Large Hadron Collider

Inhaltsverzeichnis:

1 Pioniere der Elementarteilchenphysik

2 Basis- und Hintergrundwissen
2.1 Allgemeines
2.1.1 Die Geschichte des CERN von 1952 bis 2010
2.1.2 CERN-Unternehmensinformationen
2.2 Physikalische Grundlagen
2.2.1 Elektromagnetismus
2.2.2 Thermodynamik
2.2.3 Relativistische Kinematik
2.2.4 Standardmodell der Teilchenphysik

3 Aufbau des Beschleunigersystems
3.1 Vorbeschleuniger
3.1.1 Teilchenquellen und Linearbeschleuniger
3.1.2 Ringbeschleuniger
3.2 Large Hadron Collider
3.2.1 Parameter des LHC.
3.2.2 Das Kühlungssystem
3.2.3 Das Ultrahochvakuum
3.2.4 Injektion und Extraktion

4 Experimente am Large Hadron Collider

5 Literaturverzeichnis

1 Pioniere der Elementarteilchenphysik

Nach nun mehr als 2500 Jahren haben viele Denker und Forscher die Grundsteine der modernen Teilchenphysik gelegt und es damit den heutigen Physikern ermöglicht, den Antworten der fundamentalen Fragen des Universums experimentell näher zu kommen. Welche sind die Elementarteilchen? Was war am Anfang? Woher bekommt Materie Masse? Im 5. Jahrhundert vor Christus lehrte Anaxagoras, dass Materie aus unteilbaren Teilchen besteht¹. Im 17. Jahrhundert nach Christus entdeckte Isaac Newton die Gravitation als ihre grundlegende Eigenschaft².1900 begründete Max Planck die Quantentheorie mit der Einführung der Quantisierung elektromagnetischer Strahlung. Mit der speziellen Relativitätstheorie (SRT) stellte Albert Einstein 1905 die Äquivalenz zwischen Masse und Energie dar. Der Nachweis der Existenz des Protons geht 1919 auf Ernest Rutherford zurück. 1931 überlegte sich Paul Dirac ein positiv geladenes Elektron und begab sich damit als Erster in die Welt der Antimaterie³. Steven Weinberg erstellte die Theorie der elektroschwachen Wechselwirkung, die den ersten Schritt zur Erstellung der sogenannten Weltformel (GUT) darstellt.

Die Liste jener Pioniere der Teilchenphysik ist lang. Doch wie das Synonym Hochenergiephysik schließen lässt, ist zu ihrer Ergründung viel Energie von Nöten. Diese Energie wird Leptonen, Hadronen und anderen Teilchen zugeführt. Sie werden in Beschleunigungsanlagen auf hohe Energieniveaus gebracht und zur Kollision mit einem Target (engl.: Ziel) gebracht. Nennenswerte Beschleuniger sind DESY in Hamburg, welches den experimentellen Beweis für Gluonen gab, sowie SLAC in Menlo Park Kalifornien, welches das J/ψ-Meson entdeckte und damit auf die Existenz des Charm-Quarks hinwies, Fermilab bei Chicago Illinois, der mit der Entdeckung des Bottom-Quarks und des Top-Quarks die 3. Generation der Quarks abschloss und der Large Hadron Collider bei Genf in der Schweiz, der die Austauschbosonen der elektroschwachen Wechselwirkung (W±, Z⁰ ) erzeugte⁴. Weltmaschine wird der LHC genannt. Mit seinen futuristisch wirkenden technischen Bestandteilen und seinen immensen Ausmaßen ist er das größte wissenschaftliche Projekt in der Weltgeschichte. Die Experimente, die an ihm durchgeführt werden, sollen jene Grundfragen der Physik lösen und damit mehr Aufschluss über die Zusammensetzung des Weltalls geben. Aufgrund seiner geographischen, wirtschaftlichen, sowie physikalischen und technischen Dimensionen und des globalen Interesses an seinen Ergebnissen ist der Aufbau des Large Hadron Collider und die Experimente, die an ihm durchgeführt werden, Zentrum dieser Facharbeit.

