LHC: Der diesjährige Restart des LHC war ein voller Erfolg. Die angestrebte Zielenergie von 6.5 Billionen Elektronenvolt wurde ohne grössere
Schwierigkeiten erreicht und die Anzahl an Teilchenpaketen pro Strahlrohr, konnte für Protonen erstmals auf 2244 und für Bleikerne auf 518 erhöht werden.
Am letzten Sonntag erfolgten dann die letzten Kollisionen mit Bleikernen. Damit geht der LHC bis im Frühjahr 2016 in einen wohlverdienten Winterschlaf.
Physik: Gestern präsentierten CMS und ATLAS ihre Ergebnisse inklusive der neuen Daten bei 6.5 TeV. Für die Vorhersagen von SUSY-Modellen wurden keine Hinweise gefunden
und die Grenzen dafür enger gesteckt. Ebenso erfolglos blieb die Suche nach mikroskopischen, schwarzen Löchern (MBH's) die sich in sog. Multijets zeigen würden.
Für Spannung sorgte ein erster Hinweis auf ein neues Teilchen. Ein Zerfall in zwei Photonen bei einer Gesamtenergie von
ca. 750 GeV zeigt einen unerwarteten Anstieg der Zerfallsrate. Möglicherweise könnte es sich dabei um einen schwereren Bruder des Higgs-Bosons handeln.
Doch obwohl ATLAS und CMS gemeinsam leicht erhöhte Werte in diesem Energiebereich gesehen haben, ist die Datenmenge noch viel zu gering um
von einer Entdeckung zu sprechen. Die Daten im nächsten Jahr werden zeigen, ob das neu entdeckte Signal stärker wird oder wieder im Rauschen verschwindet.
Letzter Beam Dump in diesem Jahr.
Quelle: CERN
Zerfall im ATLAS Detektor in zwei Photonen (grüne Linien).
Quelle: CERN
Multijet Ereignisse wie diese (braune Trichter) könnten Hinweise auf MBH's liefern.
Quelle: CERN
Flatline: Bisher keine Hinweise auf MBH's.
Quelle: CERN
25.11.2015 - Erste Blei-Ionen Kollisionen mit 6.37 TeV
Letztes Wochenende kollidierten Protonen bei 2.51 TeV (resp. 5.02 TeV Schwerpunktsenergie) in den 4 Interaktionspunkten der Experimente ATLAS, CMS, ALICE und LHCb.
Diese Kollisionen dienen als Referenz zu den gesammelten Daten von 2012/2013 als Protonen mit Bleikernen mit dieser Energie kollidierten,
zusammen mit den Blei-Blei Kollisionen die heute bei einer neuen Rekordenergie erfolgreich zum Zusammenstoss gebracht wurden.
Die maximale Energie des LHC von momentan 6.5 TeV wurde dabei auf 6.37 TeV reduziert um Kollisionen bei gleicher Energie zu gewährleisten. Diese Kollisionen erlauben einen noch detaillierteren
Einblick in einen Zustand, ein sog. Quark-Gluonen Plasma, wie er kurz nach dem Urknall geherrscht haben muss. Speziell ausgelegt für diese Art von Kollisionen ist der ALICE-Detektor. Aber auch die anderen Detektoren,
zeichnen diese Daten auf. Neu dazugestossen ist jetzt auch der LHCb-Detektor. Der LHC wird nun bis am 14. Dezember mit Bleikernen betrieben und geht dann in den Wintershutdown.
Referenzrun mit Protonen bei 2.51 TeV
Quelle: CERN
ATLAS-Detektor
Quelle: CERN
CMS-Detektor
Quelle: CERN
LHCb-Detektor
Quelle: CERN
ALICE-Detektor
Quelle: CERN
03.06.2015 - Die Reise beginnt
Am 16. Februar 2013 lief der LHC mit 4 TeV das letzte mal unter stabilen Strahlbedingungen (Stable Beams), die Voraussetzung für eine ungefährliche Aufzeichnung der Kollisionen mit den haushohen Detektoren.
