>>>>>>>LHC Upgradephase auf 7.0 TeV<<<<<<<

Vorwort

Willkommen auf lhc-facts.ch

Diese Seite erlaubt Ihnen einen detaillierten Einblick in die komplexeste Maschine der Welt und den grössten Detektoren der Teilchenphysik. Im Newsbereich finden Sie immer die aktuellsten Meldungen über die Entwicklung des Beschleunigers und die neusten physikalischen Erkenntnisse. Durch die integrierten Vistarseiten, welche ständig aktualisiert werden, können Sie den LHC Betrieb live mitverfolgen. Ebenfalls im Newsbereich eingebunden ist das Mitteilungssystem "LHC-Announcer", eine elektronische Stimme, welche die Techniker im Kontrollraum jederzeit über wichtige Änderungen der LHC-Parameter informiert. Die neusten Meldungen können Sie auch über oder verfolgen.
LHC Status (live)
Was läuft gerade beim LHC? Typische LHC-Vistarseite. Erläuterung

Einleitung

Die Forschungsschwerpunkte der Teilchenphysik beschäftigen sich mit der Erforschung grundlegender physikalischer Gesetze, die über die elementaren Bausteine der Materie und der Struktur von Raum und Zeit herrschen. Die Inbetriebnahme des LHC, dem Large Hadron Collider, eines der größten und globalen wissenschaftlichen Projekte aller Zeiten, markiert einen Wendepunkt in der Teilchenphysik. Proton-Proton und Bleiionen-Zusammenstöße mit einer noch nie dagewesenen Energie könnten in den kommenden Jahren ganz neue Einblicke eröffnen und möglicherweise einige der fundamentalen Fragen der modernen Physik beantworten, wie z.B. den Ursprung der Materie, die einheitliche Behandlung der fundamentalen Kräfte, neue Formen der Materie und zusätzliche Dimensionen von Raum und Zeit.

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts waren die Wissenschaftler der Meinung, die meisten fundamentalen Prinzipien der Natur verstanden zu haben. Jedoch beginnend mit Einsteins Relativitätstheorie, welche die Newton'sche Mechanik ersetzte, wurde den Wissenschaftlern klar, dass ihr Wissen weit von jeglicher Vollständigkeit entfernt war. Das spezielle Interesse galt dem wachsenden Bereich der Quantenmechanik, die die Grundlagen der Physik vollständig veränderte.
Mit Beginn der ersten Kollisionsexperimente fand man heraus, dass Atome bei weitem nicht als elementare Bausteine der Natur verstanden werden konnten, sondern dass sie aus noch kleineren Bestandteilen bestehen. Ein ganzer Teilchen-Zoo wurde durch die Kollisionsphysik entdeckt. Die Gesetzmäßigkeiten dieser Teilchen blieb den Physikern aber lange Zeit ein Rätsel.
Mit der Quark-Theorie von M. Gell-Mann und G. Zweig konnten nicht nur die Gesetzmäßigkeiten in diesem Teilchen-Zoo beschrieben werden, sondern auch sehr viele bis dato unbekannte Teilchen vorhergesagt werden, welche in späteren Beschleunigerexperimenten nachgewiesen werden konnten. Seit nunmehr über 30 Jahren ist dadurch schrittweise eine Theorie entstanden, die auf den Gesetzen der speziellen Relativitätstheorie und der Quantentheorie basiert, und heute als das "Standardmodell der Teilchen und Wechselwirkungen" bezeichnet wird.

Doch obwohl das Standardmodell (SM) nahezu alle bisherigen teilchenphysikalischen Beobachtungen erklären kann, reicht es nicht aus, um unsere Welt vollständig zu beschreiben. So ist es weder in der Lage die gravitative Wechselwirkung zu beschreiben, noch die drei anderen Grundkräfte (starke Wechselwirkung, schwache Wechselwirkung, elektromagnetische Kraft) in einer einzigen Theorie zu vereinen. Ausserdem folgen bestimmte freie Parameter nicht aus der Theorie selbst, sondern müssen experimentell bestimmt werden.
Ein weiteres Problem des Standardmodells ist, dass die Teilchen, welche die Theorie bisher vorhergesagt hat, eigentlich keine Masse haben dürften. Dies deckt sich aber in keinster Weise mit der Beobachtung. Alleine die Masse des Top-Quarks, entspricht fast derjenigen eines Goldatoms. Dieses schwerwiegende Problem könnte durch den Higgs-Mechanismus gelöst werden, aus dem ein weiteres hypothetisches Teilchen hervorgeht - das Higgs-Boson. Dessen genaue Masse geht allerdings nicht aus der Theorie hervor, sondern entspricht ebenfalls einem freien Parameter, welcher experimentell gemessen werden muss.

