close

Anmelden

Neues Passwort anfordern?

Anmeldung mit OpenID

Die Weltmaschine - Teilchenphysik in Deutschland

EinbettenHerunterladen
LHC
o
IMMER NOCH
Dimensions
UNBEANTWORTETE FRAGEN ...
•Warum haben wir Masse? HIGGS Teilchen?
• Was füllt das Weltall aus? Dunkle Materie, was ist das? Und
die dunkle Energie?
• Wieviele Dimensionen hat die Wirklichkeit?
UND DIE ANTWORT
Teilchenkollisionen bei hohen Energien
Dr. Verena Kain, Engineer in Charge, LHC Operations
V. Kain, Berlin, 14-11-2008
1
Teilchenkollisionen
LHC
o
Teilchenkollisionen sind alltäglich.
o
Selbst hochenergetische Teilchenkollisionen: KOSMISCHE STRAHLUNG
Ein “fixed target experiment”.
Andauernd wird die Atmosphäre der Erde mit hochenergetischen Teilchen
bombardiert.
Warum kann man diese Kollisionen nicht verwenden,
um unsere Fragen zu beantworten?
Uns interessieren Kollisionsprodukte, die mit geringen Wahrscheinlichkeiten
erzeugt werden.
o
Ganze Erde als Detektor?
V. Kain, Berlin, 14-11-2008
2
Teilchenkollisionen unter wohldefinierten
Konditionen
o
Wo?
o
Wann?
o
Wieviel?
o
Welche Ausgangsenergie?
→
o
LHC
TEILCHENBESCHLEUNIGER
...die bessere Variante: TEILCHEN-COLLIDER
V. Kain, Berlin, 14-11-2008
3
Teilchen-Collider
LHC
o
Fixed Target Experiment
o
1 Teilchenstrahl
Energie für
Teilchenproduktion:
E∝ E
1
Beispiel: CERN Neutrino to Gran Sasso Anlage
o
Collider
o
2 Strahlen!!!
Energie für
Teilchenproduktion:
E=E +E
1
V. Kain, Berlin, 14-11-2008
2
4
Large Hadron Collider (LHC)
LHC
o
Der Large Hadron Collider (LHC) ist ein Protonen-Collider* mit wahnsinnigen
Parametern.
*später auch Ionen
ENERGIE & Eventrate
o
Einsteins Masse-Energie-Äquivalenz E = m·c2
o
Wir messen die Masse in Einheiten eV (Elektronvolt)...die Energie die ein Elektron beim Durchlaufen
der Spannung von 1 Volt bekommt.
TeV = 1012 eV
o
o
LHC wird die Protonen auf 7 TeV beschleunigen: 14 TeV pro Kollision
neue Teilchen.
→ 0.1 – 1 TeV schwere
Interessante neue Teilchen erzeugt man selten.
o
LHC Eventrate = 109 Events pro Sekunde. Und nur 10 bis 100 pro Sekunde sind wertvoll. Und
manche Ereignisse treten sogar nur einmal pro Stunde auf.
V. Kain, Berlin, 14-11-2008
5
Wo befindet sich der LHC?
LHC
o
Am CERN – das führende Teilchenphysiklabor in Europa, in der Nähe von Genf
o
Ca. 100 m unter der Erde
o
In einem kreisförmigen Tunnel mit einem UMFANG VON 27 km (ehemaliger LEP
Tunnel)
LHC : 27 km long
100m underground
ATLAS
ALICE
CMS
+TOTEM
V. Kain, Berlin, 14-11-2008
6
CERN
LHC
o
20 Mitgliedsstaaten
o
5 Staaten mit Beobachterstatus
o
...und viele andere, die an der Forschung am CERN teilnehmen.
o
Beschleuniger – Experimente
o
LHC
o
SPS – North area, CNGS
o
PS – East area
o
Booster – ISOLDE
o
AD
o
2544 CERN staff
o
Users: 8970
V. Kain, Berlin, 14-11-2008
7
CERN Beschleunigerkomplex
LHC
The CERN accelerator complex:
injectors and transfer
LHC
LHC
4
Beam 1
Beam 2
5
6
7
3
2
SPS
TI8
8
TI2
protons
LINAC
1
Booster
CPS
Ions
LEIR
o
Zum Beispiel:
o
SPS: 7 km Umfang,
o
LHC Strahlen (450 GeV),
o
fixed target Strahlen (400 GeV) für CNGS und North Area
V. Kain, Berlin, 14-11-2008
8
CERN Nachwuchsförderung
LHC
o
Viele attraktive Studentenprogramme
o
Sommerstudentenprogramm
o
Technische Studenten
o
Doktorat am CERN
V. Kain, Berlin, 14-11-2008
9
Wie funktioniert ein Beschleuniger?