Heute morgen war es wieder soweit. Nach der Injektion von je 3 Protonenpaketen pro Teilchenstrahl (mit je 100 Milliarden Protonen) in die gegenläufigen Hauptringe des LHC, wurden die Pakete durch das
Beschleunigungssystem erfasst und beschleunigt. Jedoch kam es bei ca. 4 TeV zu einem Softwarefehler, woraufhin die Strahlen automatisch im Beam Dump entsorgt wurden. Nach herunterfahren des Beschleunigungssystems
folgte ein zweiter Versuch, diesmal ohne Probleme. Nach erreichen der Zielenergie von 6.5 TeV, wurden die beiden Teilchenstrahlen fokussiert (Squeeze) und an den 4 Interaktionspunkten überlagert (Adjust). Um 10:43 Uhr
konnte schliesslich die Freigabe für die Detektoren deklariert werden. Stable Beams - Der Startschuss zur einer neuen Reise ins Unbekannte.
Um möglichst viele Daten sammeln zu können, wird in den folgenden Monaten die Intensität der Teilchenpakete schrittweise gesteigert werden. Zusätzlich wird die Paketanzahl auf 2800 Pakete pro Teilchenstrahl erhöht.
Aufzeichnung des Livestreams Teil 1 (0.75 GB)
Quelle: CERN
Aufzeichnung des Livestreams Teil 2 (1.17 GB)
Quelle: CERN
Verlauf von heute morgen
Quelle: CERN
Beam Dump nach einem Softwarefehler
Quelle: CERN
Stable Beams. Back in business!
Quelle: CERN
ATLAS
Quelle: CERN
CMS
Quelle: CERN
LHCb
Quelle: CERN
ALICE
Quelle: CERN
21.05.2015 - Erste 13 TeV Kollisionen und das letzte Ziel... Stable Beams
Gestern Abend und heute Morgen wurden die ersten Protonenpakete auf 6.5 TeV beschleunigt und erfolgreich zur Kollision (Schwerpunktsenergie: 13 TeV) gebracht und damit ein neuer Weltrekord aufgestellt.
Diese ersten Testkollisionen dienen noch nicht zur Suche nach neuer Physik, sondern dazu die beiden Teilchenstrahlen auf den Interaktionspunkt im Zentrum der 4 grossen Experimente
ALICE,
CMS,
ATLAS,
LHCb,
auszurichten und zu fokussieren und andere Teilsysteme des Beschleunigers wie die Kollimatoren zu justieren. Bei diesen Kollisionen waren viele Detektorsysteme noch ausgeschaltet, da die beiden Protonenstrahlen im Moment noch zu instabil sind um einen
gefahrlosen Betrieb bei voll eingeschalteten Detektoren zu gewährleisten. Trotzdem sind diese Aufzeichnungen wertvoll um die einzelnen Detektorschichten zeitlich zu synchronisieren.
Neben den 4 Hauptexperimenten werden auch die 3 kleineren Experimente MoEDAL,
TOTEM und
LHCf vorbereitet. Sobald stabile Strahlbedingungen (Stable Beams) erreicht werden (vorraussichtlich Anfang Juni),
können die Experimente mit der Datennahme beginnen.
ATLAS Detektor
Quelle: CERN
ALICE Detektor
Quelle: CERN
CMS Detektor
Quelle: CERN
LHCb Detektor
Quelle: CERN
TOTEM Detektor
Quelle: CERN
05.04.2015 - Erster Ringumlauf
26 Monate ist es her, seit das letzte mal Protonen im LHC Speicherring ihre Runden drehten. Heute morgen war es dann wieder soweit. Zuerst wurden die Protonen bei 450 GeV gegen den Uhrzeigersinn
injiziert und Sektor für Sektor durch den Ring geleitet. Dazwischen wurden sie immer wieder durch Kollimatoren gestoppt,
um die Magnete für den optimalen Orbit zu konfigurieren. Trifft ein Protonenpaket auf einen solchen Kollimator, entsteht dabei ein Teilchenschauer
welcher seine Spuren in den Detektoren hinterlässt (Splash Event). Um 10:40 Uhr gelang dann ein erster voller Ringumlauf. Danach umrundete der zweite Strahl im Uhrzeigersinn den Ring um 12:30 Uhr.
