Wozu immer größere Beschleuniger
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Daniel A.Stricker-Shaver Wozu immer größere Beschleuniger ? • Welche Arten gibt es und warum ? • Was haben sie uns gebracht ? • Wie sieht die Zukunft aus? 1 Warum Beschleuniger : • Äquivalenz von Masse und Energie • De-Broglie-Wellenlänge 2 Teilchenbeschleuniger : • mit geradliniger Beschleunigung Linearbeschleuniger Van-de-Graaff Cockcroft-Walton • mit zyklischer Beschleunigung Zyklotron Mikrotron Betatron Synchrotron Bevatron Speicherring 3 Linearbeschleuniger: • 1928 erstmals mit Wechselspannung gebaut (Ising und Wideröe) • kinetische Energie nimmt in relativ kleinen Schritten zu (Driftröhren) • Driftröhre wirkt wie ein Faradaykäfig • Phasenstabilität • Keine Synchrotronstrahlung 4 Van-de-Graaff: • Erzeugung der Beschleunigungsspannung ist ein mechanischer Antrieb • Positive Ladungsträger werden über ein elektrisch schwach leitendes Endlosband zu einem Hochspannungsterminal befördert • es entsteht ein positives Potenzial gegen Masse, welches mehrere Megavolt betragen kann 5 Zyklotron: • • • besteht aus einem großen Elektromagneten, zwischen dessen Polen sich eine flache runde Vakuumkammer befindet Im Inneren der Kammer sind 2 halbkreisförmige Metallkammern angeordnet, zwischen denen sich der Beschleunigungsspalt und die Ionenquelle befinden Am Rand der Kammer ist ein Ablenkkondensator angebracht, der zur Lenkung auf ein bestimmtes Ziel dient • Die maximale Teilchenenergie moderner Zyklotrons liegt bei ca. 100 MeV • wegen relativistischen Effekten ist die erreichbare Geschwindigkeit auf ca. 10% der Lichtgeschwindigkeit beschränkt • Das Zyklotron wurde 1929 von Ernest Lawrence an der University of California, Berkeley erfunden 6 Mikrotron: • ist ein Zyklotron, in dem Elektronen bei jedem Feldwechsel (halber Umlauf) ihre Ruheenergie von 511keV zugeführt wird • somit muss die Beschleunigungsfrequenz und magnetische Feldstärke trotz Energiezunahme nicht geändert werden ⇒ dadurch wird der Energieverbrauch deutlich verringert. • Gleiche Grenzen wie Zyklotron 7 Betatron: • Erstes Betatron: University of Illinois, 1941 • ähnlicher Aufbau wie Zyklotrons. Zwei Dipolmagnete erzeugen ein Magnetfeld. Dort befindet sich die Elektronenquelle. Die Beschleunigungsbausteine des Zyklotrons, die Dees, werden nicht mehr benötigt. Das zeitlich veränderliche Magnetfeld erzeugt in Richtung des umlaufenden Elektronenstrahls ein elektrisches Feld und beschleunigt die Elektronen dadurch • Magnetfeld muß bestimmten radialen Verlauf haben, um den Strahl auf einer Kreisbahn zu halten • bewirkt eine Strahlfokussierung um die ideale Bahn • Teilchen führen senkrecht zur Bahn Schwingungen aus, die man als Betatronschwingungen bezeichnet • Die Grenze des Betatrons liegt bei ca. 200 MeV 8 Synchrotron: • Teilchen werden auf rel. Geschwindigkeiten beschleunigt • ein passend synchronisiertes hochfrequentes elektrisches Wechselfeld (Mikrowellen) wird verwendet • Ultrahochvakuum • mit Elektronen in Synchrotrons nur ca. 10 GeV (Synchrotronstrahlung) • meist in einem Linearbeschleuniger oder Mikrotron vorbeschleunigt ( Elementarteilchen, Elektronen, Protonen oder ionisierte Atome ) 9 Bevatron: • zur Energieanreicherung (Beschleunigung) von Protonen, also ein Synchrotron • Ernest Lawrence baute 1954 in Berkeley (Kalifornien) mit dem Bevatron den ersten großen Synchrotron. Der Name des Protonenbeschleunigers stammt von seiner Energieleistung von 6,2 BEVs (billion electron volts), => 6,2 GeV. • Eine große Anzahl schwerer Elemente, die in der Natur nicht natürlich vorkommen, wurden mit dieser Maschine erzeugt. 