LHC
o
Geladene Teilchen werden in elektrischen Feldern beschleunigt
o
Für eine Energie von 7 TeV → Spannung von 7 TV durchlaufen
o
Man schafft ca. 10 MV/m (supraleitende Kavitäten): erforderliche Länge für Linearbeschleuniger: 350 km
(20 MV/m)
o Kreisförmige Beschleuniger:
o
o
o
oftmaliges Durchlaufen derselben Beschleunigerstrecke.
Die geladenen Teilchen werden mit Magnetfeldern auf der Bahn gehalten, fokussiert
und in Kollision gebracht.
o
Teilchenbahnkorrektur: Dipolmagnet
o
Strahlgrößekorrektur: Quadrupolmagnet
o
...
Je höher die Energie der Teilchen, desto höher das benötigte Magnetfeld →
Synchrotron
V. Kain, Berlin, 14-11-2008
10
Beschleunigung mit Hochfrequenzfeldern
LHC
o
Zylindrische Kavität. 400 MHz wie im LHC – zeitlich veränderliche Spannung
o
Nach 1.25 ns
r
E (t )
2a
z
E(z)
E0
g
z
-E0
LHC:
2 Modules per beam
4 Cavities per module
V. Kain, Berlin, 14-11-2008
11
Beschleunigung mit Hochfrequenzfeldern
LHC
o
Um beschleunigt zu werden,
muss die Phase des Feldes
richtig sein.
Zeitlich veränderliche Spannung:
(
U ( t ) := U 0 ⋅ sin 2 ⋅ π f rf ⋅ t + dt
Frequenz : f rf = 100 MHz
Maximale Spannung:
In einem HF Feld kann kein
kontinuierlicher Strahl beschleunigt
werden.
o
TEILCHENPAKETE
6
U 0 = 1 × 10 V
U(t)
6
1.05 .10
Spannung
o
)
beschleunigt
5
5.25 .10
0
5
5.25 .10
gebremst
6
1.05 .10
8
1 .10
5 .10
9
0
Zeit
5 .10
9
o
Teilchenpaket hat endliche Länge. Nicht alle Teilchen werden gleich beschleunigt.
Phasenfokussierung.
o
Frequenz des Feldes muss Vielfaches der Umlauffrequenz sein.
o
1 .10
LHC Umlauffrequenz: ~ 11 kHz, RF Frequenz: ~ 400 MHz
V. Kain, Berlin, 14-11-2008
12
Magnetfelder
LHC
o
Strahllenkung:
o
o
Fokussierung:
o
Warum: Teilchen mit leicht unterschiedlichen Injektionsparametern separieren mit der Zeit.
o
Beispiel: 10-6 rad Unterschied im Injektionswinkel
o
o
Dipolfelder
o
Nach 106 m longitudinal, Teilchen sind 1 m transversal voneinander entfernt.
o
Im LHC (Umfang 27 km): nach 50 Umdrehungen. (5 ms !!!)
N
S
Fokussierung passiert mit Quadrupolmagneten
o
Kontrolle der Strahlgröße
o
Teilchen würden nach unten fallen: Gravitation
Andere Multipole:
By =
∂B y
∂x
⋅x
S
o
Sextupolmagneten zur Korrektur der Trajektorien von off-momentum Teilchen
o
Octupole, Decapole,...um Strahlinstabilitäten auszugleichen oder Feldfehler zu korrigieren.
V. Kain, Berlin, 14-11-2008
N
13
Die LHC Superlative: Magnetfeld
LHC
o
Welches Magnetfeld braucht man, um die Protonen auf einer Kreisbahn zu halten?
o
Kreisbahnradius vorgegeben: LEP Tunnel
o
Energie 7 TeV
r
r r
F=e v ×B
0
m⋅v
= e v⋅B
R
2
p
B=
e ⋅R
0
0
8.33 T
o
Antwort:
o
Herkömmliche Elektromagnete: Maximum 2 T
o
→
Erdmagnetfeld:
50 uT =
50/1000 000 T
supraleitende Elektromagnete für den LHC
V. Kain, Berlin, 14-11-2008
14
Supraleitende Magnete für den LHC
LHC
o
Supraleitende Kabel: Supraleiter Niobium-Titan
Strand
Cable
Filament
o
Daraus werden die Magnetspulen gewickelt.