2 Basis- und Hintergrundwissen

Bevor wir den Kern ansprechen, ist es wichtig, einige grundlegende Informationen über CERN und die Physik am Large Hadron Collider zu haben.

2.1 Allgemeines

2.1.1 Die Geschichte des CERN von 1952 bis 2010

Im Frühling 1952 fanden zwei Konferenzen der Organisation der Vereinten Nationen für Erziehung, Wissenschaft und Kultur (UNESCO) in Florenz und Paris statt, woraufhin elf europäische Regierungen die Vereinbarung eines provisorischen CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) unterzeichneten. Auf ihrer sechsten Konferenz wird die Gründungsurkunde von Vertretern der zwölf europäischen Gründernationen (Schweiz, Frankreich, Belgien, Dänemark, (West-)Deutschland, Griechenland, Vereinigtes Königreich, Italien, Jugoslawien, Niederlande, Norwegen und Schweden) unterzeichnet. 1953 wird Genf auf einer Konferenz in Amsterdam als Standort des CERN und dessen Laboratorien entschieden. Das SC, als erstes Synchro-Zyklotron, kann Protonen auf 600 MeV (0,79c) beschleunigen. 1968 erfindet George Charpak am CERN die Vieldraht-Proportionalkammer (Nobelpreis für Physik 1992) zur Verbesserung von Teilchennachweise (1 Mio. Teilchenspuren/sek.). 1989 geht der LHC-Vorgänger LEP in Betrieb. Das LHC- Projekt wird nur 5 Jahre später 1994 genehmigt. Das erste Anti-Wasserstoffatom wird 1996 am LEAR-Speicherring erzeugt und bringt erste Hinweise auf die CP- Verletzung. Das LHCb-Experiment als viertes großes LHC-Experiment wird 1998 genehmigt. Aus den USA kommen zum neuen Jahrtausend die ersten Beschleunigerelemente für den LHC an. Im April 2003 startet das EGEE (Enabling Grids für E-Sience), das, ähnlich dem Internet, ein weltweites Computernetzwerk einrichtet. Ende 2005 erfasst das CMS-Experiment kosmische Hintergrundstrahlung. Die ersten Protonen schaffen am 10. September 2008 eine volle Umrundung des LHC-Rings⁵. Seit dem 30. März 2010 kollidieren am LHC Protonen und Schwerionen⁶, was den ersten großen Schritt auf der Suche nach den elementaren Antworten darstellt.

2.1.2 CERN-Unternehmensinformationen

Das CERN besteht nicht nur alleine aus den Teilchenbeschleunigern. Als internationales Unternehmen hat es ein Direktorat mit Rolf-Dieter Heuer als Vorsitzenden⁷ und einen Rat, der aus einem Vertreter der Politik und einem Vertreter der Wissenschaft aller 20 Mitgliedstaaten besteht. Jede Nation hat hierbei unabhängig seines finanziellen Beitrags (Dtl: 19,9%⁸ ) eine Stimme und die meisten Entscheidungen bedürfen nur einer einfachen Mehrheit. Die nächste Ebene ist durch drei Sektoren dargestellt. Die Gruppen Resource Planning and Control unter Sigurd Lettow, Review of Research Collaboration unter Sergio Bertolucci und Projects Office mit Steve Meyers als Leiter. Unterteilt werden diese Gruppen in die Departements. Finance and Procurement (FC), Information Technology (IT) Engineering (EN) und 5 andere beschäftigen sich mit individuellen Aufträgen des CERN⁹.

Die Kosten des gesamten Projekts belaufen sich auf etwa 6,03 Mrd. CHF (= 4,59 Mrd. € am 03.12.10), wovon 76 % für die Konstruktion des LHC verwendet werden. CERNs Investitionen betragen zwischen 14 und 30 % der Kosten der 5 größten Experimente CMS, ATLAS, ALICE, LHCb und TOTEM. In der Summe entspricht das einem Kostenaufwand von rund 1,09 CHF (= 0,83 Mrd. € am 03.12.10)¹⁰. Die Finanzierung des CERN geschieht durch seine 20 Mitgliedstaaten. Deutschland, Großbritannien, und Frankreich sind mit zusammen 50 % die drei größten Mitwirkenden¹¹.