10 Vom Beschleuniger zum Collider: • Strahl hat nicht so hohe Teilchendichte wie festes Target • Erhöhung der Dichte durch Speicherung vieler Teilchenimpulse •Luminosität : dadurch kann die zu erwartende Ereignisrate eines Ringbeschleuniger mit zwei gegenläufigen Teilchenstrahlen ermittelt werden: dieselbe Einheit wie die Teilchenstromdichte, [L] = s − 1cm − 2 11 Speicherring: • ringförmiges Vakuumgefäß, das innerhalb eines Ringmagneten angeordnet ist • Speicherung von hochenergetischen elektrisch geladenen Elementarteilchen • die Teilchen werden sehr hoch beschleunigt und stehen dann in zwei gegeneinander gerichteten Teilchenstrahlen für Kollisionsexperimente zur Verfügung • Speicherringe benötigen stabile Teilchen • man kann mit Hilfe von Speicherr. auch Synchrotronstrahlung erzeugen 12 Welche Teilchen kann man nachweisen? ● stabile Teilchen (zerfallen nicht im Detektor) ● kurzlebige Teilchen (zerfallen im Detektor) – Nachweis der Zerfallsteilchen – Messung der Zerfallsstrecke ● Quarks – nicht einzeln („frei“ ) beobachtbar – verwandeln sich in Bündel („Jets“ ) von Hadronen Eigenschaften des Detektors ● Nachweis möglichst aller Teilchensorten ● Nachweis der Teilchen in alle Richtungen ● Messung der Richtung und der Energie ● Unterscheidung der Teilchen ● schnelle Auslese (vor nächster Kollision) ● praktische Überlegung: – nicht zu groß – nicht zu teuer – haltbar Spurkammern ● geladene Teilchen können Gase ionisieren ● Nachweis der herausgelösten Elektronen – Rekonstruktion einer Spur – Richtung des Teilchens ● Im B-Feld: geladene Teilchen bewegen sich auf gekrümmten Bahnen – Stärke der Krümmung: Impuls des Teilchens – Richtung der Krümmung: Ladung des Teilchens 13 Energiemessung: ● Teilchen geben in Materie ihre Energie durch Produktion neuer Teilchen ab => Schauer ● Anzahl der Teilchen im Schauer ist proportional zur Energie Messung der Energie: Kalorimeter ● elektromagnetisches Kalorimeter – Elektronen/Positronen und Photonen verursachen in Materie Schauer aus Photonen und ElektronPositronPaaren – kurze, kompakte Schauer ● hadronisches Kalorimeter – Hadronen (z.B. Protonen, Pionen, Neutronen) verursachen in Materie Schauer aus weiteren Hadronen – tiefe, ausgedehnte Schauer 14 schematischer Aufbau eines Detektors 15 HERA (Hadron-Elektron-Ring-Anlage) • In HERA bei DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) in Hamburg kollidieren Elektronen oder wahlweise ihre Antiteilchen, die Positronen, mit einer Energie von 27,5 GeV mit Protonen, die auf 920 GeV beschleunigt wurden. • Elektron wirkt als Sonde für das Proton bis zu einer Auflösung von 1018 m • Elektromagnetische und schwache Wechselwirkung werden bei sehr hohen Impulsüberträgen gleich stark und lassen sich zur elektroschwachen Wechselwirkung vereinigen (HERA-I 1991-2000) • HERA-II hat eine viermal höheren Luminosität und soll für mögliche Unterstrukturen von Quarks sowie für Leptoquarks („Zwitterteilchen“ aus Leptonen und Quarks) bis 2006 eingesetzt werden 16 HERA 17 Tevatron-Beschleuniger bei Fermilab (Chicago, Illinois) • bis 1996 dauerte Run-1 (Eigenschaften des Bottom-Quarks, genaue Bestimmung der Masse des W-Bosons, Entdeckung des Top-Quarks) • Protonen und Antiprotonen mit einer Schwerpunktsenergie von 2 TeV prallen aufeinander • Stöße der elementaren Bausteine der Protonen von einigen hundert GeV werden erzielt • 2001 begann neue Forschungsphase mit verbesserten Detektoren und einer stärkeren Maschine (von 1,8 TeV auf 2 TeV) eine um den Faktor 16 erhöhte Kollisionsrate (Luminosität) erreichen soll. • bis 2007 soll an der CP-Verletzung, Teilchen-Antiteilchen-Oszillationen an verschiedenen Arten von B-Hadronen, Verbesserung der Bestimmung der Massen und der Untersuchung des Top-Quarks geforscht werden 18 Tevatron supersymmetrische Teilchen? 