LHC - Large Hadron Collider

Time 2021-10-30 10:06:53

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Large,LHC,Collider,Hadron,

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LHC Status: Shutdown II Einleitung News 2017 (23.05.2017) > 2017 2016 2015 2013 2012 2011 2010 2009 Highlights LHC-bersicht Ziele Beschleunigung > Protonenquelle Bleiionenquelle RFQ LINAC LEIR PSB PS SPS LHC Strahlkontrolle > Dipol Quadrupol Hohlraumresonator Beschleuniger-Systeme > Kontrollrume Injektion/Extraktion Khlsystem Vakuumtechnik Beam Dump Kollimator Beam Position Monitor Kollisionspunkt Ringgeometrie > Geometrie Tunnel Geographische Lage Experimente > ALICE ATLAS CMS LHCb LHCf TOTEM Detektor-Systeme > Photomultiplier Szintillator Driftrohr RICH TRD Datenverarbeitung Detektor-Aufzeichnungen > Simulationen ALICE CMS ATLAS LHCb TOTEM LHCf Gefahren und Risiken > Radioaktivitt Energie des Teilchenstrahls Magnetfeld Schwarze Lcher Technologietransfer LHC-Parameter Geschichte > CERN LHC Webcam > ATLAS CMS LHC Online Links Glossar Kontakt
Vorwort

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"Nicht nur die kleinsten Teilchen sollten geteilt werden..." _WeeShare

LHC-Facts erlaubt Ihnen einen detaillierten Einblick in die komplexeste Maschine der Welt - dem Large Hadron Collider (LHC). Im Newsbereich finden Sie die aktuellsten Meldungen ber die Entwicklung des Beschleunigers und die neusten physikalischen Erkenntnisse. Durch die integrierten Vistarseiten, welche ca. alle 10 Sek. aktualisiert werden, knnen Sie den LHC Betrieb live mitverfolgen. Ebenfalls im Newsbereich eingebunden ist das Mitteilungssystem "LHC-Announcer", eine elektronische Stimme, welche die Wissenschaftler im Kontrollraum jederzeit ber wichtige nderungen der LHC-Parameter informiert. Die neusten Meldungen knnen Sie auch ber verfolgen.
LHC Status (live)
Was luft gerade beim LHC? Typische LHC-Vistarseite. (Reload ca. 10 Sek.)
Einleitung
Die Forschungsschwerpunkte der Teilchenphysik beschftigen sich mit der Erforschung grundlegender physikalischer Gesetze, die ber die elementaren Bausteine der Materie und der Struktur von Raum und Zeit herrschen. Die Inbetriebnahme des LHC, dem Large Hadron Collider, eines der grssten und globalen wissenschaftlichen Projekte aller Zeiten, markiert einen Wendepunkt in der Teilchenphysik. Proton-Proton und Bleiionen-Zusammenstsse mit einer noch nie dagewesenen Energie knnten in den kommenden Jahren ganz neue Einblicke erffnen und mglicherweise einige der fundamentalen Fragen der modernen Physik beantworten, wie z.B. den Ursprung der Materie, die einheitliche Behandlung der fundamentalen Krfte, neue Formen der Materie und zustzliche Dimensionen von Raum und Zeit.