o
Die Arbeitstemperatur dieser Leiter:
1.9 K ~ - 271º C
o
Kühlflüssigkeit: supraflüssiges Helium
o
I
I
I
B
Magnete sind in He-Bad
V. Kain, Berlin, 14-11-2008
15
(Fast) 27 km kälter als das Weltall
LHC
Temperaturen um den Ring
Pro Sektor: 3 Wochen cool-down, 3 Wochen warm-up
V. Kain, Berlin, 14-11-2008
16
Proton-Proton Kollisionen im LHC
LHC
o
Unterschiedliche Felder für die beiden Strahlen
Protonen
Antiprotonen
B
B
V. Kain, Berlin, 14-11-2008
Ein Kreisbeschleuniger für
zwei Stahlen mit gleichen
Teilchen erfordert Magnete
entgegengesetzter
Feldrichtung
Daher viele Collider mit Protonen /
Antiprotonen und e+e-
17
LHC supraleitender Dipol
LHC
V. Kain, Berlin, 14-11-2008
18
Die LHC Superlative
LHC
o
Insgesamt haben wir ~ 8000 Magnete
o
7600 km supraleitendes Kabel ~ 1200 t
o
8.3 T entspricht 11 850 A
o
Bei 7 TeV sind 11
o
Preis der Maschine (ohne Experimente und Computing): 5 Mrd. CHF
o
Benötigte Leistung 180 MW – Verbrauch ~ 700 GWh/yr (10 % vom Kanton Genf)
V. Kain, Berlin, 14-11-2008
GJ Energie in den Magneten gespeichert.
19
Technologietransfer
LHC
o
Der LHC ist riesig und hat 1000e Komponenten
o
Jedes Teil muss in 1000en produziert werden. Produktion
wurde zum Teil in
Industrien/Labore aller Welt ausgelagert.
1250
o
o
Beispiel: LHC Dipolmagnet:
o
Frankreich: Alstom, Jeumont S.A.
o
Deutschland: Babcock Noell
o
Italien: Ansaldo Superconduttori
Beispiel: Tripletquadrupolmagnete
o
o
Japan und USA
Ähnlich: Strahldiagnostik, Power supplies,
Cryo-anlage, Kollimatoren, Transferequipment, ...
V. Kain, Berlin, 14-11-2008
Equivalent dipoles
1000
750
500
250
0
01-Jan-01
01-Jan-02
01-Jan-03
01-Jan-04
Cold masses delivered
Cryodipoles cold tests passed
Cryodipoles prepared for installation
01-Jan-05
01-Jan-06
01-Jan-07
Cryodipoles assembled
Cryodipoles assigned to position in ring
Cryodipoles installed
01-Jan-08
Erster Cryodipol wurde am 7. März 2005 in den
Tunnel hinabgelassen
LHC
LHC Hauptdipol: 35 t, 15 m lang.
Insgesamt 1232 in der Maschine
V. Kain, Berlin, 14-11-2008
21
Magnettransport im Tunnel
LHC
Bis zu 15 km wurden
Magnete damit transportiert
Mit 3 km/h.
V. Kain, Berlin, 14-11-2008
22
LHC Dipol installiert im Tunnel
LHC
V. Kain, Berlin, 14-11-2008
23
Die LHC-Bögen
LHC
o
o
Der LHC ist in 8
Sektoren eingeteilt.
o
Ein Sektor befindet sich zwischen 2 LHC Punkten.
o
An den LHC Punkten hat man GERADE STRECKEN
o
Jeder Sektor kann unabhängig gepowert und gekühlt
werden.
Zwischen den geraden Strecken befinden sich
die LHC Bögen.
o
ca. 3 km lang
o
Die Bögen haben eine FODO-Struktur → netto Fokussierung
QF
dipole
magnets
decapole
magnets
QD
sextupole
magnets
QF
small sextupole
corrector magnets
LHC Cell - Length about 110 m (schematic layout)
V. Kain, Berlin, 14-11-2008
24
Gerade Strecken mit Experimenten
LHC
o
Punkt 1, 2, 5 und 8 haben “gerade Strecken” dieser Art:
o
Die beiden Strahlen werden in EINE Vakuumkammer geführt mit
Rekombinationsdipolen, D1 und D2.
o
Der Strahl wird fokussiert in den Interaktionspunkt (IP) mit den Tripletquadrupolen.
Kreuzungswinkel mit Hilfe von Orbitkorrektormagneten.