19 CERN (European Organization for Nuclear Research) DELPHI: Detector with Lepton Photon and Hadron Identification; Teilchenidentifikation sowie dreidimensionale Teilchenspuren OPAL: Omni Purpose Apparatus for Lep; großer, zwiebelförmig aufgebauter Vielzweckdetektor zur Messung von Reaktionsprodukten L3-Detektor: Der größte LEP-Detektor enthält mehr als 10.000 Kristalle aus BismuthGermanium-Oxid zum Nachweis von Elektronen und Photonen ALEPH: Apparatus for LEp PHysics; Nachweis von Teilchen, die bei der Zerstrahlung von Elektronen und Positronen entstehen 20 •20 Mitgliedsländer •3000 Mitarbeitern •CERN: das weltgrößte Forschungszentrum auf dem Gebiet der Teilchenphysik •Super Proton Synchrotron •Großer Elektron-PositronSpeicherring : war von 1989 bis 2000 in Betrieb und diente als Speicherring für Elektronen und Positronen mit Energien von bis zu 100GeV 21 SLAC, Stanford Linear Accelerator Center • 1962 in Betrieb gegangen • bis heute die größte derartige Maschine geblieben • kann Elektronen auf etwa 30 Milliarden Elektronenvolt beschleunigen • damals die höchste Energie der Welt für Elektronen der zwei Meilen lange Linearbeschleuniger für Elektronen in Stanford, Kalifornien 22 „Nebenprodukte“ der Teilchenphysik : • Synchrotronstrahlung • Freie-Elektronen-Laser • World Wide Web 23 24 Probleme ? ● 40 Millionen Strahlkreuzungen pro Sekunde ● 1000 Millionen ProtonProtonKollisionen/s – aber fast alle sind „Untergrund“ ● Rohdatenrate: Petabyte/s – entspricht > 1 Million CDs pro Sekunde ● Nur ein winziger Bruchteil der Daten interessant für Analyse – „Trigger“ wählen aus, welche Ereignisse gespeichert werden sollen Atlas ● 40 m Länge ● 20 m Durchmesser ● 7000 t Gewicht ● 170 Institute aus 35 Ländern ● ca. 2000 Mitglieder in der Kollaboration Opal ● 12 m Länge ● 11 m Durchmesser ● 3000 t Gewicht ● 34 Institute aus 8 Ländern ● ca. 300 Mitglieder in der Kollaboration 25 LHC – die wichtigsten Parameter -Umfang: 26,659 km 7. März 2005 -Magnete: supraleitend bei 1,9 K (Dipole und Quadrupole) bzw. 4,5 K -Magnetfeld: max. 9 T -Kollidierende Teilchen: Protonen und schwere Ionen -Schwerpunktsenergie: 14 TeV für Protonen,1150 TeV für Schwerionen -max. Luminosität: 1034 cm-2 s-1 Erste LHC Magnete -Kollisionsrate: max. 40 Millionen pro Sekunde Experimente: • ALICE: Vielzweckdetektor, optimiert für Kollisionen von Schwerionen • ATLAS: Vielzweckdetektor für Proton-Proton-Kollisionen • CMS: Vielzweckdetektor für Proton-Proton-Kollisionen • LHCb: Proton-Proton-Kollisionen, spezialisiertauf die Messung der Eigenschaften von Hadronen mit Bottom-Quarks 26 ILC (International Linear Collider) • Gesamtlänge der Anlage: 33 km, davon 2 mal 15 km Beschleunigungsstrecke • Innendurchmesser des Tunnels: ca. 5 m • Tiefe unter der Erde: 10 - 30 m (8 m unter Normalnull) • Größe des Forschungsgeländes in Ellerhoop: 54 Hektar (540 000 m2) • Bauzeit: ca. 8 Jahre • Elektron-Positron-Kollisionsenergie: 500 GeV, ausbaubar auf 800 GeV • Kollisionspunkte/Teilchenphysikexperimente: zunächst 1, ausbaubar auf 2 • Anzahl der 1 m langen supraleitenden Resonatoren: 21 024 • Betriebstemperatur der Resonatoren: 2 K • Luminosität: 3,4 x 1034 cm-2 s-1 • Röntgenlaserhalle: 20 Messplätze, ausbaubar auf 30 • Wellenlänge der Röntgenstrahlung: 1 nm bis 0,1 nm supraleitender Hohlraumresonator 27 ILC (International Linear Collider) ab 2015(?) 28 Überblick: 29