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts waren die Wissenschaftler der Meinung, die meisten fundamentalen Prinzipien der Natur verstanden zu haben. Jedoch beginnend mit Einsteins Relativittstheorie, welche die Newton'sche Mechanik ersetzte, wurde den Wissenschaftlern klar, dass ihr Wissen weit von jeglicher Vollstndigkeit entfernt war. Das spezielle Interesse galt dem wachsenden Bereich der Quantenmechanik, die die Grundlagen der Physik vollstndig vernderte.
Mit Beginn der ersten Kollisionsexperimente fand man heraus, dass Atome bei weitem nicht als elementare Bausteine der Natur verstanden werden konnten, sondern dass sie aus noch kleineren Bestandteilen bestehen. Ein ganzer Teilchen-Zoo wurde durch die Kollisionsphysik entdeckt. Die Gesetzmssigkeiten dieser Teilchen blieb den Physikern aber lange Zeit ein Rtsel.
Mit der Quark-Theorie von M. Gell-Mann und G. Zweig konnten nicht nur die Gesetzmssigkeiten in diesem Teilchen-Zoo beschrieben werden, sondern auch sehr viele bis dato unbekannte Teilchen vorhergesagt werden, welche in spteren Beschleunigerexperimenten nachgewiesen werden konnten. Seit nunmehr ber 30 Jahren ist dadurch schrittweise eine Theorie entstanden, die auf den Gesetzen der speziellen Relativittstheorie und der Quantentheorie basiert, und heute als das "Standardmodell der Teilchen und Wechselwirkungen" bezeichnet wird.

Doch obwohl das Standardmodell (SM) nahezu alle bisherigen teilchenphysikalischen Beobachtungen erklren kann, reicht es nicht aus, um unsere Welt vollstndig zu beschreiben. So ist es weder in der Lage die gravitative Wechselwirkung zu beschreiben, noch die drei anderen Grundkrfte (starke Wechselwirkung, schwache Wechselwirkung, elektromagnetische Kraft) in einer einzigen Theorie zu vereinen. Ausserdem folgen bestimmte freie Parameter nicht aus der Theorie selbst, sondern mssen experimentell bestimmt werden.
Ein weiteres Problem des Standardmodells ist, dass die Teilchen, welche die Theorie bisher vorhergesagt hat, eigentlich keine Masse haben drften. Dies deckt sich aber in keinster Weise mit der Beobachtung. Alleine die Masse des Top-Quarks, entspricht fast derjenigen eines Goldatoms. Dieses schwerwiegende Problem knnte durch den Higgs-Mechanismus gelst werden, aus dem ein weiteres hypothetisches Teilchen hervorgeht - das Higgs-Boson. Dessen genaue Masse geht allerdings nicht aus der Theorie hervor, sondern entspricht ebenfalls einem freien Parameter, welcher experimentell gemessen werden muss. Im Jahr 2012 konnte erstmals das Higgsteilchen bei einer Masse von 126 GeV mit dem LHC nachgewiesen werden.

Heute existieren viele alternative Modelle, die auf dem mathematischen Fundament des Standardmodells basieren, es aber derart erweitern, dass dadurch eine Vereinigung der drei Grundkrfte mglich wird (Grand Unification Theory). Andere Modelle unterscheiden sich, durch die Annahme zustzlicher Dimensionen fundamental von der Mathematik des Standardmodells, so z. B. die Stringtheorie. Doch welches Modell beschreibt die Natur am besten?

Um diese Frage zu beantworten, mssen aus einer Theorie Vorhersagen hervorgehen, welche experimentell gemessen werden knnen. Das Problem - viele Theorien der heutigen Teilchenphysik liefern Vorhersagen, die ausserhalb des Energiebereichs bisheriger Teilchenbeschleuniger liegen. Mit dem LHC wurde ein Beschleuniger entwickelt, mit dem die Physiker Zugang zu diesem unbekannten Energiebereich erhalten und dadurch viele Theorien besttigt oder widerlegt werden knnten.

Was immer mit dem LHC entdeckt werden wird, die Teilchenphysik hlt noch viele berraschungen und neue Fragen bereit. Diese Erkenntnisse werden auch in das noch junge Gebiet der Astroteilchenphysik miteinfliessen. Die mikroskopische Welt der Molekle, Atome und Quarks trifft auf die makroskopische Welt der Planeten, Sterne und Galaxien. Der Kreis ist dabei sich zu schliessen.

"Das Unverstndlichste am Universum ist im Grunde, dass wir es verstehen knnen." Albert Einstein

Was bisher geschah...

