Seminar: Physik und Detektoren am LHC Fabian Hohnloser 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 Supraleitung 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 Energieverbrauch: Vergleich: LHC 700 GWh, Kanton Genf: 11400 GWh

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 Nicht U0 als Beschl.Spannung gewählt, sondern ein kleinerer Wert Us an der aufsteigenden Flanke. Langsamere Teilchen(später) erfahren mit U“ eine größere Beschleunigung als schnellere(früher) mit U‘  Die Teilchen schwingen um die Sollphase

Radio Frequency Quadrupol Vorteil: Simultanes Beschleunigen und Fokussieren -4 Stabförmige Elektroden mit angelegter HF-Spannung  HF-umpolendes Quadrupolfeld

RFQ-Fokussierung

RFQ-Beschleunigung Frage: Wie bekommt man z-Komponente des E-Feldes?  einblenden : Periodische Oberflächenmodulation Gegenüberliegende Elektroden Phasengleich, Nebeneinanderliegende Elektroden um 180° Phasenverschoben moduliert.

RFQ-Phasenfokussierung

Kreisbeschleuniger Synchrotron:

Kreisbeschleuniger Beschleunigung durch Kavitäten: Anregung in Resonanzfrequenz Frequenzüberhöhung bei entstehenden Mikrowellen Mikrowellen haben elektrische Felder Beschleunigung 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/Ejektion Zusammenspiel von Kicker und Septum: Injektion:

Strahlfokussierung Nötig,damit Teilchen nicht auseinanderlaufen Erreicht durch Quadrupolmagnete Es wirken pro Quadrupol jeweils zwei gegenüberliegende Pole fokussierend und zwei defokussierend.(schematisch wie Linsensystem) Daher sind immer mehrere jeweils um 90° zum vorherigen Quadrupol verdrehte Quadrupole hintereinander angeordnet. Nach einer Defokussierung wirkt die nächste Fokussierung um so stärker.

Fokussierung am Kollisionspunkt Dipole: Auseinanderhalten der Strahlen Quadrupole: Fokussierung Strahldurchmesser von bis zu 16μm möglich Vergleich:Haardicke im Bereich von 80 μm

Kreuzungswinkel: ̴ 0,02° Um Strahlen ausreichend zu trennen Damit Kollisionen im Zentrum der Detektoren stattfinden und nicht schon davor Kreuzungswinkel im Vergleich zu anderen Kollidern groß. Um Strahlen ausreichend zu trennen Vermeidung einer gegenseitigen Strahlbeeinflussung durch Raumladungseffekte. Nachteil: Je größer der Kreuzungswinkel, desto kleiner die Trefferwahrscheinlichkeit in den kollidierenden Strahlen Ein Maß hierfür ist die Luminosität

Luminosität Anzahl Ereignisse pro Sekunde: : Wirkungsquerschnitt

Luminosität , :Anzahl Teilchen pro Bunch , :Ausdehnung des Strahls :Frequenz mit der die Bunche kollidieren Luminosität beim LHC : 1034 cm-2s-1 Luminosität: Maß für Trefferwahrscheinlichkeit Man sieht warum die Fokussierung am Kollisionspunkt so wichtig ist  Ausdehnung d. Strahls groß  Luminosität klein Auch wichtig möglichst viele Teilchen pro Bunch

Schutzsystem Beam Dump: Kollimatoren: 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 Schutzsystem: Umwandlung der Spulenenergie in Wärme Beschädigung 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