Die Laufzeit des LHC wird voraussichtlich 2030 enden. Bis
dahin ist allerdings schon einiges in Planung. Zuerst wird der
LHC nach rund 2-jährigem Betrieb Ende 2011 in eine längere
Umrüstungsphase von 15 bis 18 Monaten gehen, um die bestehenden
Verbindungen zwischen den Magneten auszutauschen und den
Beschleuniger auf 7 TeV (Schwerpunktenergie 14 TeV) vorzubereiten.
Dieser Zeitraum wird zudem genutzt um neue Detektorkomponenten
einzubauen und Defekte zu beheben. Nach Abschluss dieser Phase,
wird der Beschleuniger rund 3 Jahre lang laufen.
Gegen Ende 2015 sowie 2019 sind wieder längere Umrüstungsphasen von
12 bis 15 Monaten geplant, um die Luminosität noch weiter zu
steigern. Die inneren Detektoren von ATLAS, ALICE, CMS und LHCb
werden deshalb durch Detektoren ersetzt, die eine höhere Auflösung
besitzen. Um die Luminosität zu steigern werden neue Quadrupole
eingesetzt, deren Prototypen bereits heute konstruiert werden.
Durch die neuen Quadrupole kann der Teilchenstrahl noch besser
fokussiert werden. Da die Teilchenpakete jedoch nicht frontal
kollidieren, sondern unter einem bestimmten Winkel, durchdringen
sich die Pakete nicht vollständig. Ein anderes Konzept sieht daher
vor, durch spezielle Kavitäten (Crap Cavities) die länglichen
Teilchenpakete kurz vor dem Interaktionspunkt so zu drehen, dass sie
möglichst vollständig kollidieren.
Ein weiteres Konzept wäre die Umrüstung des LHC auf noch höhere
Energien (High Energy LHC). Dazu müssten sämtliche
Dipolmagnete von 8.3 auf 20 Tesla aufgerüstet und neuartige
Quadrupole eingesetzt werden. Dadurch könnten Energien von 16.5 TeV
(Schwerpunktenergie: 33 TeV) erreicht werden. Jedoch würde darunter
die Luminosität leiden, da nur noch halb soviele Teilchenpakete
beschleunigt werden könnten. Die Realisierung dieses Konzepts,
steht aber noch in den Sternen.
Aktuelles Problem: Schlechte Kontakte zwischen
den Supraleitern bzw. den Kupferstabilisatoren.
Quelle: CERN
Prototyp des neuen Quadrupols.
Quelle: LBNL
Bild oben rechts: Schema der
Paketdrehung vor dem IP. rote Linie: Luminosität mit aktuellem
Verfahren. blaue Linie: Luminosität mit Crap-Verfahren. grüne Linie
Luminosität bei frontaler Kollision.
Quelle: CERN
Links: LHC / Rechts: High Energy LHC
Quelle: CERN
26.08.2010
Gestern wurde im Interaktionspunkt des CMS-Detektors eine
neue Rekordmarke der Luminosität erreicht. Zudem konnten
erstmals 50 Protonenpakete pro Strahlrohr injiziert werden. Die
Pakete bewegen sich nun nicht mehr in regelmässigen
Abständen durch den rund 27 Kilometer langen Speicherring,
sondern werden in zusammenhängenden "Zügen" (sog. Trains)
injiziert. Durch die jeweiligen Abstände zum jeweils
nächsten Paketzug erhalten die Kickermagnete damit
genügend Reaktionszeit für eine Extraktion.
Auch die LHC-Experimente konnten neue Erfolge vorweisen. So wurde
vom LHCb-Detektor der Zerfallskanal eines Z-Bosons beobachtet,
während der ATLAS- und CMS-Detektor erste Hinweise auf die
Produktion eines Top-Quarks entdeckten. Die LHC-Detektoren
hätten damit alle bekannten Quarksorten wiederentdeckt (Up und
Down, Charm und Strange, Top und Bottom). Das Top-Quark gehört
zu den schwersten der bekannten Elementarteilchen und konnte bisher
nur durch das Tevatron in den USA nachgewiesen werden (erster
Nachweis: 1995). Trotz der sehr geringen Erzeugungsraten von einem
Top-Quark in 100 Mio. Wechselwirkungen, können bei optimaler
Luminosität im LHC jährlich zehntausende Top-Quarks
erzeugt werden.