Vor 13.8 Milliarden Jahren, Ort: berall
Ereignis: Urknall
Entstehung von Raum 10^-43 Sek. nach Urknall, Ort: berall
Ereignis: Planck-GUT-ra
Die 4 Grundkrfte, elektromagnetische Kraft, starke Kraft, schwache Kraft und die Gravitation liegen als fundamentale Kraft vor, der Urkraft. In der folgenden GUT-ra (Grand Unified Theories) trennt sich die Urkraft in die Gravitation und in die 3 brigen Krfte auf.

Aufspaltung der Krfte unterhalb von 10¹⁶ GeV.

10^-35 bis 10^-32 Sek. nach Urknall, Ort: berall
Ereignis: Inflation
berlichtschnelle Ausdehnung des Raumes um den Faktor 10^50.

10^-30 Sek. nach Urknall, Ort: berall
Ereignis: Baryogenese
Entstehung erster Quarks und Antiquarks. Das extrem heisse Universum liegt zu diesem Zeitpunkt als Quark-Gluonen-Plasma vor.

10^-6 Sek. nach Urknall, Ort: berall
Ereignis: Primordiale Nukleosynthese
Das Universum khlt weiter ab und bildet aus den Quarks erste Protonen und Neutronen. Davon zerstrahlt der grsste Teil mit der Antimaterie.Das Verhltnis Materie/Antimaterie fllt zugunsten der Materie aus. Die Grnde fr dieses Ungleichgewicht sind Gegenstand aktueller Forschung.

10 Sek. nach Urknall, Ort: berall
Ereignis: Kernfusion
Vereinigung von Protonen und Neutronen durch Kernfusion zu ersten Deuterium-Atomkernen.

3 Min. nach Urknall, Ort: berall
Ereignis: Neutronenzerfall
Die Temperatur fllt weiter und die Kernfusion kommt zum erliegen. Die briggebliebenen, freien Neutronen zerfallen in Protonen und Elektronen. Diese bilden leichte Elemente wie Helium, Lithium und Beryllium.

400000 Jahre nach Urknall, Ort: berall
Ereignis: Rekombinationsepoche
Das Universum hat sich soweit abgekhlt, dass immer stabilere Atome entstehen. Die Dichte nimmt weiter ab und das Universum wird durchsichtig.

200 - 550 Mio. Jahre nach Urknall, Ort: Lokal
Ereignis: Sternentstehung/Galaxienbildung
Es bilden sich Gaswolken die sich durch Gravitation immer mehr verdichten und die ersten Sternenfeuer entznden. Diese gruppieren sich zu ersten Galaxien, darunter auch unsere Milchstrasse deren Alter auf 13.6 Mia. Jahren geschtzt wird.
Nach heutigen Beobachtungen der Rotationsgeschwindigkeiten von Galaxien und der Berechnung ihrer Massen, mssten die Galaxien eigentlich auseinander driften. Eine mgliche Erklrung wre die Masse von Teilchen welche nur sehr schwach wechselwirken und nur indirekt beobachtbar wren - sog. dunkle Materie.

Links: Erwartete Galaxienrotation. Rechts: Beobachtete Galaxienrotation. Quelle: Wikipedia
9.2 Mrd. Jahre nach Urknall, Ort: Milchstrasse (Orionarm)
Ereignis: Entstehung eines Sonnensystems mit 8 Planeten.
In der protoplanetaren Staubscheibe kommt es zu immer grsseren Verklumpungen von Staubteilchen (Koagulation) welche Planetesimalen bilden, den Bausteinen der Planeten. Diese kilometergrossen Gebilde besitzen genug Masse, um sich durch ihre Gravitation mit anderen Planetesimalen zu grsseren Objekten zu vereinigen.

10.5 Mrd. Jahre nach Urknall, Ort: 3. Planet (Erde)
Ereignis: Entstehung von ersten einfachen Lebensformen.

2.5 Mio. Jahre vor Christus, Ort: 3. Planet (Erde)
Ereignis: Menschenaffen (Hominidae) entwickeln erste Werkzeuge aus Steinen und Knochen.