Heute existieren viele alternative Modelle, die auf dem mathematischen Fundament des Standardmodells basieren, es aber derart erweitern, dass dadurch eine Vereinigung der drei Grundkräfte möglich wird (Grand Unification Theory). Andere Modelle unterscheiden sich, durch die Annahme zusätzlicher Dimensionen fundamental von der Mathematik des Standardmodells, so z. B. die Stringtheorie. Doch welches Modell beschreibt die Natur am besten?

Um diese Frage zu beantworten, müssen aus einer Theorie Vorhersagen hervorgehen, welche experimentell gemessen werden können. Das Problem - viele Theorien der heutigen Teilchenphysik liefern Vorhersagen, die außerhalb des Energiebereichs bisheriger Teilchenbeschleuniger liegen. Mit dem LHC wurde ein Beschleuniger entwickelt, mit dem die Physiker Zugang zu diesem unbekannten Energiebereich erhalten und dadurch viele Theorien bestätigt oder widerlegt werden könnten.

Was immer mit dem LHC entdeckt werden wird, die Teilchenphysik hält noch viele Überraschungen und neue Fragen bereit. Diese Erkenntnisse werden auch in das noch junge Gebiet der Astroteilchenphysik miteinfließen. Die mikroskopische Welt der Moleküle, Atome und Quarks trifft auf die makroskopische Welt der Planeten, Sterne und Galaxien. Der Kreis ist dabei sich zu schließen.


Das Unverständlichste am Universum ist im Grunde, dass wir es verstehen können. Albert Einstein



Das LHC-Projekt

Der Large Hadron Collider (zu Deutsch; Großer Hadronen-Speicherring) ist ein knapp 27 Kilometer langer Teilchenbeschleuniger des europäischen Kernforschungszentrum CERN bei Genf in der Schweiz. Der LHC beschleunigt Hadronen (wie z.B. Protonen) auf Beinahe-Lichtgeschwindigkeit und bringt diese an vier Stellen zum Zusammenstoß. An diesen vier Kollisionspunkten befinden sich Detektoren (ATLAS, CMS, LHCb, ALICE, TOTEM, LHCf), um die Wechselwirkungen der entstehenden Teilchenschauer zu untersuchen.
Offizieller Beginn des LHC-Projekts war im Jahr 1984. Der LHC-Speicherring wurde in dem ca. 27 Kilometer langen Tunnel errichtet, in welchem sich bis zum Jahr 2000 der Beschleuniger LEP (Large Electron-Positron Collider) befand. Der Tunnel verläuft unter der schweizer-französischen Grenze in einer Tiefe von 50 bis 175 Metern, wobei sich der Großteil der Anlage auf französischem Staatsgebiet befindet.


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LHC-Speicherring Quelle: CERN


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Das CERN-Gelände bei Genf und die Lage des LHC-Speicherringes (roter Kreis) Quelle: CERN


Animation LHC Quelle: CERN



Protonenmodus und Blei-Ionen-Modus

Im LHC werden Teilchen im und gegen den Uhrzeigersinn beschleunigt. Der LHC wurde dabei für zwei Betriebsmoden ausgelegt. Zum einen können einfach, positiv geladene Protonen und zum anderen 82-fach positiv geladene Bleiionen beschleunigt werden. Eine Protonenfüllung besteht dabei aus 2808 Protonenpaketen (115 Milliarden Protonen pro Paket), eine Füllung mit Bleiionen aus 592 Paketen (70 Millionen Ionen pro Paket). Die Teilchenpakete werden, je nach Experiment, am Kollisionspunkt auf bis zu 16 µm im Durchmesser (Durchmesser eines menschlichen Haares: 50 µm) und einer Länge von 8 cm fokussiert. Dabei kommt es im Schnitt zu 20 Kollisionen, pro Kreuzung zweier Teilchenpakete. Mit einer maximalen Beschleunigung der Protonen auf 7 Billionen Elektronenvolt und 2.76 Billionen Elektronenvolt der Blei-Ionen wird der LHC für eine lange Zeit der leistungsfähigste Teilchenbeschleuniger der Welt sein. Die Kollisionsenergie wird durch die Schwerpunktenergie angegeben. Dabei verdoppelt sich die Energie der einzelnen Teilchenstrahlen.


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Links: Wasserstoffatom / Rechts: Bleiatom
Der LHC benötigt geladene Teilchen, deshalb werden die Elektronen entfernt (gestrippt). Übrig bleibt ein einfach, positiv
geladener Wasserstoffkern und ein 82-fach, positiv geladener Bleikern.



Energie des Teilchenstrahls

Je höher die Protonen und Bleikerne beschleunigt werden, umso grösser wird ihre kinetische Energie und umso mehr neue Teilchen entstehen bei ihrer Kollision. Diese Beziehung wird ausgedrückt durch Einsteins berühmte Formel E=mc2. Die Energie des Teilchenstrahls wird in Elektronenvolt, abgekürt eV, angegeben. Ein Elektronenvolt ist die Energie, die ein Proton oder ein Bleiion erhält, wenn es ein elektrisches Feld von 1 Volt im Vakuum durchläuft, dadurch beschleunigt wird und somit kinetische Energie gewinnt. Der LHC wurde ursprünglich für eine Energie von 7 Teraelektronenvolt (7'000'000'000'000 eV) pro Teilchenstrahl ausgelegt. Probleme der Magnete führten dazu, dass vorerst nur ein Betrieb mit 3.5 und 4.0 TeV möglich war. In den nächsten Jahren (2013/2014) soll dieses Problem behoben werden, damit auch 7 TeV erreicht werden können.