Für November 2010 sind die ersten Blei-Ionen Injektionen
geplant. Damit wird es auch für den ALICE Detektor erstmals so
richtig heiss, wenn in seinem Interaktionspunkt Bleikerne
kollidieren und Temperaturen von mehreren Billiarden Grad Celsius
erzeugen. ALICE wurde speziell dafür konstruiert sog.
Quark-Gluonen-Plasmen zu untersuchen, die bei solch extremen
Bedingungen für extrem kurze Zeiträume existieren
könnten. Bedingungen wie sie auch kurz nach dem Urknall
geherrscht haben könnten.
LHCb-Detektor: Zerfall eines Z-Bosons in
2 Myonen (dicke weisse Linien)
Quelle: LHCb-Collaboration
ATLAS-Detektor: Zerfall eines Z-Bosons
in 2 Myonen (rote Linien)
Quelle: LHCb-Collaboration
18.05.2010
Bereits im September letzten Jahres wurde in der Halle des
LHCb-Experiments, ein Prototyp eines neuen Detektors installiert.
Die Installation des kompletten Detektors wurde nun genehmigt.
Das MoEDAL-Experiment (Monopole and Exotics Detector at the LHC)
ist auf die Suche nach exotischen Partikeln ausgelegt. Es besteht
in seiner endgültigen Konfiguration aus einem Array von 400
Modulen (Gesamtfläche 250 Quadratmeter) welche um den VELO-Detektor
angebracht werden. Ein Modul besteht aus zwei Aluminiumplatten die
einen Stappel aus 10 übereinanderliegenden Kunststoffplatten
einschliessen. Durchfliegt nun ein Teilchen diese Platten,
hinterlässt es charakterische Spuren im Kunststoff. Um die
Platten auszuwerten werden sie ausgebaut und in Kombination
chemischer Ätzprozesse und mikroskopischer Verfahren untersucht.
Der Detektor ist auf Langzeitmessungen ausgelegt. Der Ausbau der
Platten und deren Auswertung ist jeweils für den
Wintershutdown oder andere kurzzeitige Unterbrüche des LHC
Betriebes vorgesehen (um das komplette Array auszutauschen ist nur
ein Zeitraum von 3 Tagen nötig).
Folgende Ziele werden mit dem MoEDAL-Detektor verfolgt:
• Suche nach magnetischen Monopolen.
• Suche nach stabilen, supersymmetrischen Teilchen.
• Suche nach Higgs-Bosonen.
• Suche nach Relikten mikroskopischer schwarzer Löcher.
• Studien des Hintergrundrauschens der VELO Region.
Erläuterung des MoEDAL-Detektors.
Quelle: CERN
MoEDAL-Detektor
Quelle: CERN
Installierter Prototyp in der
LHCb-Caverne.
Quelle: CERN
17.05.2010
In den letzten Wochen begannen die Vorbereitungen um die
Anzahl der Protonenpakete und die Teilchendichte (Anzahl Protonen
pro Paket) zu erhöhen. Dazu liefen mehrere Testläufe bei
450 GeV und anschliessenden Beam Dump Studien. Durch die gewonnen
Daten wurde das Kollimatorsystem neu konfiguriert, um die
strahlnahen Detektorelemente bei höheren
Strahlintensitäten zu schützten. Dieses Wochenende konnte
die Anzahl der Protonenpakete von 2 Pakete/Strahl auf 4 und
schliesselich auf 6 Pakete/Strahl erhöht werden. Gleichzeitig
wurde auch die Protonenanzahl pro Paket auf 100 Millionen
erhöht. Durch die konsquente Steigerung der Luminosität,
verzeichneten die 4 grossen Detektoren bisher insgesamt über
eine Milliarde Kollisionen.
