Maailma suurim teadusaparaat

Eelmises Horisondis oli juttu, mis on peatselt CERN-is käiku minev Suur Hadronite Põrkur (LHC) ja milleks teda vaja läheb. Nüüd on aeg kirjeldada veidi lähemalt LHC-d ennast.

Nagu juba tookord sai mainitud, on LHC mõeldud prootonite ja raskete aatomituumade kiirendamiseks. Tekstile lisatud joonis kujutab LHC-d skemaatiliselt. Anname mõned olulisemad faktid selle juurde: kogu kiirendi paikneb 27-kilomeetrise ümbermõõduga maa-aluses tunnelis keskmiselt 150 meetri sügavusel. Kuuest erinevas punktis on tunnelil ühendus maapinnaga. Neljas punktis asuvad suured detektorid ja kaks ülejäänud punkti on mõeldud tehniliseks teenindamiseks. Lisaks kiirendile paiknevad tunnelis elektritoiteks vajalikud seadmed, torustikud vedela lämmastiku ja heeliumi transpordiks ning sinna peab jääma veel nii palju ruumi, et mahuks transportima kõiki detaile, millest kiirenditoru ja lisaseadmed ehitatakse. Kogu kiirendi ehitus läheb maksma umbes kolm miljardit eurot.

Kaks kiirendit ühes torus

Nagu jooniselt näha, on LHC puhul ühte torusse ära mahutatud tegelikult kaks kiirendit, ühes kiirendatakse osakesi päripäeva ja teises vastupäeva. Selline omapärane lahendus muudab kiirendi koguhinna tunduvalt madalamaks. Kui kiirendatavad osakesed on saavutanud piisava energia, siis fokuseeritakse ja suunatakse need vastassuunaliselt liikuvad kimbud omavahel kokku põrkepunktides. LHC-l on neli sellist põrkepunkti ja igas sellises punktis paikneb üks detektor: ATLAS, Alice, CMS ja LHCb. Neist ATLAS ja CMS on universaalsed ja väga suured detektorid. Alice ja LHCb väiksemad ning mõeldud konkreetsete osakestefüüsika protsesside uurimiseks. Kiirendi toru valmistamistäpsus küündib mikromeetriteni ja nii tuleb LHC seadistades arvestada kõikvõimalike, vahel lausa veidrate väliste mõjudega. Näiteks tuleb arvesse võtta õhurõhku ja isegi lähedal asuva Genfi järve veetaset!

LHC kiirendab prootoneid energiani 7 TeV ehk kahe vastassuunalise prootoni kokku põrgatamisel on nende nn masskeskme põrkeenergia 7 + 7 = 14 TeV. 7 TeV energiaga prootonid liiguvad kiirusega, mis on tervelt 99,9999991 protsenti valguse kiirusest. Säärase kiirusega teeb prooton LHC-s ühes sekundis tervelt 11 000 ringi, jõudes 22 000 korda sekundis "rikkuda" Prantsuse-Šveitsi piiri! Kiirendis tiirlevad prootonid ei liigu seal ühtlase voona, vaid nad koondatakse kimpudesse. Põhjus peitub selles, et prootoneid kiirendatakse raadiosagedusliku mikrolainekiirgusega ja see ei saa kiirendada laetud osakest pidevalt, vaid muudab elektrivälja suunda vastavalt oma sagedusele. Iga selline prootonikimbuke on kiirenditoru suunas paar sentimeetrit pikk ja ristsuunas umbes millimeetrilaiune. Põrkepunktides kimbud fokuseeritakse - surutakse ristsuunas kokku ja kimbu ristlõige väheneb ühe kümnendikuni juuksekarva läbimõõdust. Ühes kimbus on ligikaudu 100 miljardit prootonit ja kogu kiirendis on korraga umbes 3000 kimpu. Tundub suur arv? Siiski, kogu see prootonite hulk kaaluks seistes kokku vaid ligi ühe miljardiku grammi ehk siis ligikaudu sama palju kui üks vähe kopsakamat sorti bakter!

