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Verständnisprobleme LHC
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cagère
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Anmeldungsdatum: 22.06.2008
Beiträge: 9

BeitragVerfasst am: 07 Okt 2008 - 20:30:07    Titel: Verständnisprobleme LHC

http://www.teilchenphysik.de/e25/e738/
5. Colliding-Beam-Experimente in Speicherringen mit Teilchenstrahlen aus Teilchen und Antiteilchen:
Man nutzt hier die entgegengesetzte elektrische Ladung und die gleiche Masse von Teilchen und Antiteilchen aus. Beide Teilchenarten werden in den elektrischen Beschleunigungsstrecken des Speicherrings entgegengesetzt beschleunigt und in den Ablenkmagneten in entgegengesetzter Richtung abgelenkt. Daher kann man beide Teilchenstrahlen in einer Beschleunigerröhre zirkulieren lassen und an den Orten der Kollisionen in Detektoren Untersuchungen vornehmen.
(Beispiel: Delphi und OPAL am LEP-Beschleuniger am CERN)

Arrow Der kursive teil bereitet mir Verständnisprobleme. Ich will eine Skizze zu diesem 5. Punkt anfertigen. Jedoch weiß ich nur, dass da 2 Speicherringe sind, die entgegengesetzt beschleunigen.
Aber was kommt danach? Wie/Wo/wann gibt es die Kollision?
as_string
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Anmeldungsdatum: 05.08.2006
Beiträge: 2774
Wohnort: Heidelberg

BeitragVerfasst am: 07 Okt 2008 - 23:02:26    Titel:

Hallo!

Ich weiß jetzt nicht so ganz genau, welche Punkte Du im Detail noch nicht verstanden hast, aber ich versuche trotzdem mal ein paar Punkte zu schreiben.

Erstens stimmt das nicht immer, das in den Ringen Teilchen und entsprechende Antiteilchen in entgegen gesetzte Richtung beschleunigt werden. Bei LEP waren es Elektronen und Positronen, also die Antiteilchen der Elektronen. Das ist auch bei vielen anderen Maschinen so. Manchmal sind es auch Protonen und Anti-Protonen. Aber bei LHC sind es in beide Richtungen Protonen, also überhaupt keine Anti-Protonen. Bei HERA in Hamburg waren es Protonen und Elektronen mit unterschiedlicher Energie und Impuls sogar. Bei Beschleunigern für Schwerionen-Physik, wie z. B. der RHIC in Amerika, sind es größere Atomkerne, aber keine Anti-Atomkerne, schon weil man die auch noch nie so "gebaut" hat, zumindest keine größeren. Im LHC werden dann auch immer für einen Monat im Jahr Blei-Kerne eingefüllt.

Was auch immer genau in den Ringen drin ist: Es muss ein Strahl linksrum um den Ring und eine rechtsrum, damit einzelne Teilchen in diesen Strahlen an bestimmten Punkten zusammen stoßen können. An diesen Punkten baut man dann große Detektoren außenrum, um die Teilchen detektieren zu können, die bei einer solchen Kollision neu entstehen.

Eine wichtige Sache vielleicht noch dazu: Normalerweise ist der "Strahl" kein kontinuierlicher Strahl, sondern die Teilchen sind in Paketen zusammen, die sogenannten Bunches. Du hast also eine bestimmte Zahl von solchen Bündeln, die in gleichen Abständen in die eine Richtung fliegen und meistens genau so viele in die andere Richtung. Du kannst das ja mal selbst ausprobieren: Nimm eine Overhead-Folie o.ä. und schneide dort eine scheibe aus. Darauf malst Du einen Kreis und in festen Abständen Punkte (z. B. vier Stück, also immer 90° versetzt). Dann nimmst Du ein Blatt Papier und malst dort das selbe drauf. Jetzt legst Du die Folien-Scheibe auf das Papier und beides auf einen Tisch und drehst dann beides, aber in unterschiedliche Richtungen. Die Punkte sind dann Deine Bunches, die jeweils um den Ring kreisen. Immer, wenn die sich berühren kann es Interaktionen geben. Wenn Du es irgendwie hin bekommst, dass Du beide gleich schnell drehst, sollte ein solcher "Zusammenstoß" immer an den selben Punkten entlang des Rings passieren. An diesen Stellen kann man jetzt Experimente aufbauen.