Die Befüllung des LHC-Speicherringes erfordert nicht nur ein
äusserst genaues Timing der Paketinjektionen und eine genaue
Einstellung des RF-Beschleunigungssystems. Um die Zahl der
Kollisionen möglichst gerecht unter den 4 grossen Experimenten
aufzuteilen, wird jeweils ein bestimmtes Befüllungsschema
angewendet. Der Hauptring des LHC ist dazu in 35640 sogenannter
"Buckets" unterteilt. Bei einer Füllung von jeweils 3
Protonenpakete pro Strahlrohr begegnen sich die Pakete pro Umlauf
an 9 verschiedenen Stellen des Hauptringes. Jeder Begegnungspunkt
stellt einen Bruchteil (in Bezug zur Paketanzahl) der Gesamtzahl
von 35640 Buckets dar.
Das effizienteste Schema hängt aber nicht nur von der Anzahl
der Protonenpakete ab. Der Interaktionspunkt des LHCb-Experiments
(IP8) liegt aufgrund der besonderen Bauweise dieses Detektors 11.5
Meter ausserhalb des "normalen" Füllschemas. Bei höheren
Paketzahlen werden die Pakete ausserdem nicht mehr
gleichmässig über den Ring verteilt zirkulieren. Da die
Kickermagnete des Beam Dump Systems eine bestimmte Zeit brauchen um
ihr Magnetfeld aufzubauen, werden zwischen den Paketen
genügend grosse Lücken freigelassen. Nicht jede
Paketanzahl erweist sich damit als sinnvoll. Eine mögliche
zukünftige Erhöhung der Paketanzahl wäre z.B.
folgende: 16, 43, 96, 156 Pakete, usw..
Bucket-Konfiguration/Interaktionspunkte
(3 x 3 Pakete)
Bucket-Konfiguration (4 x 4 Pakete)
Quelle: CERN
Steigerung der Luminosität seit
Beginn 2010.
Quelle: CERN
23.04.2010
Das Large Hadron Collider Beauty-Experiment (LHCb), soll
u.a. zu neuen Erkenntnissen in der Frage führen, weshalb sich
beim Urknall Antimaterie und Materie nicht zu gleichen Teilen in
Energie umgewandelt haben. In der Optimierungsphase dieses
Detektors gelang nun ein wichtiger Schritt für zukünftige
Messungen. Durch die Rekonstruktion von rund 100 Teilchenspuren
einer Kollision (von insgesamt 10 Millionen Proton-Proton
Kollisionen), konnte indirekt ein Beauty-Teilchen, das B-Meson
erstmals durch den LHCb-Detektor nachgewiesen werden.
Nachdem zwei hochenergetische Protonen innerhalb des Vertexdetektors
kollidierten, entstand am Kollisionspunkt (primary Vertex) ein
B-Meson (B+). Dieses besteht aus einem Up-Quark
(u-Quark) und einem Anti-Bottom-Quark (-Quark) welches nach einer Flugstrecke
von 2 Millimeter in ein J/Psi-Teilchen (J/ψ) und ein positiv
geladenes Kaon (K+) zerfällt. Das J/ψ-Teilchen
zerfällt wiederum in ein Myon (μ-) und ein
Antimyon (μ+), welche vom Myonenspektrometer
des LHCb-Detektors detektiert wurden. Das Kaon wurde in Kombination
der RICH-
und HCAL-Detektoren
nachgewiesen. Durch die Rekonstruktion all dieser Flugbahnen und
Massen der Teilchen, konnte der Zerfallspunkt (B-decay vertex)
berechnet und auf die Bildung eines B-Mesons geschlossen werden.
Anmerkung: Das Bottom-Quark (auch Beauty-Quark genannt) wurde 1977
am Beschleunigerring des Fermilab erstmals indirekt nachgewiesen.
Massgeblich beteiligt an dieser Entdeckung war u.a. der Physiker
Leon Max Lederman, auf den die populäre Bezeichnung für
das Higgs-Boson zurückgeht - das Gottesteilchen.
In der letzten Woche folgten zwei weitere wichtige
Schritte zur Erhöhung der Luminosität des LHC's. Zum einen
wurde die Intensität der Teilchenpakete von rund 2 Milliarden
Protonen pro Paket auf 20 Milliarden Protonen erhöht. Zum
anderen konnte die Wellenlänge der Betatronschwingung (B*) im
Bereich der Kollisionspunkte von 11 Metern auf 2 Meter verringert
werden. Diese abweichenden Schwingungen der Teilchen von ihrer
Sollbahn, werden unvermeidlich aus den Magnetfeldern der
Fokussierungsmagnete verursacht.