Kui suur võiks olla kõigi LHC-s täiskiirusel tiirutavate prootonite koguenergia? Hoolimata sellest, et need prootonid kaaluvad kokku sama palju kui üks keskmine bakter, on prootonite koguenergia võrdne keskmise (umbes 400 tonni kaaluva) 200 km/h liikuva reisirongi liikumisenergiaga! Selge on see, et sellise energia valitsemine nõuab suurt täpsust ja ettevaatust. Kui prootonite kiir peaks kalduma kõrvale temale ettenähtud teekonnast kiirenditoru sees ja tabama mõnda kiirendit ümbritsevat objekti, siis põhjustaks see korraliku hävitustöö. Lisaks suurele energiale, mis kuumutaks ja kahjustaks materjale, tekitaks kiir väga kõrge radioaktiivse jääkkiirguse kahjustatud piirkonnas. Et seda vältida, on kogu kiirendi varustatud spetsiaalsete anduritega ja kui avastatakse kiire vähimgi kõrvalekaldumine, suunatakse kogu kiir nn kustutuskambrisse, kus see sumbub spetsiaalselt selleks puhuks valmistatud massiivsetes grafiidist plokkides. Kuna kiirendi paikneb ligi 150 meetri sügavusel maa sees, siis ei kujuta see mingit ohtu maapealsele keskkonnale.

Kiirendatud prootonite kimpusid hoitakse kiirendis, juhitakse ja fokuseeritakse ülivõimsate ülijuhtivast materjalist mähistega elektromagnetite abil. Arvuliselt enamiku magnetitest moodustavad LHC dipoolid. Need on magnetid, milles magnetvälja tugevus on 8,3 teslat (T), see on 200 miljonit korda tugevam kui Maa magnetväli. Nii tugevat magnetvälja tekitamiseks läheb dipoolis vaja voolu tugevusega 11 700 amprit (A), see on ligikaudu 200 keskmise eramaja maksimaalne elektrivoolutugevus kokku! Selge on see, et sellist voolutugevust suudab taluda vaid ülijuhtiv materjal. Kui tavalises juhtivas materjalis, näiteks vases, muutub osa vooluenergiast alati soojusenergiaks, siis ülijuhtivas materjalis sellist kadu pole. Kahjuks tekib ülijuhtivus alles väga madalate temperatuuride juures, LHC dipoolides kasutatava nioobiumi ja titaani sulamis alles 10 K (-263 ˚C) juures. Et saavutada väga stabiilset ülijuhtivust ning parandada heeliumi voolavust ja soojusjuhtivust, siis jahutatakse dipooli mähis kogunisti 1,9 K juurde

(-271 ˚C). Kuna pea kogu kiirendi toru on kaetud erinevate magnetitega, siis on LHC näol tegemist maailma kõige suurema ja ühtlasi ühe külmema külmutuskapiga!

Kokku vajab LHC oma tööperioodil elektrilist võimsust 130 megavatti, see on ümmarguselt võrdne umbes ühe kümnendikuga Eesti elektrijaamade keskmisest võimsusest. Põhiline osa energiast kulub kiirendust tekitavatele seadmetele, heeliumi ja lämmastiku kompressoritele ning pumpadele jahutussüsteemis, ja elektroonikaseadmetele.

Eespoolöeldust võib selgesti näha, millise imelise insenertehnilise saavutusega on LHC näol tegemist. Samas, osakestefüüsikut huvitab ennekõike kaks kiirendi parameetrit: põrkuvate osakeste masskeskme energia ja ajaühikus toimuvate põrgete arv. Nagu juba öeldud sai, prootonite põrkumise masskeskme energia on 14 teraelektronvolti (TeV). Teise parameetri kohta võib öelda, et oma tippvõimsuse juures peaks LHC-l toimuma kokku 600 miljonit prootonite mitteelastset põrget sekundis. See tähendab, et prootonite kimbud suunatakse omavahel kokku ligi 32 miljonit korda sekundis ja igas sellise kimpude kokkupõrkes toimub tegelikult keskmiselt 20 prootonite kokkupõrget. Sellise võimsuse saavutab LHC alles kunagi oma tegutsemise lõpp-perioodil. Alustatakse tunduvalt väiksemate põrkesagedustega, esimeses tööfaasis on planeeritud ligi kümme korda väiksem põrgete sagedus.