Menschenaffen benutzen erste primitive Werkzeuge. Quelle: Turner Entertainment Co. / 2001 - A Space Odyssey

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7. November, 2007 Jahre nach Christus, Ort: Genf (Schweiz), CERN, Large Hadron Collider, geplante Energie: 7 TeV
Ereignis: Ringschliessung
In 90 Meter Tiefe, im Sektor 1-2 des 27 Kilometer langen LHC-Tunnels, werden nach ber 20 Jahren Planungs- und Bauzeit die letzten beiden Magnete miteinander verbunden. Schutzhelme mit dunklem Visier schtzen die Techniker vor dem grellen, blauweissen Licht des Schweissbogens mit dem die letzte von 10170 Verbindungsstellenzwischen den Magneten geschlossen wird. Die Magnetspulen der Ablenkmagnete und die Verbindungen dazwischen bestehen aus einer Niob-Titan Legierung die bei einer Sprungtemperatur von 9.2 K (-264 C) supraleitend wird. Da mit noch tieferen Temperaturen noch strkere Magnetfelder mglich sind, liegt die Arbeitstemperatur der LHC-Magnete bei 1.9 K (-271.3 C). Die supraleitenden Verbindungen sind mit einem Kupferstabilisator umgeben, der einen Teil des Stromes ableiten soll, falls es zu einem Verlust der supraleitenden Eigenschaften (Quench) kommen sollte.

Zu diesem Zeitpunkt ahnt niemand, dass zwei Sektoren weiter, in rund 10 Kilometer Entfernung, eine einzelne Verbindungsstelle diese Anforderungen nicht erfllen wird.

Letzte Arbeiten im LHC Tunnel. Quelle: CERN
10. September 2008
Ereignis: First Beam
Im CERN Control Center laufen die letzten Pretests zum ersten Ringumlauf mit Protonen. Von hier aus werden die Systeme des Beschleuigers berwacht und gesteuert. Die Tunnelsysteme wurden schon Tage vorher versiegelt. Whrend dem Betrieb ist der Zutritt aus Sicherheitsgrnden verboten.

Vorbeschleunigung (Cycling):
Aus einer kleinen Gasflasche strmen Wasserstoffatome in einen silbernen Zylinder, das Duoplasmatron. Seine Aufgabe besteht darin, die Elektronen der Wasserstoffatome zu entfernen. brig bleiben positiv geladene Protonen, die mit 100 Mia. Teilchen ein Paket (Bunch) bilden. Elektromagnetische Wechselfelder in vier Vorbeschleunigern (LINAC2, PSB, PS, SPS) beschleunigen diese Teilchenpakete auf immer grssere Geschwindigkeiten. Im letzten Vorbeschleuniger SPS (Super Proton Synchrotron) erreichen die Protonen 99.99978% der Lichtgeschwindigkeit bzw. eine Energie von 0.45 Teraelektronenvolt (TeV). Bei dieser Energie werden die Teilchen aus dem SPS in entgegengesetzten Richtungen ausgekoppelt und ber die rund 3 km langen Tranferslinien Tl-2 und Tl-8) zum LHC geleitet.
Sobald die LHC Magnete ebenfalls auf 0.45 TeV hochgefahren sind, wird ein Protonenpaket in den LHC inijeziert und nach etwa 3 km durch eine Blende gestoppt. Die Flugbahn der Teilchen wird analysiert und falls ntig durch eine neue Konfiguration der Ablenkmagnete korrigiert. Danach erfolgt die nchste Injektion welche nach 6 km gestoppt wird. Der Protonenstrahl wird so schrittweise durch den Ring geleitet.

Um 10:28 Uhr gelingt der erste volle Umlauf.