Jetzt nochmal zu den zwei Ringen: Du brauchst nicht unbedingt zwei Ringe, wenn Du wirklich Teilchen und entsprechendes Anti-Teilchen hast. Du weißt ja, dass Teilchen entsprechend ihrer Ladung in einem homogenen Magnetfeld auf eine Kreisbahn gelenkt werden. Wenn die Ladung negativ ist (also Elektronen z. B.) dann z. B. nach links und Positronen würden dann entsprechend nach rechts abgelenkt, je nachdem, welche Richtung das Magnetfeld hat. Wenn Du Dir aber nochmal Deine Folie und das Papier anschaust und Dich in einen solchen Bunch rein versetzt, dann siehst Du, dass der eine Strahl, der im Uhrzeigersinn umläuft, auch immer nach rechts abgelenkt werden muss, um auf der Kreisbahn zu bleiben, während der andere gerade nach links abgelenkt wird. Das merkt man z. B. auch auf dem Fahrrad: Wenn man im Uhrzeigersinn immer im Kreis fährt, muss man nach rechts lenken, aber wenn man den selben Kreis entgegen des Uhrzeigersinns fährt, muss man links lenken.
Weil die Teilchen aber gerade entgegen gesetzte Ladung haben, werden auch die einen Teilchen immer genau so nach links abgelenkt, wie die anderen nach rechts abgelenkt werden, wenn sie das selbe Magnetfeld durchfliegen. Deshalb braucht man im Fall von Teilchen/Anti-Teilchen nur ein einziges Rohr, indem die beiden Teilchensorten innerhalb der selben Magnetfelder jeweils auf der richtigen Kreisbahn bleiben. Beim LEP war das nur ein Strahlrohr, wenn ich das noch richtig weiß.

Beim LHC geht das allerdings nicht mehr, weil in beide Richtungen Protonen fliegen und dann natürlich auch beide positive Ladung haben. Da hat man dann immer zwei getrennte Rohre, die allerdings in einem Magneten nebeneinander sind. Das Feld ist dann so, dass es z. B. im einen Rohr nach oben zeigt, aber im anderen nach unten. Da Magnetfeld-Linien ja so wie so immer geschlossen sein müssen, ist das eine Feld dann gerade der "Rückfluss" vom anderen Feld. Das funktioniert wohl auch ganz gut.
Nur bei den Interaktionspunkten müssen beide natürlich in ein und demselben Rohr zusammen sein, damit sie kollidieren können. An diesen Stellen gibt es dann natürlich auch keine Ablenkmagnete. Die gibt es so wie so nicht überall, aber das ist jetzt nicht so wichtig...

Übrigens sind es beim LHC deutlich mehr Bunches je Richtung (Bunches per Beam). Ich habe auf die Schnelle diese PowerPoint-Folien gefunden:
http://www-physics.lbl.gov/~gilg/LBLFridayPhysicsTalks/LHC%20StartupJuly29.ppt Dort steht auf Seite vier, dass es 2808 Bunches sind und dadurch die Zeit zwischen Bunch-Crossings nur 25ns. Das macht man, damit man sehr schnell eine große Zahl an Ereignissen hat und somit eine große Statistik innerhalb weniger Jahre. In einem solchen Bunch sind dann mehr als 10^11 Protonen drin. Pro Bunch-Crossing gibt es je nach Experiment im Schnitt eine echte Kollision (bei LHCb) und bis zu 5 bei den anderen. Die Maschine muss also nur einmal gefüllt werden und läuft dann viele Stunden, bis zu viele Teilchen verloren gingen (meistens wahrscheinlich nicht durch echte Kollisionen, die man haben will, sondern auch weil einzelne Teilchen sich von der Soll-Bahn entfernen und irgendwann in das Strahl-Rohr knallen, oder weil in dem zwar sehr guten Vakuum immer noch ein paar Restgas-Moleküle sind, mit denen die Strahl-Protonen natürlich auch zusammen knallen können). Dann werden die restlichen Teilchen aus dem Ring befördert (dump nennt man das) und wieder neu befüllt. Die neuen Teilchen kommen dann meistens aus Vorbeschleunigern, die früher mal die größten Beschleuniger waren...

Übrigens gibt es auch Linearbeschleuniger. Dort werden in einem geraden Tunnel von der einen und von der anderen Richtung die Teilchen einmal beschleunigt und knallen dann in der Mitte aufeinander. Da muss natürlich immer wieder ein neue beschleunigt werden. Das ist aber wieder ein ganz anderes Thema...

Wenn Du noch wissen willst, wie die Beschleunigung an sich zustande kommt (im Magnetfeld werden die Teilchen ja nur abgelenkt, aber ihre Geschwindigkeit (also der Betrag) wächst dabei nicht an), dann musst Du mal schauen, ob Du was über Cavitäten (oder cavities in Engl.) findest.

Natürlich gibt es bei der Beschleunigertechnik noch eine Menge an Details. Der Strahl läuft z. B. mit der Zeit auseinander, wenn man ihn nicht fokusiert, schon alleine weil ja alle Teilchen in einem Bunch gleich geladen sind und sich deshalb abstoßen. Dafür braucht man dann Quadrupol-Magneten. Dann braucht man für weitere Korrekturen des Strahls noch Sextupol-Magnete und so weiter. Die Ablenkmagnete sind immer die Dipolmagnete, wenn Du mal darüber stolperst.

Mmh... Wahrscheinlich konnte ich bei weitem nicht alle Deine Fragen beantworten. Vielleicht kannst Du aber jetzt auch etwas eher auf Details eingehen, die Dir noch unklar sind, also etwas gezielter nachfragen.

Gruß
Marco
TheHornedGod
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Anmeldungsdatum: 17.11.2005
Beiträge: 827

BeitragVerfasst am: 08 Okt 2008 - 01:40:19    Titel:

Informativer Text Smile.
cagère wollte denk wissen, warum gerade 5 Punkte, und eine Geometrische Vorsteppung dazu ^^
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