LHC Computing Grid ehk LHC Arvutusvõre

Iga osakeste põrge salvestatakse detektorites. Kuna iga osakestepõrge võib toota tuhandeid sekundaarseid osakesi, siis võib vaid ette kujutada, kui suur on LHC poolt toodetud infovoog. Sekundis toimub 600 miljonit põrget, millest igaüks tekitab veel omakorda võimsa kaskaadi osakesi detektoris, seega kokku toodavad LHC detektorid ligi 50 korda rohkem infot kui kõik maailma telejaamad kokku! Pärast eeltöötlemist, mille käigus vähem oluline info välja visatakse, jääb siiski igal aastal alles umbes 10 petabaidi ehk 10 000 terabaidi jagu infot. Selline infohulk täidaks ära rohkem kui 100 000 DVD-d. Kogu see info tuleb muuta kättesaadavaks teadlastele, kes hakkavad sealt otsima neid huvitavaid füüsikalisi protsesse, näiteks Higgsi bosonit või supersümmeetrilisi osakesi.

Kuidas sellega hakkama saada? LHC projekti juures töötab ligi 4000 teadlast, kes kõik sooviks antud andmetele ligi pääseda. Ei ole ju võimalik teha neile kõigile 100 000 DVD-d ja need siis näiteks postiga mööda maailma laiali saata. Et seda probleemi lahendada, hakati juba 1990. aastate keskel mõtlema võimalikele lahendustele. Selle aastatuhande alguses tehti otsus, et lahenduseks saab olema uus hajusinfotehnoloogiline vahend nimega võretehnoloogia (ingl - grid technology). Grid ehk Võre on tehnoloogia, kus palju võimsaid arvuteid ja andmehoidlaid ühendatakse omavahel üle interneti ning need muudetakse lõppkasutajale (antud juhul osakesefüüsikule) mugavalt ja automaatselt kättesaadavaks. See on keeruline ülesanne: tagada tuleb turvalisus, et füüsikud pääseksid ligi ainult nendele andmetele, mis on neile lubatud jne.

Seega on kogu LHC jaoks vajalik arvutusvõimsus ja andmehoidlad ühendatud suurde nn Võresse. LHC tippvõimsuse juures peab olema LHC jaoks Võresse ühendatud ligi 80 000 arvutit ja Võre andmehoidlatesse peab kokku ära mahtuma vähemalt ühe aasta jagu LHC detektorite poolt salvestatud andmeid. Lisaks sellele peavad LHC arvutite vahelised internetiühendused suutma läbi lasta vajaliku koguse andmeid. Siiski, Võre pole mõeldud üksnes füüsikutele - seda plaanitakse tulevikus kasutada alates arvutuskeemiast ja bioloogiast kuni meditsiini ja inseneriteaduseni.

LHC ja Eesti

Nagu mainitud, pole Eesti riik CERN-i täieõiguslik liige. Siiski, Eesti riigi ja CERN-i vahel on olemas kahepoolne koostööleping, mis võimaldab Eesti teadlastel töötada CERN-is. Lisaks teadlastele saavad lepingu järgi Eesti füüsika- ja infotehnoloogia tudengid käia seal praktikal ja suvekoolides.

Eesti füüsikute tegevust CERN-i juures koordineerib Keemilise ja Bioloogilise Füüsika Instituut (KBFI) Tallinnas. CERN-i projekti koordinaatoriks ja teadustöö juhiks on KBFI juhtivteadur ja üks edukamaid noorema põlvkonna füüsikuid Martti Raidal. Hetkel osaleb tema poolt juhitava CMS Eesti töörühmas seitse noort teadlast: Mario Kadastik, Yuji Kajiyama, Ilja Livenson, Mait Müntel, Liis Rebane ja kaks käesoleva loo autorit. CERN-i kahekuulistes suvekoolides on osalenud viimase kolme aasta jooksul tervelt 19 Eesti tudengit.