Der lange Weg zur Teilchenkollision... Quelle: CERN

CERN Komplex Quelle: CERN

CERN Control Center (CCC) nach dem ersten Umlauf Quelle: CERN
19. September 2008
Ereignis: Zwischenfall
Nach dem erfolgreichen Start vor 9 Tagen hat der Beschleuniger noch einen langen Weg bis zu den ersten Kollisionen vor sich. Hunderte Systememssen zuvor getestet werden, unter anderem das Hochfahren der Magnete im Sektor 3-4.
Um 11:18:36 Uhr kommt es in diesem Sektor zu einem Quench zwischen einem Dipol- und einem Quadrupolmagneten. Durch eine schlecht verltete Stelle kann der Kupferstabilisator den Strom nicht gengend ableiten. Die Verbindungsstelle erwrmt sich und verdampft, worauf sich dazwischen ein Lichtbogen bildet der die Heliumverkleidung punktiert. Es kommt zu einer schlagartigen Verdampfung des Heliums. Durch diese Explosion werden mehrere der tonnenschweren Magnete aus ihrer Verankerung gerissen. Insgesamt werden 53 Magnete ber eine Strecke von mehreren hundert Metern beschdigt.
Fr die Reparatur muss der 3.3 km lange Sektor wieder auf Raumtemperatur gebracht werden. Mehrere der 15 Meter langen Magnete mssen komplett ausgebaut und an die Oberflche gebracht werden. Dort werden sie gereinigt, repariert und getestet. Die Ausfallphase wird zudem genutzt um ein neues Quench Protection System zu installieren. Tausende Sensoren messen die Widerstnde zwischen den Magneten um weitere Zwischenflle dieser Art zu verhindern.

Ausfallzeit: 14 Monate
Kosten: 27 Mio. Euro



Beschdigte Magnete nach dem Zwischenfall. Quelle: CERN
20. November 2009
Ereignis: Zweiter Anlauf
Nach ber einem Jahr Ausfall zirkulieren wieder Protonen im Speicherring. Die geplante Energie von 7 TeV kann jedoch vorzeitig nicht erreicht werden, da Untersuchungen whrend dem Ausfall ergeben haben, dass einige der Magnetverbindungen nicht mehr als 3.5 TeV, max. 4 TeV aushalten.

29. November 2009
Ereignis: Weltrekord
Um 21:55 Uhr werden Protonen erstmals auf 1.08 TeV beschleunigt. Damit konnte ein neuer Weltrekord aufgestellt und der Teilchenbeschleuniger Tevatron in den USA um 0.1 TeV bertroffen werden. Der LHC ist damit der leistungsstrkste Beschleuniger der Welt.

30. Mrz 2010
Ereignis: Erste Teilchenkollisionen bei 3.5 TeV pro Strahl.

10. November 2010
Ereignis: Pb-Pb Kolissionen
Anstelle von Protonen werden erstmals Bleikerne injiziert und zur Kollision gebracht.Das dabei enstehende Quark-Gluon Plasma soll Aufschlsse ber den frhen Zustand des Universums geben. Der Alice Detektor wurde speziell fr diese Aufgabe konzipiert.



Blei-Blei Kollision im ALICE Detektor. Quelle: CERN
13. Dezember 2011
Ereignis: Higgs in Sicht?
Die Detektoren ATLAS und CMS sehen erste Anzeichen eines Signals bei 125 GeV.

5. April 2012
Ereignis: Erhhung der Strahlenergie von 3.5 auf 4.0 TeV.

4. Juli 2012
Ereignis: Higgs Entdeckung
ATLAS und CMS weisen ein deutliches Signal bei 125-126 GeV nach.
Die gemessenen Zerfallskanle stimmen mit den Vorhersagen des Standardmodells fr ein Higgsteilchen in diesem Energiebereich berein. Ein Jahr spter erhalten Peter Higgs und François Englert den Nobelpreis in Physik fr die Entwicklung des Higgs-Mechanismus.



Higgssignaturen im CMS und ATLAS Detektor Quelle: CERN
25. April 2013
Ereignis: CP-Verletzung
Durch LHCb gelingt der Nachweis einer CP-Verletzung beim Zerfall eines Teilchens in Kaonen und Pionen.
Solche Verletzungen knnten erklren weshalb sich beim Urknall Materie und Antimaterie nicht vollstndig annihiliert haben und ein Materieberschuss brigblieb.

