Die LHC Maschine

Seminar: Physik und Detektoren am LHC

Fabian Hohnloser

Gliederung• Die wichtigsten Experimente am LHC• Daten und Fakten• Grundlagen zur Teilchenbeschleunigung• Beschleunigertypen• Die Reise der Teilchen• Injektion/Ejektion• Strahlfokussierung• Luminosität• Schutzsysteme

Wichtigste Experimente

• ATLAS & CMS:-Nachweis des Higgs-Bosons-Substruktur von Leptonen und Quarks-Supersymmetrische Teilchen

• ALICE: - Untersuchung von Quark-Gluon- Plasma

• LHCb: - Untersuchung der CP-Verletzung

LHC-Fakten

• Umfang: 26658,88 m• Energieverbrauch(incl.Infrastruktur): 1000 GWh • Anzahl Dipolmagnete: 1232• Anzahl Quadrupolmagnete: 858• Max.erzeugtes Magnetfeld(Dipolmagnet): 8,33 T• Kühlung auf 1,9K durch 140t superfluides Helium

Supraleitung• Strahlrohrvakuum: 10⁻¹³ bar

Grundlagen zur Beschleunigung

• Lorentzkraft:• Elektrisches Feld E besorgt die Beschleunigung• Magnetisches Feld B hält Teilchen auf ihrer

Bahn• Für und :

LHC-Dipolmagnet• Besonderheit: Gegenläufige Strahlrohre in einem Modul

•Wie wird beschleunigt in:• Linearbeschleunigern (LINAC)• Radio Frequency Quadrupolen (RFQ)• Kreisbeschleunigern(Synchrotron)

•Wie funktioniert die Strahlsteuerung durch:• Kickermagnete (Injektion/Ejektion)• Quadrupolmagnete(Fokussierung)

Linearbeschleuniger• Wideröe-Struktur:

U(t)=U₀ sin(ωt)

Linearbeschleuniger-Phasenfokussierung

Radio Frequency Quadrupol

Vorteil: Simultanes Beschleunigen und Fokussieren

RFQ-Fokussierung

RFQ-Beschleunigung

RFQ-Phasenfokussierung

Kreisbeschleuniger

• Synchrotron:

Kreisbeschleuniger

• Beschleunigung durch Kavitäten: Anregung in Resonanzfrequenz

Frequenzüberhöhung bei entstehenden Mikrowellen

Mikrowellen haben elektrische FelderBeschleunigung

Vorstellung : Teilchen „surfen“ auf der Welle

Kavität

Die Reise der Teilchen

Injektion/Ejektion• Verwendung statischer Felder nicht möglich

gepulste Kicker- und Septummagneten• Kicker (Strahlablenkung):

Pulse im μs Bereich

Kleine Induktivität

Injektion/Ejektion

• Septum (Strahlführung)Näherung des injizierten an den umlaufenden Strahl

Abgeschirmtes Feld

Pulsdauern: 10μs bis ms

Injektion/EjektionZusammenspiel von Kicker und Septum:

Injektion:

Ejektion:

Strahlfokussierung• Nötig,damit Teilchen nicht auseinanderlaufen

Erreicht durch Quadrupolmagnete

Fokussierung am Kollisionspunkt

• Dipole: Auseinanderhalten der Strahlen• Quadrupole: Fokussierung

Strahldurchmesser von bis zu 16μm möglich

• Kreuzungswinkel: 0,02° ̴�• Um Strahlen ausreichend zu trennen• Damit Kollisionen im Zentrum der Detektoren

stattfinden und nicht schon davor

Luminosität

• Anzahl Ereignisse pro Sekunde:

• : Luminosität• : Wirkungsquerschnitt

Luminosität

• , :Anzahl Teilchen pro Bunch• , :Ausdehnung des Strahls • :Frequenz mit der die Bunche kollidieren

• Luminosität beim LHC : 1034 cm-2s-1

Schutzsystem• Beam Dump: Bei Abweichung von Sollumlaufbahn

• Maße: 8x0,7x0,7m• Material: Grafit• Spiral Kicker

• Kollimatoren: • Platten die an den Strahl herangefahren werden können

Quench-Protection• Quench: Supraleiter wird normalleitend

Umwandlung der Spulenenergie in WärmeBeschädigung oder Zerstörung derselben.

• Schutzsystem:– Detektion des Quenchs– Reaktion innerhalb von 200 ms– Umleitung des Stromes durch den Magnet über

eine Bypassdiode.

Danke für die Aufmerksamkeit