Inzwischen wurde durch die Auswertung der ATLAS-Daten zwei
Teilchenzerfälle entdeckt, die auf die Produktion eines
W-Bosons hinweisen. Bei einer Kollision am 01.04.2010 wurde ein
Myon und ein Neutrino nachgewiesen, eine andere Kollision am
05.04.2010 zeigte ein Elektron und ein Neutrino. Diese beiden
Kollisionen deuten auf den Zerfall eines W-Bosons. Das Neutrino
selbst hinterlässt im Detektor zwar keine Spuren, es kann aber
durch Kenntnis der Kollisionsenergie indirekt nachgewiesen werden.
Wird ein Neutrino bei einer Kollision erzeugt, fehlt ein bestimmter
Energiebetrag (ETmiss) in Bezug zur Gesamtenergie.
Die ersten W- und Z-Bosonen wurden 1983 am CERN durch den UA1-Detektor (Speicherring: Super Proton
Antiproton Synchrotron) nachgewiesen.
Optimale Beta-Werte bei den
Interaktionspunkten 1 + 5 (IP).
Quelle: CERN
Möglicher Zerfall eines W-Bosons in
ein Myon (rote Linie) und ein Neutrino (gestrichelte Linie).
Quelle: ATLAS-Experiment
Möglicher Zerfall eines W-Bosons in
ein Elektron (gelbe Linie) und ein Neutrino (gestrichelte Linie).
Quelle: ATLAS-Experiment
05.04.2010
Die Lebensdauer der beiden Strahlen wurde inzwischen
weiter erhöht. Gestern herrschten 18 Stunden lang ohne
Unterbrüche stabile Bedingungen für Kollisionen. Die
Kollisionsrate konnte zudem durch manuelle Korrekturen der
Strahlfokussierung auf 100 Kollisionen/Sek. gesteigert werden.
Sobald genug Daten vorliegen, wird ein automatisches
Fokussierungssytem die optimale Strahlausrichtung vornehmen.
Zurzeit werden pro Strahlrohr 2 Protonenpakete injiziert. In einem
nächsten Schritt wird die Anzahl der Protonenpakete
erhöht. Bis Ende 2010 sollen dann bis zu 720 Protonenpakete
pro Strahlrohr durch den LHC zirkulieren (die max. Kapazität
liegt bei 2808 Paketen pro Strahlrohr).
Heute war ein grosser Tag für das CERN und die
Physik. Ein Tag der an Spannung kaum zu überbieten war. Heute
morgen um 06:00 Uhr wurden die Beschleunigerkavitäten für die
Beschleunigung der Teilchen und die ersten 7 TeV Kollisionen
hochgefahren. 17 Minuten später musste der Strahl jedoch
wieder gedumpt werden und das RF-System wieder heruntergefahren
werden. Um 08:40 Uhr erfolgte die nächste Ramp-Phase auf 3.5
TeV. Auch dieser Versuch schlug fehl und endete für die
Protonen im Beam
Dump.
Der dritte Versuch der Teilchenbeschleunigung startete um 11:50
Uhr. Diesmal klappte alles und die Teilchen konnten erfolgreich auf
3.5 TeV beschleunigt werden. Um 12:58 Uhr traf dann schliesslich
das lang erwartete Ereignis ein. Die Experimente verzeichneten die
weltweit ersten 7 TeV Kollisionen.
Bis um 16:30 Uhr herrschten stabile Bedingungen für
Kollisionen. Während dieser Zeit registrierten die Detektoren
über eine halbe Million Kollisionsereignisse. Damit endete die
jahrzehnte lange Vorbereitungsphase die von vielen
Rückschlägen begleitet war und läutet nun eine neue
Ära der Hochenergiephysik ein. Die Rucksäcke sind
gepackt. Die Reise beginnt...
(Anm.: Die Seite
www.lhc-facts.ch war heute aufgrund überlasteter Server
vorübergehend nicht erreichbar. Wir bitten Sie um
Entschuldigung.)
Tag der ersten 7 TeV Kollisionen.
Quelle: CERN
Moment der ersten 7 TeV Kollisionen.