16. Februar 2013
Ereignis: LS1 Phase
Die letzten Teilchenstrahlen werden im Beam Dump entsorgt und der Beschleuniger auf seine Aufrstung auf 7.0 TeV vorbereitet. In dieser ersten langen Shutdowphase (LS1 - Long shutdown 1) werden die smtliche 10170 Verbindungen zwischen den Magneten getestet und falls ntig ersetzt. Zustzlich leiten 27000 Nebenwiderstnde im Falle eines Quenchs den Grossteil des Stromes ab. Der Zeitraum wird zudem genutzt um die Detektoren und die Vorbeschleuniger aufzursten.

20. Januar 2015
Ereignis: LHC Restart
Die Umbauphase im Tunnel ist soweit abgeschlossen. Nun geht es darum den Beschleuniger schrittweise wieder in Betrieb zu nehmen. Die supraleitenden Magnete sind zwar bis auf 7.0 TeV ausgelegt, aber mit steigender Energie nimmt die Wahrscheinlichkeit zu, dass es zu einem Quench kommt. Um dem entgegenzuwirken werden die Magnete einem speziellen Training unterzogen. Die Stromstrke in der Spule wird dabei solange erhht bis es zu einem Quench kommt. Dann wird der Stromfluss kontrolliert aus der Spule abgeleitet und der Prozess wiederholt. Die Magnetspule wird dadurch auf die hohe Stromstrke von 12000 Ampere konditioniert. Da ein solches Training fr 7.0 TeV viel Zeit bentigt, startet der Beschleuniger dieses Jahr vorerst mit 6.5 TeV. Und hier gehts ... weiter.



Quench Training Quelle: CERN

* * *


LHC hung der Energie auf 6.5 TeV steht eine spannende Reise in physikalisches Neuland bevor. Eine Sensation wre die Entdeckung eines supersymmetrischen Teilchens.Die Supersymmetrie (SUSY) vertauscht durch einen Mechanismus den Spin der Teilchen des Standardmodells. Dadurch erhalten die bisher bekannten Teilchen einen supersymmetrischen Partner. Durch einen Bruch in dieser Symmetrie besitzen die supersymmetrischen Teilchen jedoch hhere Massen als ihre Standardpartner. Mit dem neuen Energiebereich des LHC knnten diese Massen in Sichtweite geraten.SUSY kann gleich mehrere Probleme des Standardmodells lsen. Das Standardmodell beschreibt z.B. keine Teilchen welche die Eigenschaften von dunkler Materie besitzen.Mit dem Neutralino als leichtestes, supersymmetrischen Teilchen (LSP) liefert SUSY einen Kandidaten fr die dunkle Materie.Zudem treffen sich die schwache, starke und elektromagnetische Kraft, nach der Vorhersage des Standardmodells, bei sehr hohen Energien nicht in einem Punkt und vereinen sich nicht zu einer einzigen Kraft. Nach den Vorhersagen der Supersymmetrie wrden sich die drei Krfte hingegen in einem Punkt vereinen.



Supersymmetrie Quelle: DESY

Vorhersagen Standardmodell / SUSY zur Vereinheitlichung der Krfte








Das LHC-Projekt
Der Large Hadron Collider (zu Deutsch; Grosser Hadronen-Speicherring) ist ein knapp 27 Kilometer langer Teilchenbeschleuniger des europischen Kernforschungszentrum CERN bei Genf in der Schweiz. Der LHC beschleunigt Hadronen (wie z.B. Protonen) auf Beinahe-Lichtgeschwindigkeit und bringt diese an vier Stellen zum Zusammenstoss. An diesen vier Kollisionspunkten befinden sich Detektoren (ATLAS, CMS, LHCb, ALICE, TOTEM, LHCf), um die Wechselwirkungen der entstehenden Teilchenschauer zu untersuchen.
Offizieller Beginn des LHC-Projekts war im Jahr 1984. Der LHC-Speicherring wurde in dem ca. 27 Kilometer langen Tunnel errichtet, in welchem sich bis zum Jahr 2000 der Beschleuniger LEP (Large Electron-Positron Collider) befand. Der Tunnel verluft unter der schweizer-franzsischen Grenze in einer Tiefe von 50 bis 175 Metern, wobei sich der Grossteil der Anlage auf franzsischem Staatsgebiet befindet.

