Die LHC Maschine Seminar: Physik und Detektoren am LHC Fabian Hohnloser.
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Die LHC Maschine
Seminar: Physik und Detektoren am LHC
Fabian Hohnloser
Gliederung• Die wichtigsten Experimente am LHC• Daten und Fakten• Grundlagen zur Teilchenbeschleunigung• Beschleunigertypen• Die Reise der Teilchen• Injektion/Ejektion• Strahlfokussierung• Luminosität• Schutzsysteme
Wichtigste Experimente
• ATLAS & CMS:-Nachweis des Higgs-Bosons-Substruktur von Leptonen und Quarks-Supersymmetrische Teilchen
• ALICE: - Untersuchung von Quark-Gluon- Plasma
• LHCb: - Untersuchung der CP-Verletzung
LHC-Fakten
• Umfang: 26658,88 m• Energieverbrauch(incl.Infrastruktur): 1000 GWh • Anzahl Dipolmagnete: 1232• Anzahl Quadrupolmagnete: 858• Max.erzeugtes Magnetfeld(Dipolmagnet): 8,33 T• Kühlung auf 1,9K durch 140t superfluides Helium
Supraleitung• Strahlrohrvakuum: 10⁻¹³ bar
Grundlagen zur Beschleunigung
• Lorentzkraft:• Elektrisches Feld E besorgt die Beschleunigung• Magnetisches Feld B hält Teilchen auf ihrer
Bahn• Für und :
LHC-Dipolmagnet• Besonderheit: Gegenläufige Strahlrohre in einem Modul
•Wie wird beschleunigt in:• Linearbeschleunigern (LINAC)• Radio Frequency Quadrupolen (RFQ)• Kreisbeschleunigern(Synchrotron)
•Wie funktioniert die Strahlsteuerung durch:• Kickermagnete (Injektion/Ejektion)• Quadrupolmagnete(Fokussierung)
Linearbeschleuniger• Wideröe-Struktur:
U(t)=U₀ sin(ωt)
Linearbeschleuniger-Phasenfokussierung
Radio Frequency Quadrupol
Vorteil: Simultanes Beschleunigen und Fokussieren
RFQ-Fokussierung
RFQ-Beschleunigung
RFQ-Phasenfokussierung
Kreisbeschleuniger
• Synchrotron:
Kreisbeschleuniger
• Beschleunigung durch Kavitäten: Anregung in Resonanzfrequenz
Frequenzüberhöhung bei entstehenden Mikrowellen
Mikrowellen haben elektrische FelderBeschleunigung
Vorstellung : Teilchen „surfen“ auf der Welle
Kavität
Die Reise der Teilchen
Injektion/Ejektion• Verwendung statischer Felder nicht möglich
gepulste Kicker- und Septummagneten• Kicker (Strahlablenkung):
Pulse im μs Bereich
Kleine Induktivität
Injektion/Ejektion
• Septum (Strahlführung)Näherung des injizierten an den umlaufenden Strahl
Abgeschirmtes Feld
Pulsdauern: 10μs bis ms
Injektion/EjektionZusammenspiel von Kicker und Septum:
Injektion:
Ejektion:
Strahlfokussierung• Nötig,damit Teilchen nicht auseinanderlaufen
Erreicht durch Quadrupolmagnete
Fokussierung am Kollisionspunkt
• Dipole: Auseinanderhalten der Strahlen• Quadrupole: Fokussierung
Strahldurchmesser von bis zu 16μm möglich
• Kreuzungswinkel: 0,02° ̴�• Um Strahlen ausreichend zu trennen• Damit Kollisionen im Zentrum der Detektoren
stattfinden und nicht schon davor
Luminosität
• Anzahl Ereignisse pro Sekunde:
• : Luminosität• : Wirkungsquerschnitt
Luminosität
• , :Anzahl Teilchen pro Bunch• , :Ausdehnung des Strahls • :Frequenz mit der die Bunche kollidieren
• Luminosität beim LHC : 1034 cm-2s-1
Schutzsystem• Beam Dump: Bei Abweichung von Sollumlaufbahn
• Maße: 8x0,7x0,7m• Material: Grafit• Spiral Kicker
• Kollimatoren: • Platten die an den Strahl herangefahren werden können
Quench-Protection• Quench: Supraleiter wird normalleitend
Umwandlung der Spulenenergie in WärmeBeschädigung oder Zerstörung derselben.
• Schutzsystem:– Detektion des Quenchs– Reaktion innerhalb von 200 ms– Umleitung des Stromes durch den Magnet über
eine Bypassdiode.
Danke für die Aufmerksamkeit