Quelle: CERN
7 TeV Kollision im ALICE Detektor.
Quelle: CERN
7 TeV Kollision im ALICE Detektor.
Quelle: CERN
7 TeV Kollision im ATLAS Detektor.
Quelle: ATLAS-Experiment
7 TeV Kollision im ATLAS Detektor.
Quelle: ATLAS-Experiment
7 TeV Kollision im CMS Detektor.
Quelle: CERN
7 TeV Kollision im CMS Detektor.
Quelle: CERN
7 TeV Kollision im CMS Detektor.
Quelle: CERN
7 TeV Kollision im LHCb Detektor.
Quelle: CERN
7 TeV Kollision im LHCb Detektor.
Quelle: CERN
28.03.2010
In der letzten Woche musste eine ganze Serie von Problemen
gemeistert werden. Am Mittwoch fiel kurzzeitig das Cold
Compression System (CCS) im Sektor 2-3 aus. Am Donnerstag wurde ein
Feueralarm durch einen Kurzschluss in einem Transformator
ausgelöst. Dieser Transformator wird mit einer Spannung von
rund 18000 Volt gespeist und versorgt den Dipolmagneten
von ALICE mit Energie. Die Reparatur dauerte bis am Freitag Abend.
Am Samstagmorgen um 03:00 Uhr trat zudem ein Vakuumleck in der
Nähe eines TED-Absorbers (Transferline 2) auf, was
erneut einen Zugang zu den Tunnelsystemen erforderte.
Der Lohn all dieser Mühen: Heute konnte zum ersten mal in
jedem Strahlrohr 2 Protonenpakete auf jeweils 3.5 TeV beschleunigt
werden. Mit dieser Konfiguration sind kommenden Dienstag auch die
ersten 3.5 TeV Kollisionen geplant. Da die Fokussierung der
Teilchenpakete auf ihren Interaktionspunkt einen überaus
komplexen Prozess darstellt und die Voraussetzungen dafür
optimal sein müssen, bleibt es spannend ob dies am Dienstag
gelingen wird. Möglich ist auch, dass die ersten Kollisionen
erst Tage oder sogar Wochen später erfolgen. Die Welt schaut
am nächsten Dienstag jedenfalls gebannt nach Genf.
Reparaturarbeiten am Transformator.
Quelle: CERN
Fehlerhafte Dichtung (roter Kreis) vor
einem TED-Absorber.
Quelle: CERN
19.03.2010
Die Spannung steigt! Heute morgen um 05:20 Uhr konnten zum
ersten mal beide Teilchenstrahlen auf 3.5 Teraelektronenvolt
beschleunigt werden. Damit wurde ein weiterer neuer Weltrekord
aufgestellt. Nun beginnen die letzten Vorbereitungen der ersten
Kollisionen bei einer Schwerpunktenergie von 7 TeV.
3.5 TeV!
Quelle: CERN
12.03.2010
In den letzten zwei Wochen wurden verschiedene
Modi durchgeführt und die Systeme des Beschleunigers
ausführlich getestet. Unterbrochen wurden diese
Standardverfahren wie Injektionstests, Beam Dump und Kollimator
Studien, Tuning, Orbitkorrekturen, RF-Systemtests, durch kleinere
Probleme. Mehrere Schaltkreise des neuen Quench Protection Systems
mussten ausgetauscht werden. Vereiste Filter im Kühlsystem und
der Ausfall des Cold Compression System (CCS) aufgrund
eines defekten Drucksensors, führten zu etwas längeren
Unterbrechungen. Die Behebung dieser Probleme war mit partiellen
Erwärmungen der Magnete verbunden. Die Betriebstemperatur
konnte aber innerhalb von einigen Stunden wieder hergestellt
werden. Alles in allem schreitet die Maschinenoptimierung
planmässig voran. So konnten heute um 21:11 Uhr die Protonen
erstmals wieder auf die letztjährige Rekordenergie von 1.18
TeV beschleunigt werden.
Beschleunigung auf 1.18 TeV
Quelle: CERN
28.02.2010
Am Freitag wurden die Tunnelsysteme zum LHC wieder
versiegelt. Damit endete die rund 8-wöchige Installation des
neuen Quench Protection Systems (nQPS). Die anschliessende
Startphase verlief aber etwas holprig. Eine erste geplante
Injektion am Freitag Abend musste wieder abgebrochen werden, da
u.a. Probleme in den Magnettriplets bei IR1 (IR = Insertion Region)
in der Nähe des ATLAS-Experiments auftraten. Diese Triplets,
die sich auf beiden Seiten des ATLAS-Experiments befinden, dienen
dazu die Teilchen auf den Kollisionspunkt zu fokussieren. Die
Probleme konnten aber schnell behoben werden.