LHC-Speicherring Quelle: CERN

Die Lage des LHC-Speicherringes (roter Kreis) Quelle: CERN

Animation LHC Quelle: CERN


Protonenmodus und Blei-Ionen-Modus

Im LHC werden Teilchen im und gegen den Uhrzeigersinn beschleunigt. Der LHC wurde dabei fr drei Betriebsmoden ausgelegt. Zum einen knnen einfach, positiv geladene Protonen (p+) und zum anderen 82-fach positiv geladene Bleiionen (Pb82+) beschleunigt werden. Eine Protonenfllung besteht dabei aus 2808 Protonenpaketen (115 Milliarden Protonen pro Paket), eine Fllung mit Bleiionen aus 592 Paketen (70 Millionen Ionen pro Paket). Die Teilchenpakete werden, je nach Experiment, am Kollisionspunkt auf bis zu 16 m im Durchmesser (Durchmesser eines menschlichen Haares: 50 m) und einer Lnge von 8 cm fokussiert. Dabei kommt es im Schnitt zu 20 Kollisionen, pro Kreuzung zweier Teilchenpakete. Mit einer maximalen Beschleunigung der Protonen auf 7 Billionen Elektronenvolt und 2.76 Billionen Elektronenvolt der Blei-Ionen wird der LHC fr eine lange Zeit der leistungsfhigste Teilchenbeschleuniger der Welt sein. Die Kollisionsenergie wird durch die Schwerpunktenergie angegeben. Dabei verdoppelt sich die Energie der einzelnen Teilchenstrahlen. Eine weitere Option sind Kollisionen zwischen Protonen und Bleiionen.

Links: Wasserstoffatom / Rechts: Bleiatom
Der LHC bentigt geladene Teilchen, deshalb werden die Elektronen entfernt (gestrippt). brig bleibt ein einfach, positiv
geladener Wasserstoffkern und ein 82-fach, positiv geladener Bleikern.


Energie des Teilchenstrahls

Je hher die Protonen und Bleikerne beschleunigt werden, umso grsser wird ihre kinetische Energie und umso mehr neue Teilchen entstehen bei ihrer Kollision. Diese Beziehung wird ausgedrckt durch Einsteins berhmte Formel E=mc². Die Energie des Teilchenstrahls wird in Elektronenvolt, abgekrt eV, angegeben. Ein Elektronenvolt ist die Energie, die ein Proton oder ein Bleiion erhlt, wenn es ein elektrisches Feld von 1 Volt im Vakuum durchluft, dadurch beschleunigt wird und somit kinetische Energie gewinnt. Der LHC wurde ursprnglich fr eine Energie von 7 Teraelektronenvolt (7'000'000'000'000 eV) pro Teilchenstrahl ausgelegt. Probleme der Magnete fhrten dazu, dass vorerst nur ein Betrieb mit 3.5 und 4.0 TeV mglich war. In den nchsten Jahren (2015/2016) soll dieses Problem behoben werden, damit auch 6.5 - 7.0 TeV erreicht werden knnen.