2.2 Physikalische Grundlagen

2.2.1 Elektromagnetismus

Die Coulomb- und die Lorentzkraft als Kräfte elektromagnetischer Felder sind jedem mindestens unbewusst bekannt. Beide werden für die Beschleunigung und die Fixierung geladener Teilchen auf einer Kreisbahn beim LHC gebraucht. Die Coulombkraft ist die Ursache für die Anziehung zweier ungleichnamiger Ladungen und damit für die Stabilität der Atome verantwortlich. Entdeckt wurde sie von Charles Augustin de Coulomb, der in seinem Werk „Sur l'électricité et le magnetisme“ sein Coulombsches Gesetz entwickelte¹²:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1895 wird die von Hendrik Antoon Lorentz beschriebene und nach ihm benannte Lorentzkraft eingeführt. Allgemein wirkt diese Kraft auf bewegte, geladene Teilchen in einem Magnetfeld¹³. Ihre Formelherleitung:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

aus dem Vektorcharakter von B folgt¹⁴:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

B = Magnetische Flussdichte; I = Stromstärke; l = Leiterlänge; t = Zeit, v = Geschwindigkeit; Q = Ladung ϕ = Zwischenwinkel

Bei ϕ = 90° beschreibt das Ion eine Kreisbahn.

[...]

¹ Hacker G.: Grundlagen der Teilchenphysik - Frühzeit bis 1550,vom 28.03.08, http://www.solstice.de/grundl_d_tph/sm_gesch/sm_gesch_hist1.html, aufgerufen am 13.09.10

² Hacker G.: Grundlagen der Teilchenphysik - Von 1550 bis 1900, vom 28.03.08, http://www.solstice.de/grundl_d_tph/sm_gesch/sm_gesch_hist2.html, aufgerufen am 13.09.10

³ Hacker G.: Grundlagen der Teilchenphysik - Von 1900 bis 1964, vom 28.03.08, http://www.solstice.de/grundl_d_tph/sm_gesch/sm_gesch_hist3.html, aufgerufen am 13.09.10

⁴ Hacker G.: Grundlagen der Teilchenphysik - Von 1964 bis heute, vom 28.03.08 http://www.solstice.de/grundl_d_tph/sm_gesch/sm_gesch_hist4.html, aufgerufen am 13.09.10

⁵ LHC, http://www.lhc-facts.ch/index.php?page=geschichtecernaufgerufen am 03.11.10

⁶ Alte Elementarteilchen neu entdeckt: http://www.zeit.de/wissen/2010-07/lhc-cern-ergebnisse vom 27.07.10, aufgerufen am 03.11.10

⁷ Der Herr der Teilchen: http://www.3sat.de/page/?source=/nano/natwiss/149233/index.html, aufgerufen am 08.11.10

⁸ CERN - Resources Planning and Control: http://dg-rpc.web.cern.ch/dg-rpc/Scale/Scale.html, aufgerufen am 08.11.10

⁹ CERN’s structure: http://public.web.cern.ch/public/en/About/Structure-en.html, aufgerufen am 08.11.10

¹⁰ Communication Group, CERN faq - LHC the guide, 03.2007, S. 8

¹¹ Landua R., CERN und LHC Daten und Fakten, S. 14

¹² Geschichte - Coulomb: http://www.leifiphysik.de/web_ph12/geschichte/01coulomb/coulomb.htm, aufgerufen am 02.12.10

¹³ Lorentz: http://www.leifiphysik.de/web_ph10/geschichte/10lorentz/lorentz.htm, aufgerufen am 03.12.10

¹⁴ Müller, Leitner, Mráz, Physik Leistungskurs 1. Semester, 2002, S.112