działania LHC wytworzono ich około 55 milionów.

Projekt HiLumi LHC jest realizowany przez CERN we współpracy z blisko 50 instytucjami z ponad 20 krajów. Oprócz państw członkowskich CERN i stowarzyszonych wsparcie finansowe zapewniają m.in. Włochy, Hiszpania, Szwecja, Wielka Brytania, Serbia i Pakistan, a także partnerzy spoza organizacji – w tym Stany Zjednoczone, Japonia, Kanada oraz Chiny.

Jeśli wszystko pójdzie zgodnie z planem, po zakończeniu modernizacji LHC pozostanie najważniejszym narzędziem badań fizyki cząstek na świecie jeszcze przez wiele lat i otworzy nowy rozdział w poszukiwaniu odpowiedzi na pytania o fundamentalną strukturę materii i Wszechświata.

Opracowano na podstawie:
HiLumi LHC
HiLumi LHC: cryogenics equipment arrives underground
Final laps at the LHC