1 keV = 1 Kiloelektronenvolt = 1'000 Elektronenvolt
1 MeV = 1 Megaelektronenvolt = 1'000'000 Elektronenvolt
1 GeV = 1 Gigaelektronenvolt = 1'000'000'000 Elektronenvolt
1 TeV = 1 Teraelektronenvolt = 1'000'000'000'000 Elektronenvolt


Beschleunigung auf 1 eV



Luminositt

Viele Teilchen entstehen bei einer Teilchenkollision usserst selten. Deshalb ist es wichtig, dass der LHC mglichst viele Teilchenkollisionen liefern kann. Eines der Leistungsmerkmale des LHC ist seine hohe Luminositt von 10³⁴ cm^-2 s^-1. Die Luminositt ist ein Mass fr die Teilchenstrahldichte in Bezug zur Kollisionsfrequenz. Die Luminositt steigt mit der Zahl der Teilchen pro Teilchenpaket (Bunch), der Hufigkeit (Frequenz), mit der die Teilchenpakete zusammentreffen und dem Kehrwert des Strahlquerschnittes. Wenn sich die Protonen/Bleipakete einmal im LHC-Speicherring befinden und beschleunigt wurden, knnen keine weiteren Pakete nachgefhrt werden. Erreicht der Strahl die angestrebte Energie, wird dieser zuerst fokussiert (Squezze) und dann auf den Interaktionspunkt (IP) ausgerichtet (Adjust) welcher sich im Zentrum der Experimente befindet. Ist der Strahl stabil (Stable Beams) drfen die Detektoren eingeschaltet werden und knnen mit der Aufzeichnung der Kollisionen beginnen. Durch die Kollisionen nimmt die Zahl der Teilchen im Ring und damit auch die Luminositt stetig ab. Die Laufdauer eines solchen Run's liegt optimal zwischen 12 und 25 Stunden.

Obwohl sich der LHC unter der Erde befindet, knnen nicht alle Umwelteinflsse ausgeschlossen werden. Durch die Schwerkraftvernderungen des Mondes und der Sonne, welche auch fr Ebbe und Flut verantwortlich sind, wird auch der LHC-Tunnel geringfgig deformiert. Um diese geringfgigen Vernderungen zu kompensieren werden in regelmssigen Abstnden Korrekturmagnete aktiviert, um den Strahl wieder auf seine optimale Flugbahn auszurichten.


Kontinuierliche Abnahme der Luminositt und Korrekturmassnahmen (rote Pfeile) Quelle: CERN


Magnetstrukturen

Um die Leistung des LHCs zu erreichen, mussten unzhlige neue Technologien eingesetzt werden. Die wichtigste Komponente stellt dabei die Beschleunigung und Kontrolle der Teilchen mittels supraleitenden Magneten dar. Dafr musste das weltgrsste Khlsystem errichtet werden, das durch rund 140 Tonnen flssiges Helium gespeist wird. Nur durch diese supraleitfhigen Strukturen konnte das LHC-Projekt in einem finanziell vertretbaren Rahmen berhaupt erst realisiert werden. Wrden normalleitende Magnete eingesetzt, so msste der Ring bei gleicher Leistung einen Umfang von mindestens 120 km haben und wrde ca. 40-mal mehr Strom verbrauchen. Im gesamten LHC-Komplex kommen ca. 10000 Magnete und ber 50 verschiedene Magnettypen zum Einsatz.

Supraleitender Dipolmagnet Quelle: CERN

Energieverbrauch

Der Energieverbrauch des gesamten LHC-Projekts liegt bei ca. 1000 Gigawattstunden, was rund einem Zehntel des Energieverbrauchs des Kanton Genf mit 450000 Einwohnern entspricht. Da die Strompreise aufgrund des erhhten Heiz- und Lichtbedarfs der Bevlkerung im Winter erheblich hher ausfallen als im Sommer, wird der LHC-Betrieb whrend dieser Zeit blicherweise eingestellt. Dieser jhrliche Wintershutdown dauert jeweils von November bis Mai.


Datenverarbeitung

Eine weitere technische Hchstleistung wurde durch das Worldwide LHC Computing Grid (WLCG) realisiert. Durch die Detektion der Teilchenschauer wird pro Jahr eine Datenmenge von 15 Petabytes (=15 Millionen Gigabytes) generiert. Durch die Vernetzung von tausenden Computern wird das WLCG diese anfallenden Datenmengen speichern, verwalten und miteinander verarbeiten knnen.



Computerfarm des Computerzentrums von CERN Quelle: CERN

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