In den folgenden Wochen müssen nun alle Systeme geprüft und richtig eingestellt werden um die Protonenstrahlen sicher (vorerst bei 450 GeV und geringer Paketanzahl) und möglichst
lange im Ring zu speichern. Danach muss der Strahl vom RF System eingefangen (Capture) werden, d.h. die eingekoppelten Radiowellen müssen ihre Energie optimal auf den Protonenstrahl
übertragen um ihn zu beschleunigen. So ähnlich wie ein Surfer der im richtigen Moment los paddeln muss um die Energie der Welle zu nutzen.
Und schlussendlich muss die Maschine den Strahl so stabil halten, dass die Experimente mit ihren Messungen beginnen können (Stable Beams).
Wenn das alles klappt werden Ende Mai / Anfang Juni die ersten Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von 13 TeV aufgezeichnet und damit die Tür zu einem spannenden zweiten LHC Run geöffnet.
Teilchenschauer im ATLAS Detektor (Splash Event)
Quelle: CERN
Weg der Protonen durch den LHC. Grüne Linien zeigen die Abweichung des Strahls von seinem optimalen Orbit (rote Linie) in mm.
• Vor 13.8 Milliarden Jahren, Ort: Überall Ereignis: Urknall
Entstehung von Raum & Zeit
• 10-43 Sek. nach Urknall, Ort: Überall Ereignis: Planck-GUT-Ära
Die 4 Grundkräfte, elektromagnetische Kraft, starke Kraft, schwache Kraft und die Gravitation liegen als fundamentale Kraft vor, der Urkraft. In der folgenden GUT-Ära (Grand Unified Theories)
trennt sich die Urkraft in die Gravitation und in die 3 übrigen Kräfte auf.
Aufspaltung der Kräfte unterhalb von 1016 GeV.
• 10-35 bis 10-32 Sek. nach Urknall, Ort: Überall Ereignis: Inflation
Überlichtschnelle Ausdehnung des Raumes um den Faktor 1050.
• 10-30 Sek. nach Urknall, Ort: Überall Ereignis: Baryogenese
Entstehung erster Quarks und Antiquarks. Das extrem heisse Universum liegt zu diesem Zeitpunkt als Quark-Gluonen-Plasma vor.
• 10-6 Sek. nach Urknall, Ort: Überall Ereignis: Primordiale Nukleosynthese
Das Universum kühlt weiter ab und bildet aus den Quarks erste Protonen und Neutronen. Davon zerstrahlt der grösste Teil mit der Antimaterie.
Das Verhältnis Materie/Antimaterie fällt zugunsten der Materie aus. Die Gründe für dieses Ungleichgewicht sind Gegenstand aktueller Forschung.
• 10 Sek. nach Urknall, Ort: Überall Ereignis: Kernfusion
Vereinigung von Protonen und Neutronen durch Kernfusion zu ersten Deuterium-Atomkernen.
• 3 Min. nach Urknall, Ort: Überall Ereignis: Neutronenzerfall
Die Temperatur fällt weiter und die Kernfusion kommt zum erliegen. Die übriggebliebenen, freien Neutronen zerfallen in Protonen und Elektronen. Diese bilden leichte Elemente wie Helium, Lithium und Beryllium.
• 400000 Jahre nach Urknall, Ort: Überall Ereignis: Rekombinationsepoche
Das Universum hat sich soweit abgekühlt, dass immer stabilere Atome entstehen. Die Dichte nimmt weiter ab und das Universum wird durchsichtig.
• 200 - 550 Mio. Jahre nach Urknall, Ort: Lokal Ereignis: Sternentstehung/Galaxienbildung
Es bilden sich Gaswolken die sich durch Gravitation immer mehr verdichten und die ersten Sternenfeuer entzünden. Diese gruppieren sich zu ersten Galaxien, darunter auch unsere Milchstrasse deren Alter auf 13.6 Mia. Jahren geschätzt wird.
Nach heutigen Beobachtungen der Rotationsgeschwindigkeiten von Galaxien und der Berechnung ihrer Massen, müssten die Galaxien eigentlich auseinander driften. Eine mögliche Erklärung wäre die Masse von Teilchen welche nur sehr schwach wechselwirken und nur indirekt beobachtbar wären - sog. dunkle Materie.
