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Der Large Hadron Collider
am CERN
Ein kurzer Einblick in die Funktionsweise
Lukas Bommes
16.12.2011
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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.
Quellenverzeichnis
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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 Dibzw. 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.
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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
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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.
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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.
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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