Höchstenergetische Teilchenbeschleuniger

Höchstenergetische
Teilchenbeschleuniger
Tevatron & LHC
1. Kurze Geschichte der
Beschleunigertechnik
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1882: erster Nachweis elektromagnetischer
Wellen durch Heinrich Hertz
1928: Rolf Wideroe stellt „Ray Transformer“
fertig.
Beschleunigung von positiven Na- und KIonen bei einer Hochfrequenzspannung
von 25 kV auf Endenergie 50 keV.
1931: Robert van de Graaff baut den ersten
MV-Hochspannungsgenerator mit bis zu
1,5 MV.
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1932: Lawrence gelingt in Zusammenarbeit mit Livingston die
Beschleunigung von Protonen
auf 1,25 MeV.
1939: Lawrence nimmt erstes größeres Zyklotron
mit starker Fokussierung in Betrieb.
1941: Kerst und Serber stellen erstes Betatron vor.
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1947: Alvarez baut den ersten Linearbeschleuniger für Protonen in
Berkeley.
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1953: erstes europäisches Synchrontron mit
starker Fokussierung in Bonn.
(Fokussierung durch alternierende
Gradienten)
1954: Gründung des CERN in Genf.
2. Beschleunigertypen
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Grundlagen:
Wirkung auf geladene Teilchen durch Lorentzkraft
F=q(E+vxB)
Energiegewinn
dE = q x U
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Van de Graaff – Generator :
Anfängliche Hochspannung über Koronaaufladung
stark erhöht.
Ladungen sitzen nur auf der Oberfläche der
Kugel.
Ladungen werden beschleunigt und auf ein
Target geschossen.
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Cockroft – Walton – Beschleuniger :
Erste Halbwelle lädt C1 auf.
Æ umpolen des Transformators
Nächste Halbwelle setzt oberes
Ende von C2 auf 0V.
Æ C3 auf 200V geladen.
Nächste Halbwelle setzt C3 auf 400V.
Æ Spannungsvervielfacher
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Betatron :
Zeitlich veränderliches Magnetfeld erzeugt ein
elektrisches Feld.
Magnetfeld besitzt radialen Verlauf
Æ Form der Pole bewirkt Fokussierung
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Zyklotron
Kreisfrequenz
q/m x B
Heizdrähte dienen als Ionenquelle
Ionen treffen auf ein Target bevor
sie das Zyklotron verlassen
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Synchrotron :
sehr hohe (relativistische) Geschwindigkeiten
Æ Beschleunigung durch synchronisiertes E-Feld
Magnetfeld an Teilchenenergie gekoppelt
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Klystron :
erzeugte Elektronen werden zu Teilchenpaketen gebündelt
Æ Mikrowellen werden zum Beschleuniger
geleitet
Klystron ist ein
Schwingungserzeuger
(Leistung bis zu 500kW)
3. Tevatron
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Daten:
Schwerpunktsenergie 1,96 TeV
Radius 1km
Magnetfeld 4,2 Tesla
36 Bunches
Abstand 396 ns zwischen Bunches
Protonen und Antiprotonen
In Betrieb seit 1987
Beschleunigungsvorgang
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Negativ geladene Wasserstoff-Ionen Æ 750 keV
Beschleunigung im LINAC Æ 400 MeV
Graphitfolie entreisst dem Wasserstoff seine 2
Elektronen Æ Booster
Synchrotron beschleunigt Protonen Æ 8 GeV
Synchrotron und Main Injector Æ 150 GeV
Tevatron beschleunigt Protonen Æ 980 Gev
Æ
Kollision
Antiprotonen, weil dann nur ein Ring benötigt wird
und hohe Kollisionsenergie möglich ist.
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Erzeugung von Antiprotonen
Protonen werden auf festes Ziel aus Ni oder Cu
geschossen
Bei dieser Kollision werden Antiprotonen erzeugt
die eine Energie von 8 GeV besitzen sollen (für 1
Antiproton werden ca. 50.000 Protonen benötigt)
Lithiumlinse fokussiert Antiprotonen
Weiterleitung in DeBuncher Æ kontinuierlicher
Strahl
Bündelung im Akkumulator Æ Main Injector
Preis 8,500 000 000 000 000 € pro Gramm
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Erfolge:
Entdeckung des Top-Quarks
Präzisionsmessung der Masse des W-Bosons
Messung der Strukturfunktionen in Quarks und
Gluonen
4. LHC
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Daten:
Schwerpunktsenergie 14. TeV
Ringumfang 27 km
Magnetfeld 8,33 Tesla
Temperatur -271°C (Supraflüssiges He)
2835 Bunches
Abstand 25 ns zwischen Bunches
Kollision von Protonen
Ziele: „Blick in die Vergangenheit“
Beweis der Supersymmetrie
Beweis der Existenz des Higgs-Teilchens
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Beschleunigungsvorgang:
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Wasserstoff werden Elektronen entzogen Æ p
Im LINAC 2 Æ 50 MeV
Beschleunigung im PS-Booster Æ 1,4 GeV
Beschleunigung im Proton Synchrotron Æ 25 GeV
SPS Æ 450 GeV
Transfer in den LHC in beide Richtungen (Füllzeit
260s)
Protonen werden im LHC beschleunigt Æ 7 TeV
Æ Kollision
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Schwerionenkollision:
Bleiionen werden produziert und auf 550°C
erhitzt
Bleidampf wird ionisiert
Ionisationsstufen, max. bei Pb-27+
Beschleunigung auf 4,2 MeV pro U
Passieren von Carbonfolie Æ Pb-54+
Im LEIR Beschleunigung auf 72 MeV pro U
Transfer in PS Æ 5,9 GeV pro U
Pb-82+ zum SPS Æ 177 GeV pro U
Transfer zum LHC Æ 2,76 TeV pro U
Æ Kollision im Alice-Detektor