Während der Injektion und Rampe sind die Strahlen auf
Separationsbeulen → keine Kollision.
V. Kain, Berlin, 14-11-2008
25
Die LHC Superlative: Strahl
LHC
o
LHC Eventrate = 109 Events pro Sekunde.
o
Eventrate = Wirkungsquerschnitt der Protonen (E) × Luminosität
o
Luminosität hängt ab von Anzahl der Teilchenpakete und Anzahl der Teilchen pro
Teilchenpaket ab
o
o
o
Außerdem Größe der Strahlen am Interaktionspunkt und Kreuzungswinkel
Für die nominelle LHC Eventrate braucht man
o
2808 Teilchenpakete mit je 1.15 × 1011 Protonen
o
Protonen bewegen sich quasi mit Lichtgeschwindigkeit
Bei 7 TeV entspricht das
V. Kain, Berlin, 14-11-2008
360 MJ gespeichert im Strahl
26
360 MJ entsprechen
LHC
Britischer Flugzeugträger mit 12 Knoten
o
...oder einem Auto (3200 kg) mit 1700 km/h
Ein LHC Strahl mit nur einem 1/400 der
gespeicherten Energie bohrt Löcher in Metall
6 cm
Experiment in der
Injektionslinie des LHC
25 cm
V. Kain, Berlin, 14-11-2008
27
Der LHC Zyklus
LHC
12 Injektionen vom SPS, um den LHC zu füllen
9
12000
Beam dump
8
10000
7
MB current
Ramp down
6
8000
Prepare
Physics
Physics
6000
Preinjection
plateau
4
3
4000
2
2000
1
Injection
Ramp
-3000down-2500
≈ 18 Mins
-2000
-1500
Pre-Injection Plateau
15 Mins
Injection
≈ 15 Mins
Ramp
Squeeze
≈ 28 Mins
≈ 20 Mins
Prepare Physics
Physics
≈ 10 Mins
0 - 20 Hrs
V. Kain, Berlin, 14-11-2008
0
0
-1000
5
B [T]
o
-500
Time [s]
0
500
1000
1500
2000
Start ramp
Im Vergleich dazu: SPS LHC Strahl:
Injektion + Beschleunigung + Extraktion = 20 s
28
Was passiert am Ende des Zyklus mit dem
LHC Strahl?
LHC
o
Nach 10 Stunden Datennehmen ist die Luminosität nur mehr 1/3 ihres Anfangswertes.
o
Dann aber noch immer zwischen 200 MJ – 300 MJ im Strahl.
o
Nur ein Element kann den Impakt des LHC Strahles überleben: der LHC
BEAM
DUMP
Beam dump block
o
Der Strahl wird dorthin extrahiert.
8m
Beam dump block:
Graphitkern
V. Kain, Berlin, 14-11-2008
29
LHC - Rückblick
LHC
o
1982 : Erste Studien zu LHC Projekt
o
1989 : Start der LEP Operation (Z-factory)
o
1994 : Genehmigung des LHCs durch den CERN Council
o
1996 : Endgültige Entscheidung für Bau des LHCs
o
1996 : LEP Operation bei 100 GeV (W-factory)
o
2000 : Ende der LEP Operation
o
2002 : LEP aus dem Tunnel entfernt
o
2003 : Start der LHC Installation
o
2005 : Start des Hardware Commissionings
o
2008 : Erste Inbetriebnahme mit Strahl
o
10.09.2008: LHC START-UP
V. Kain, Berlin, 14-11-2008
30
Üben für den 10. September
LHC
o
Sommer 2008 – LHC Injektionstests – kleine Intensität: 2 x 109 Protonen
Kollimator
Injection
Injectiontest
test1 2
Injection test 3
8.–––7.10.
August
22.
24.
August
5.
September
V. Kain, Berlin, 14-11-2008
31
Beispiel für Messung: Aperturscan –
Oszillationen im Bogen
o
FODO-Zellen: Trajektorie durch eine FODO-Struktur
o
Messung der Apertur: maximale Oszillation, die in Vakuumkammer passt.