• 9.2 Mrd. Jahre nach Urknall, Ort: Milchstrasse (Orionarm) Ereignis: Entstehung eines Sonnensystems mit 8 Planeten. In der protoplanetaren Staubscheibe kommt es zu immer grösseren Verklumpungen von Staubteilchen (Koagulation) welche Planetesimalen bilden,
den Bausteinen der Planeten. Diese kilometergrossen Gebilde besitzen genug Masse, um sich durch ihre Gravitation mit anderen Planetesimalen zu grösseren Objekten zu vereinigen.
• 10.5 Mrd. Jahre nach Urknall, Ort: 3. Planet (Erde) Ereignis: Entstehung von ersten einfachen Lebensformen.
• 2.5 Mio. Jahre vor Christus, Ort: 3. Planet (Erde) Ereignis: Menschenaffen (Hominidae) entwickeln erste Werkzeuge aus Steinen und Knochen.
Menschenaffen benutzen erste primitive Werkzeuge.
Quelle: Turner Entertainment Co. / 2001 - A Space Odyssey
* * *
• 7. November, 2007 Jahre nach Christus, Ort: Genf (Schweiz), CERN, Large Hadron Collider, geplante Energie: 7 TeV Ereignis: Ringschliessung
In 90 Meter Tiefe, im Sektor 1-2 des 27 Kilometer langen LHC-Tunnels, werden nach über 20 Jahren Planungs- und Bauzeit die letzten beiden Magnete miteinander verbunden.
Schutzhelme mit dunklem Visier schützen die Techniker vor dem grellen, blauweissen Licht des Schweissbogens mit dem die letzte von 10170 Verbindungsstellen
zwischen den Magneten geschlossen wird. Die Magnetspulen der Ablenkmagnete und die Verbindungen dazwischen bestehen aus einer Niob-Titan Legierung die bei einer Sprungtemperatur
von 9.2 K (-264 °C) supraleitend wird. Da mit noch tieferen Temperaturen noch stärkere Magnetfelder möglich sind, liegt die Arbeitstemperatur der LHC-Magnete bei 1.9 K
(-271.3 °C). Die supraleitenden Verbindungen sind mit einem Kupferstabilisator umgeben, der einen Teil des Stromes ableiten soll, falls es zu einem Verlust der supraleitenden Eigenschaften
(Quench) kommen sollte.
Zu diesem Zeitpunkt ahnt niemand, dass zwei Sektoren weiter, in rund 10 Kilometer Entfernung, eine einzelne Verbindungsstelle diese Anforderungen nicht erfüllen wird.
Letzte Arbeiten im LHC Tunnel.
Quelle: CERN
• 10. September 2008 Ereignis: First Beam Im CERN Control Center laufen die letzten Pretests zum ersten Ringumlauf mit Protonen. Von hier aus werden die Systeme des Beschleuigers überwacht und gesteuert. Die Tunnelsysteme wurden schon Tage vorher versiegelt.
Während dem Betrieb ist der Zutritt aus Sicherheitsgründen verboten.
Vorbeschleunigung (Cycling):
Aus einer kleinen Gasflasche strömen Wasserstoffatome in einen silbernen Zylinder, das Duoplasmatron. Seine Aufgabe besteht darin, die Elektronen der Wasserstoffatome zu entfernen.
Übrig bleiben positiv geladene Protonen, die mit 100 Mia. Teilchen ein Paket (Bunch) bilden. Elektromagnetische Wechselfelder in vier Vorbeschleunigern (LINAC2, PSB, PS, SPS) beschleunigen diese Teilchenpakete
auf immer grössere Geschwindigkeiten. Im letzten Vorbeschleuniger SPS (Super Proton Synchrotron) erreichen die Protonen 99.99978% der Lichtgeschwindigkeit bzw. eine Energie von 0.45 Teraelektronenvolt (TeV). Bei dieser Energie
werden die Teilchen aus dem SPS in entgegengesetzten Richtungen ausgekoppelt und über die rund 3 km langen Tranferslinien Tl-2 und Tl-8) zum LHC geleitet.