1 keV = 1 Kiloelektronenvolt = 1'000 Elektronenvolt
1 MeV = 1 Megaelektronenvolt = 1'000'000 Elektronenvolt
1 GeV = 1 Gigaelektronenvolt = 1'000'000'000 Elektronenvolt
1 TeV = 1 Teraelektronenvolt = 1'000'000'000'000 Elektronenvolt


Beschleunigung auf 1 eV



Luminosität

Viele Teilchen entstehen bei einer Teilchenkollision äusserst selten. Deshalb ist es wichtig, dass der LHC möglichst viele Teilchenkollisionen liefern kann. Eines der Leistungsmerkmale des LHC ist seine hohe Luminosität von 1034 cm-2 s-1. Die Luminosität ist ein Maß für die Teilchenstrahldichte in Bezug zur Kollisionsfrequenz. Die Luminosität steigt mit der Zahl der Teilchen pro Teilchenpaket (Bunch), der Häufigkeit (Frequenz), mit der die Teilchenpakete zusammentreffen und dem Kehrwert des Strahlquerschnittes. Wenn sich die Protonen/Bleipakete einmal im LHC-Speicherring befinden und beschleunigt wurden, können keine weiteren Pakete nachgeführt werden. Erreicht der Strahl die angestrebte Energie, wird dieser zuerst fokussiert (Squezze) und dann auf den Interaktionspunkt (IP) ausgerichtet (Adjust) welcher sich im Zentrum der Experimente befindet. Ist der Strahl stabil (Stable Beams) dürfen die Detektoren eingeschaltet werden und können mit der Aufzeichnung der Kollisionen beginnen. Durch die Kollisionen nimmt die Zahl der Teilchen im Ring und damit auch die Luminosität stetig ab. Die Laufdauer eines solchen Run's liegt optimal zwischen 12 und 25 Stunden.

Obwohl sich der LHC unter der Erde befindet, können nicht alle Umwelteinflüsse ausgeschlossen werden. Durch die Schwerkraftveränderungen des Mondes und der Sonne, welche auch für Ebbe und Flut verantwortlich sind, wird auch der LHC-Tunnel geringfügig deformiert. Um diese geringfügigen Veränderungen zu kompensieren werden in regelmässigen Abständen Korrekturmagnete aktiviert, um den Strahl wieder auf seine optimale Flugbahn auszurichten.


Kontinuierliche Abnahme der Luminosität und Korrekturmassnahmen (rote Pfeile) Quelle: CERN



Magnetstrukturen

Um die Leistung des LHCs zu erreichen, mussten unzählige neue Technologien eingesetzt werden. Die wichtigste Komponente stellt dabei die Beschleunigung und Kontrolle der Teilchen mittels supraleitenden Magneten dar. Dafür musste das weltgrößte Kühlsystem errichtet werden, das durch rund 140 Tonnen flüssiges Helium gespeist wird. Nur durch diese supraleitfähigen Strukturen konnte das LHC-Projekt in einem finanziell vertretbaren Rahmen überhaupt erst realisiert werden. Würden normalleitende Magnete eingesetzt, so müsste der Ring bei gleicher Leistung einen Umfang von mindestens 120 km haben und würde ca. 40-mal mehr Strom verbrauchen. Im gesamten LHC-Komplex kommen ca. 10000 Magnete und über 50 verschiedene Magnettypen zum Einsatz.


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Supraleitender Dipolmagnet Quelle: CERN


Energieverbrauch

Der Energieverbrauch des gesamten LHC-Projekts liegt bei ca. 1000 Gigawattstunden, was rund einem Zehntel des Energieverbrauchs des Kanton Genf mit 450000 Einwohnern entspricht. Da die Strompreise aufgrund des erhöhten Heiz- und Lichtbedarfs der Bevölkerung im Winter erheblich höher ausfallen als im Sommer, wird der LHC-Betrieb während dieser Zeit üblicherweise eingestellt. Dieser jährliche Wintershutdown dauert jeweils von November bis Mai.



Datenverarbeitung


Eine weitere technische Höchstleistung wurde durch das Worldwide LHC Computing Grid (WLCG) realisiert. Durch die Detektion der Teilchenschauer wird pro Jahr eine Datenmenge von 15 Petabytes (=15 Millionen Gigabytes) generiert. Durch die Vernetzung von tausenden Computern wird das WLCG diese anfallenden Datenmengen speichern, verwalten und miteinander verarbeiten können.



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Computerfarm des Computerzentrums von CERN Quelle: CERN
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