LHC
Messung vom 23. August
V. Kain, Berlin, 14-11-2008
32
LHC
10. September 2008 – LHC Start-up
...und die Medien
V. Kain, Berlin, 14-11-2008
33
Ziel: 1 x um den Ring
LHC
o
Kleine Intensität: 1/100 000 der nominellen Intensität
V. Kain, Berlin, 14-11-2008
34
Fädeln um den Ring – Strahl 2
LHC
o
~ 50 Minuten Strahl 1
o
~ 60 Minuten Strahl 2
V. Kain, Berlin, 14-11-2008
35
Fädeln um den Ring – Strahl 2
LHC
o
~ 50 Minuten Strahl 1
o
~ 60 Minuten Strahl 2
V. Kain, Berlin, 14-11-2008
36
Fädeln um den Ring – Strahl 2
LHC
o
~ 50 Minuten Strahl 1
o
~ 60 Minuten Strahl 2
V. Kain, Berlin, 14-11-2008
37
Fädeln um den Ring – Strahl 2
LHC
o
~ 50 Minuten Strahl 1
o
~ 60 Minuten Strahl 2
V. Kain, Berlin, 14-11-2008
38
Fädeln um den Ring – Strahl 2
LHC
o
~ 50 Minuten Strahl 1
o
~ 60 Minuten Strahl 2
V. Kain, Berlin, 14-11-2008
39
Fädeln um den Ring – Strahl 2
LHC
o
~ 50 Minuten Strahl 1
o
~ 60 Minuten Strahl 2
V. Kain, Berlin, 14-11-2008
40
Fädeln um den Ring – Strahl 2
LHC
o
~ 50 Minuten Strahl 1
o
~ 60 Minuten Strahl 2
V. Kain, Berlin, 14-11-2008
41
Fädeln um den Ring – Strahl 2
LHC
o
~ 50 Minuten Strahl 1
o
~ 60 Minuten Strahl 2
V. Kain, Berlin, 14-11-2008
42
Fädeln um den Ring – Strahl 2
LHC
o
~ 50 Minuten Strahl 1
o
~ 60 Minuten Strahl 2
V. Kain, Berlin, 14-11-2008
43
Fädeln um den Ring – Strahl 2
LHC
o
~ 50 Minuten Strahl 1
o
~ 60 Minuten Strahl 2
Nach 1 Tag: Stabiler Strahl, Lebensdauer
von Stunden !!!
(Bei Injektionsenergie und sehr kleiner Intensität)
V. Kain, Berlin, 14-11-2008
44
19. September - Vorzeitige Winterpause für den LHC
LHC
o
Während eines Tests für 5 TeV Operation ist eine Verbindung eines supraleitendes
Kabels zwischen 2 Magneten aufgebrochen.
o
200 MJ in einem Punkt verloren → Schmelzen des Kabels an der Stelle und
Heliumverlust
o
Start-up erst wieder nächstes Jahr…
V. Kain, Berlin, 14-11-2008
45
Erfindungsgeist der LHC Physiker und
Ingenieure - Beispiel
o
LHC
Problem mit “Plug-in modules”
o
Verbindungsstück zwischen den Strahlvakuumkammern zwischen den Magneten
Arc
Arcplug-in
plug-inmodule
modulebei
beiBetriebstemperatur
Raumtemperatur
Wrong
o
Right
“RF-Finger” hatten zu großen Winkel – beim Wiederaufwärmen von Sektor 78 ergab sich folgendes
Problem: da passt kein Strahl durch.
V. Kain, Berlin, 14-11-2008
46
Erfindungsgeist der LHC Physiker und
Ingenieure - Beispiel
o
“Plug-in module”-Problem einfach zu reparieren – wie detektieren?
o
Lösung: Ping-pong Ball durch Sektor Blasen.
o
Strahlpositionsmonitore können 40 MHz Signale auflösen.
o
Ping-pong Ball, der 40 MHz Signal emittiert.
o
Damit wurden 16 problematische PIMs
entdeckt (9 davon unerwartet). 28 PIMs wurden
ausgetauscht.
LHC
Und auch für das Problem vom 19. September werden wir eine ähnlich
geniale Lösung finden.
V. Kain, Berlin, 14-11-2008
47
Schlusswort
LHC
Der LHC ist eine extrem komplexe Maschine mit Parametern am Rande des
Machbaren...
...eines der aufregendsten Experimente der Geschichte der Menschheit...
...das die Welt der Physik (unseren Begriff der Wirklichkeit) völlig revolutionieren
könnte.
V. Kain, Berlin, 14-11-2008
48
LHC
DANKE FÜR MATERIAL AN...
R. Schmidt, F. Bordy, M. Lamont, CERN Outreach Pages, v.a.
V. Kain, Berlin, 14-11-2008
49
Document
Kategorie
Sport
Seitenansichten
4
Dateigröße
5 381 KB
Tags
1/--Seiten
melden