Am Samstag war es dann soweit. Nachdem die Vorbeschleuniger die
Protonenpakete auf eine Energie von 450 GeV beschleunigten,
erfolgte um 23:20 Uhr die Injektion in den LHC-Speicherring. Um
02:42 Uhr gelangen mehr als hundert Ringumläufe gegen den
Uhrzeigersinn und um 04:10 Uhr zirkulierte ein Strahl für
mehrere Sekunden in Gegenrichtung. Damit beginnt der längste
Run in der Geschichte des CERN. Nun gilt es den Strahl zu tunen
und die Lebenszeit der Strahlen schrittweise zu erhöhen.
Strahlposition TDI
(Transfer line Internal beam Dump)
Quelle: CERN
Splash-Event aufgezeichnet von ATLAS
Quelle: CERN
01.02.2010
Ein neuer Fahrplan steht an. Letzte Woche trafen sich
Physiker, Techniker und Experten in Chamonix (Frankreich), um in
einem intensiven Workshop den aktuellen technischen Zustand des
LHC's zu beurteilen und die weitere Vorgehensweise zu besprechen.
Die derzeitigen Arbeiten am neuen Quench Protection System sind
fast abgeschlossen und die Magnete damit fit für einen Betrieb
von 3.5 TeV. Die Analyse der Aufrüstung der supraleitenden
Verbindungsstellen zwischen den Magneten auf 7 TeV ergab jedoch,
dass dies weit mehr Zeit beanspruchen wird als bisher angenommen.
Ende 2011 wird der LHC deshalb in eine längere Shutdown Phase
von rund 18 Monaten gehen, um die Verbindungen der Magnete in
dieser Zeit auf 7 TeV aufzurüsten.
Der neue Fahrplan sieht vor, den Beschleuniger für die
nächsten 18 bis 24 Monate nur mit einer Energie von 3.5 TeV zu
betreiben. Ausserdem wurde der Plan, den Beschleuniger
zwischenzeitlich mit 5 TeV zu fahren, fallen gelassen um ein
anderes Ziel zu erreichen: Eine bestmögliche Kollisionsdichte
bei 3.5 TeV.
04.01.2010
2010 - Das Jahr neuer Physik? Nach den erfolgreichen
ersten Testläufen letzten Jahres, geben sich die
Wissenschaftler und Techniker am CERN zuversichtlich, den
Beschleuniger auch in diesem Jahr auf bisher unerreichte Energien
hochfahren zu können. Doch bevor es soweit ist, steht eine
6-wöchige Testphase, u.a. des Quench Protection Systems,
bevor. Das neue Sicherheitssystem, das die supraleitenden
Strukturen vor einem Quench schützen soll, wird dabei auf die
angestrebten Energien von 3.5 TeV und 5 TeV validiert. Ausserdem
werden kleinere Reparaturen und Optimierungen der
Beschleunigersysteme, einzelner Überwachungssysteme und Teile
der grossen Detektoren durchgeführt.
Nach Abschluss dieser Phase, werden die Tunnelsysteme Mitte Februar
wieder versiegelt und der Beschleuniger langsam auf 3.5 TeV
hochgefahren und damit das Tor zu einem bisher unbekannten
Energiebereich geöffnet.
Techniker optimieren das Quench
Protection System.
Quelle: CERN
Das neue Quench Protection System
Quelle: CERN
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der Installation öffnen Sie das Programm, drücken die
Taste F3 und geben im Eingabefeld folgende Adresse ein:
http://www.lhc-facts.ch/rss.xml
-Quark) welches nach einer Flugstrecke
von 2 Millimeter in ein J/Psi-Teilchen (J/ψ) und ein positiv
geladenes Kaon (K+) zerfällt. Das J/ψ-Teilchen
zerfällt wiederum in ein Myon (μ-) und ein
Antimyon (μ+), welche vom 