Sobald die LHC Magnete ebenfalls auf 0.45 TeV hochgefahren sind, wird ein Protonenpaket in den LHC inijeziert und nach etwa 3 km durch eine Blende gestoppt. Die Flugbahn der Teilchen wird analysiert und falls nötig durch eine
neue Konfiguration der Ablenkmagnete korrigiert. Danach erfolgt die nächste Injektion welche nach 6 km gestoppt wird. Der Protonenstrahl wird so schrittweise durch den Ring geleitet.
Um 10:28 Uhr gelingt der erste volle Umlauf.
Der lange Weg zur Teilchenkollision...
Quelle: CERN
CERN Komplex
Quelle: CERN
CERN Control Center (CCC)
Quelle: CERN
• 19. September 2008 Ereignis: Zwischenfall
Nach dem erfolgreichen Start vor 9 Tagen hat der Beschleuniger noch einen langen Weg bis zu den ersten Kollisionen vor sich. Hunderte Systeme
müssen zuvor getestet werden, unter anderem das Hochfahren der Magnete im Sektor 3-4. Um 11:18:36 Uhr kommt es in diesem Sektor zu einem Quench zwischen einem Dipol- und einem Quadrupolmagneten. Durch eine schlecht verlötete
Stelle kann der Kupferstabilisator den Strom nicht genügend ableiten. Die Verbindungsstelle erwärmt sich und verdampft, worauf sich dazwischen ein Lichtbogen bildet der die Heliumverkleidung punktiert. Es kommt
zu einer schlagartigen Verdampfung des Heliums. Durch diese Explosion werden mehrere der tonnenschweren Magnete aus ihrer Verankerung gerissen. Insgesamt werden 53 Magnete über eine Strecke von mehreren hundert Metern
beschädigt.
Für die Reparatur muss der 3.3 km lange Sektor wieder auf Raumtemperatur gebracht werden. Mehrere der 15 Meter langen Magnete müssen komplett ausgebaut und an die Oberfläche gebracht werden.
Dort werden sie gereinigt, repariert und getestet. Die Ausfallphase wird zudem genutzt um ein neues Quench Protection System zu installieren. Tausende Sensoren messen die Widerstände zwischen den Magneten um weitere
Zwischenfälle dieser Art zu verhindern.
Ausfallzeit: 14 Monate
Kosten: 27 Mio. Euro
Beschädigte Magnete nach dem Zwischenfall.
Quelle: CERN
• 20. November 2009 Ereignis: Zweiter Anlauf
Nach über einem Jahr Ausfall zirkulieren wieder Protonen im Speicherring. Die geplante Energie von 7 TeV kann jedoch vorzeitig nicht erreicht werden, da Untersuchungen während dem Ausfall ergeben haben, dass einige der Magnetverbindungen nicht mehr als 3.5 TeV, max. 4 TeV aushalten.
• 29. November 2009 Ereignis: Weltrekord
Um 21:55 Uhr werden Protonen erstmals auf 1.08 TeV beschleunigt. Damit konnte ein neuer Weltrekord aufgestellt und der Teilchenbeschleuniger Tevatron in den USA um 0.1 TeV übertroffen werden. Der LHC ist damit der leistungsstärkste Beschleuniger der Welt.
• 30. März 2010
Ereignis: Erste Teilchenkollisionen bei 3.5 TeV pro Strahl.
• 10. November 2010 Ereignis: Pb-Pb Kolissionen
Anstelle von Protonen werden erstmals Bleikerne injiziert und zur Kollision gebracht.
Das dabei enstehende Quark-Gluon Plasma soll Aufschlüsse über den frühen Zustand des Universums geben. Der Alice Detektor wurde speziell für diese Aufgabe konzipiert.
Blei-Blei Kollision im ALICE Detektor.
Quelle: CERN
• 13. Dezember 2011
Ereignis: Higgs in Sicht? Die Detektoren ATLAS und CMS sehen erste Anzeichen eines Signals bei 125 GeV.
• 5. April 2012 Ereignis: Erhöhung der Strahlenergie von 3.5 auf 4.0 TeV.
