Der Large Hadron Collider am CERN - Ein kurzer Einblick in die Funktionsweise
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Der Large Hadron Collider
am CERN
Ein kurzer Einblick in die Funktionsweise
Lukas Bommes
16.12.20112
Inhaltsverzeichnis:
1. CERN
2. Die einzelnen Komponenten des Large Hadron Colliders
2.1 Übersicht
2.2 Vorbeschleuniger
2.3 Hauptring
2.4 Kavitäten
2.5 Dipole
2.5.1 Funktionsprinzip
2.5.2 Aufbau
2.6 Quadrupole
2.6.1 Funktionsprinzip
2.6.2 Aufbau
2.7 Kollimatoren
2.8 Kühlsystem
2.9 Energiebeträge
2.10 Entsorgung des Teilchenstrahls – Dumper
2.11 Teilchendetektoren
2.12 Auswertung der Daten – Rechenzentren
3. Schlusswort
4. Quellenverzeichnis3 1. CERN Die Europäische Organisation für Kernforschung in Genf, die am Standort Meyrin (Genf) in der Schweiz ansässig ist, beschäftigt rund 3000 festangestellte und 10000 Gastwissenschaftler, Techniker, Ingenieure und anderes Personal. Das jährliche Forschungsetat liegt bei 850 Millionen Euro und eines der Hauptziele des Cern ist die Erforschung der Zusammensetzung der Materie. 2. LHC 2.1 Übersicht Der Large Hadron Collider, zu Deutsch „Großer Hadronen Speicherring“ dient der Beschleunigung von Teilchenpaketen aus entweder Protonen oder Bleikernen auf annähernd Lichtgeschwindigkeit und deren Kollision. Das primäre Ziel ist der Nachweis hypothetischer Elementarteilchen, wie zum Beispiel der sogenannten Higgs-Bosonen. Der LHC liegt unterirdisch in einem 27km langen Tunnel auf dem Gelände des Cern. Ebenfalls zum LHC gehören vier große Teilchendetektoren, auf die später näher eingegangen wird. 2.2 Vorbeschleuniger Vorbeschleuniger transportieren Protonen und Bleikerne von den Teilchenquellen zum LHC. Dazu werden die einzelnen Teilchenpakete in unterschiedlichen Systemen vorbeschleunigt, um dann endgültig im LHC auf ihre endgültige Geschwindigkeit und damit Energie beschleunigt zu werden. 2.3 Hauptring Der LHC setzt sich aus 16 supraleitenden Kavitäten (8 je Strahl) und Di- bzw. Quadrupolmagneten zusammen die der Führung, respektive Fokussierung des Teilchenstrahls dienen. Insgesamt sind über 2000 dieser Module und ca. 6000 einfache Korrekturmagnete über eine Strecke von 23km verbaut.
4 2.4 Kavitäten In den Kavitäten werden stehende elektromagnetische Wellen in einem Hohlraumresonator erzeugt, die die geladenen Teilchenpakete vor sich herschiebt und so beschleunigt (vgl. Surfer auf einer großen Welle). 2.5 Dipole 2.5.1 Funktionsprinzip Ein Dipol besteht aus zwei sich überlappenden Magnetfeldern, die den Teilchenstrahl vertikal und horizontal ablenken können. 2.5.2 Aufbau Im Dipolmagneten verlaufen die Teilchenstrahlen in zwei parallel zueinander verlaufenden Rohren, die von den supraleitenden Dipolspulen umgeben sind. Eingefasst werden die Spulen durch Edelstahlklammern, welche wiederum von einem Eisenjoch umgeben sind. Auf der Außenseite liegen die Busleitungen, die den Strahl letztendlich steuern. Durch den gesamten Dipol zieht sich dabei eine Kühlleitung, durch die flüssiges Helium mit einer Temperatur von 1,9K gepumpt wird. Nach außen hin ist der Dipol durch zwei Stahlmantel abgeschlossen. 2.6 Quadrupole 2.6.1 Funktionsprinzip Die Quadrupolmagneten arbeiten ähnlich wie die Dipole, erzeugen jedoch vier überlappende Magnetfelder, mit denen der Strahl fokussiert werden kann. 2.6.2 Aufbau Die beiden entgegenlaufenden Teilchenstrahlen werden beim Quadrupolmagneten von supraleitenden Spulen aus Niobium-Titan umschlossen und bilden damit den eigentlichen Quadrupol. Diese sind
5 magnetisch voneinander entkoppelt und in ein Eisenjoch eingefasst. Ansonsten entspricht der Aufbau dem des Dipolmagneten. 2.7 Kollimatoren Zum passiven Schutzsystem des LHC gehören die sogenannten Kollimatoren, Graphitplatten, die von Motoren an an den Teilchenstrahl herangefahren werden können und dort Teilchen, die aus dem Strahl entwichen sind abbremsen und ihnen somit die Energie entziehen. Ohne dieses Schutzsystem könnten Teilchen, die aus dem Strahl gelangt sind, Schäden am LHC verursachen. 2.8 Kühlsystem Die Kühlung der Di-, Quadrupolmagnete und der Kavitäten erfolgt durch verflüssigtes Helium, das auf eine Temperatur von 1,9K (ca. -271°C) abgekühlt ist. Helium wird deshalb verwendet, weil es eine ausgesprochen hohe Wärmekapazität besitzt und außerdem nur über eine sehr geringe Viskosität verfügt. Das gesamte Kühlsystem des LHC ist sehr flexibel und ermöglicht eine lokale Auf- bzw. Abkühlung des Beschleunigers. 2.9 Energiebeträge Die im LHC gespeicherte Energie, die in Form von kinetischer Energie der Elementarteilchen vorliegt, beträgt rund 10GJ. Dieser Energiebetrag würde in etwa für das Schmelzen von 12t Kuper benötigt oder entspricht der Energie die frei wird, wenn eine Masse von 35t aus einer Höhe von 28km auf die Erde fällt. 2.10 Entsorgung des Teilchenstrahls - Dumper Nach rund 10 Stunden hat die Qualität des Teilchenstrahls, die sogenannte Luminanz, stark abgenommen, sodass er entsorgt werden muss. Dies geschieht in mit Graphit gefüllten und Beton abgeschirmten Dumpern, in denen die Teilchen abgebremst werden.
6 2.11 Teilchendetektoren Im LHC befinden sich vier Teilchendetektoren (ATLAS, ALICE, CMS und LHCb). Diese Detektoren sind in einer zwiebelförmigen Struktur in mehreren Schichten aufgebaut, wobei jede Schicht für die Detektion eines bestimmten Teilchentyps verantwortlich ist. Dies geschieht mithilfe von Sensoren, die insgesamt wie eine Kamera arbeiten. So können die Wege, die die Teilchen während der Kollision zurückgelegt haben, genau nachverfolgt und analysiert werden. 2.12 Auswertung der Daten - Rechenzentren Die gesammelten Daten der Teilchendetektoren werden im Rechenzentrum des Cern aufbereitet und selektiert und können anschließend von Wissenschaftlern analysiert werden. 3. Schlusswort Der LHC ist aktuell der weltweit größte Ringbeschleuniger und trägt zur internationalen Zusammenarbeit und Entwicklung neuer Technologien bei. Ebenfalls spielt Cern eine große wirtschaftliche Rolle.
7 4. Quellenverzeichnis http://web.physik.rwthaachen.de/~hebbeker/lectures/sem0607/sammet.pdf http://de.wikipedia.org/wiki/Large_Hadron_Collider http://de.wikipedia.org/wiki/ATLAS_%28Detektor%29
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