Eesti CMS-i töörühma tegevuse võib laias laastus jagada neljaks: füüsika, andmetöötlusmudelite ja võresüsteemide arendamine ning CERN suvetudengite juhendamine. Füüsika poole pealt tegeldakse põhiliselt uue, Standardmudeli edasiarenduse ja selle füüsika võimalike eksperimentaalsete signaalide otsimisega nii LHC-s kui kosmoloogias. Hetkel on teadusrühm füüsika poole keskendatud kolmele põhilisele suunale. Esiteks, uuritakse väga moodsaid väikse Higgsi teooriaid, kus modelleeritakse ja otsitakse topeltlaetud Higgsi signaale LHC CMS-i detektoris. Mudeleid seostatakse ühtlasi ka neutriinofüüsikaga. Teiseks, konstrueeritakse erinevaid uusi mudeleid, mis seostavad omavahel teadaolevaid Standardmudeli väliseid nähtusi, ja otsitakse neile vastavaid signaale LHC CMS-i detektoris. Kolmandaks. LHC füüsikaprogrammiga tahetakse siduda ka aine-antiaine asümmeetria ja kosmoloogilise tumeda ainega seotud fenomenoloogiat. Unustatud pole ka n-ö tavalist, Standardmudelit, Higgsi. Selle otsimiseks pakutakse välja uudseid andmekaevanduste tehnoloogial põhinevaid meetodeid.

Väga palju tehnilist tööd nõuab KBFI ühendamine LHC Võresüsteemiga ehk siis LHC Gridiga. KBFI-s asub üks Eesti võimsamaid arvutiklastreid (hetkel 100 protsessorit) ja kindlasti Eesti suurim andmehoidla (20 terabaiti). KBFI ja EENet osalevad Euroopa Liidu BalticGrid projektis, mille eesmärk on toetada Võre infrastruktuuri loomist Eestis ja leida sellele uusi rakendusi. Juba on olemas esmane koostöö meditsiiniasutustega ja bioinformaatikutega. Ehk veidi üllatav on see, et ka filmi- ja animatsioonitootjad tunnevad huvi võretehnoloogia vastu. Tänapäevane animatsioonitööstus vajab samuti võimsaid arvuteid, suuri andmemahtusid ja nendega arvutite omavahelist automatiseeritud andme- ja protsessivahetust. Teadlaste ja ettevõtjate koostööst on Eestis tekkinud esimene spin-off ettevõte Boson OÜ sellealaste rakenduste arendamiseks.

LOE VEEL

Eesti CMS töörühma veebileht: http://hep.kbfi.ee

Jaak Lõhmus. Universum - eosed laboris. Horisont 6/2004, lk 10-15.

Kogumik "Universumi mikromaailm". Koostanud-toimetanud Jaak Lõhmus ja Rein Veskimäe. OÜ Reves Grupp, 2003.

ANDI HEKTOR (1975) on lõpetanud Viljandi C.R. Jakobsoni nimelise gümnaasiumi ja Tartu Ülikooli füüsika erialal. Ennast täiendanud ja töötanud Aarhusi, Uppsala ja Helsingi Ülikoolis, Davy Faraday Research
Laboratory's Londonis ja CERN-is Genfis. Aastast 2002 Keemilise ja Bioloogilise Füüsika Instituudi teadur. Tööalane tegevus: CERN-i CMS eksperiment, EURATOM-i fusiooniuuringute programm ja BalticGrid projekt.

KRISTJAN KANNIKE (1978) on lõpetanud Kohila gümnaasiumi. Õppinud keemiat Tallinna Tehnikaülikoolis ja füüsikat Tartu Ülikoolis. Füüsikamagister (2005). Tartu Ülikooli doktorant. Täiendanud end Helsingi Ülikoolis ja CERN-is. Tööalane tegevus: CERN-i CMS eksperiment ja BalticGrid projekt.