• 4. Juli 2012 Ereignis: Higgs Entdeckung ATLAS und CMS weisen ein deutliches Signal bei 125-126 GeV nach.
Die gemessenen Zerfallskanäle stimmen mit den Vorhersagen des Standardmodells für ein Higgsteilchen in diesem Energiebereich überein. Ein Jahr später erhalten Peter Higgs und François Englert den Nobelpreis in Physik für die Entwicklung des Higgs-Mechanismus.
Higgssignaturen im CMS und ATLAS Detektor
Quelle: CERN
• 25. April 2013 Ereignis: CP-Verletzung
Durch LHCb gelingt der Nachweis einer CP-Verletzung beim Zerfall eines Teilchens in Kaonen und Pionen.
Solche Verletzungen könnten erklären weshalb sich beim Urknall Materie und Antimaterie nicht vollständig annihiliert haben und ein Materieüberschuss übrigblieb.
• 16. Februar 2013 Ereignis: LS1 Phase
Die letzten Teilchenstrahlen werden im Beam Dump entsorgt und der Beschleuniger auf seine Aufrüstung auf 7.0 TeV vorbereitet. In dieser ersten langen Shutdowphase (LS1 - Long shutdown 1)
werden die sämtliche 10170 Verbindungen zwischen den Magneten getestet und falls nötig ersetzt. Zusätzlich leiten 27000 Nebenwiderstände im Falle eines Quenchs den Grossteil
des Stromes ab. Der Zeitraum wird zudem genutzt um die Detektoren und die Vorbeschleuniger aufzurüsten.
• 20. Januar 2015 Ereignis: LHC Restart
Die Umbauphase im Tunnel ist soweit abgeschlossen. Nun geht es darum den Beschleuniger schrittweise wieder in Betrieb zu nehmen. Die supraleitenden Magnete sind zwar bis auf 7.0 TeV ausgelegt,
aber mit steigender Energie nimmt die Wahrscheinlichkeit zu, dass es zu einem Quench kommt. Um dem entgegenzuwirken werden die Magnete einem speziellen Training unterzogen. Die Stromstärke
in der Spule wird dabei solange erhöht bis es zu einem Quench kommt. Dann wird der Stromfluss kontrolliert aus der Spule abgeleitet und der Prozess wiederholt. Die Magnetspule wird dadurch auf
die hohe Stromstärke von 12000 Ampere konditioniert. Da ein solches Training für 7.0 TeV viel Zeit benötigt, startet der Beschleuniger dieses Jahr vorerst mit 6.5 TeV.
Quench Training
Quelle: CERN
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LHC & SUSY
Mit den Updates der Detektoren und der Erhöhung der Energie auf 6.5 TeV steht eine spannende Reise in physikalisches Neuland bevor. Eine Sensation wäre die Entdeckung eines supersymmetrischen Teilchens.
Die Supersymmetrie (SUSY) vertauscht durch einen Mechanismus den Spin der Teilchen des Standardmodells. Dadurch erhalten die bisher bekannten Teilchen einen supersymmetrischen Partner. Durch einen Bruch in dieser Symmetrie besitzen die supersymmetrischen Teilchen jedoch höhere Massen als ihre Standardpartner. Mit dem neuen Energiebereich des LHC könnten diese Massen in Sichtweite geraten.
SUSY kann gleich mehrere Probleme des Standardmodells lösen. Das Standardmodell beschreibt z.B. keine Teilchen welche die Eigenschaften von dunkler Materie besitzen.
Mit dem Neutralino als leichtestes, supersymmetrischen Teilchen (LSP) liefert SUSY einen Kandidaten für die dunkle Materie.
Zudem treffen sich die schwache, starke und elektromagnetische Kraft, nach der Vorhersage des Standardmodells, bei sehr hohen Energien nicht in einem Punkt und vereinen sich nicht zu einer einzigen Kraft.
Nach den Vorhersagen der Supersymmetrie würden sich die drei Kräfte hingegen in einem Punkt vereinen.
Supersymmetrie
Quelle: DESY
Vorhersagen Standardmodell / SUSY zur Vereinheitlichung der Kräfte
