Teilchenbeschleuniger Collider 1. Theoretische Grundlagen 1.1 Warum baut man Collider In der heutigen Grundlagenforschung steht man oft vor Aufgabe, neue bisher nicht beobachtete Teilchen zu finden und zu untersuchen. Des Weiteren möchte man Präzisionsmessungen an bekannten Teilchen durchführen, um zum Beispiel deren Masse genau zu bestimmen. Das Grundprinzip, das hierbei zum tragen kommt, ist die Umwandlung von Energie in Masse gemäß E=mc 2 (1) Beschleunigt man also leichte Teilchen auf hohe Energien, so kann man daraus schwere Teilchen erzeugen. Dabei hat man zunächst einmal zwei Möglichkeiten. Man kann einen Teilchenstrahl auf ein ruhendes Target schießen (so genanntes fixed target -Experiment) oder man kann zwei Teilchenstrahlen zur Kollision bringen (Collider). Betrachtet man sich die bei diesen beiden Möglichkeiten die für das Experiment zur Verfügung stehende Schwerpunktsenergie, so erhält man bei einem ruhenden Target und bei einem Colliderexperiment E * FT = 2 m E m (2) * E Col =2 E (3) Dabei ist E die Strahlenergie und m die Masse der Target- bzw. Projektilteilchen. Um ein Z-Boson (m ~ 90 GeV) zu produzieren benötigt man in einem Collider eine Strahlenergie von etwa 45 GeV, bei einem ruhenden Target jedoch ungefähr 8 Millionen GeV. Dies ist technisch nicht realisierbar, deshalb braucht man Collider, um solche Schwerpunktsenergien zu erzeugen. 1.2 Synchrotronstrahlung Ein geladenes Teilchen auf einer Kreisbahn gibt ständig Strahlung ab. Bei einem Speicherring mit Kreisradius R beträgt der Strahlungsverlust pro Umlauf E= 4 3 E 2 4 e 2 mc R Der Strahlungsverlust nimmt also mit der vierten Potenz der Strahlenergie zu. Andererseits ist er (4)
umgekehrt proportional zur 4. Potenz der Masse. Dies führt dazu, dass der Strahlungsverlust bei Elektronen um einen Faktor 10 13 größer ist als bei Protonen der gleichen Energie. 1.3 Luminosität Eine wichtige Kenngröße bei Collidern ist die so genannte Luminosität L. Sie ist die Proportionalitätskonstante zwischen Wechselwirkungsrate und Wirkungsquerschnitt einer Reaktion: Ṅ = L (5) Die Luminosität ist direkt verknüpft mit der Zahl der Teilchen im Strahl. Betrachtet man einen Speicherring, in dem die beiden Strahlen aus k Bunchen mit jeweils M Teilchen bestehen, die mit der Frequenz f umlaufen, so gilt für die Luminosität: Dabei ist A Strahl der Strahlquerschnitt. L= k M 2 f A Strahl (6) 1.4 Typen von Collidern Zunächst einmal kann man Collider direkt nach der Bauart unterscheiden: a) linearer Collider Beim linearen Collider werden die Teilchenstrahlen in zwei getrennten * Linearbeschleunigern beschleunigt und dann zur Kollision gebracht. Dabei müssen die beiden Strahlen allerdings in einem Durchgang auf ihre Endenergie gebracht werden, außerdem steht der Strahl nur für eine Reaktion zur Verfügung. Der große Vorteil eines linearen Colliders besteht darin, dass keine Synchrotronstrahlung entsteht. b) Ringcollider Bei einem Ringcollider werden die beiden Teilchenstrahlen gegenläufig im Kreis geführt. Dabei können die Beschleunigungsstrecken mehrfach genutzt werden. Verwendet man Teilchen und ihre Antiteilchen, so können diese im gleichen Strahlrohr laufen. Der Nachteil bei Ringcollidern ist der * Man findet auch den Fall, dass beide Strahlen aus dem gleichen Beschleuniger kommen und dann umgelenkt und zur Kollision gebracht werden (z.b. SLC in Stanford)
große Energieverlust durch Synchrotronstrahlung. Des Weiteren kann man natürlich verschiedene Teilchen zur Kollision bringen. Die verwendeten Teilchen müssen prinzipiell geladen sein und eine genügend große Lebensdauer haben. Damit bleiben im Großen und Ganzen folgende Möglichkeiten: a) Elektronen/ Positronen Da Elektronen elementare Teilchen sind, kann man mit ihnen genau definierte Reaktionsenergien erzeugen. Damit eignen sie sich besonders gut zur Untersuchung von bekannten Teilchen. Die erreichbare Energie bei Elektronen ist jedoch durch die Synchrotronstrahlung stark begrenzt. Allerdings werden dann auch keine sehr starken Magnetfelder zur Umlenkung der Strahlen benötigt. TEVATRON am Fermilab bei Chicago ist ein Proton-Antiproton-Ringcollider (im Bild der obere Ring), der untere Ring dient zur Speicherung der Antiprotonen b) Protonen/ Antiprotonen Protonen sind keine elementaren Teilchen, sondern bestehen aus Quarks. Bei der Kollision von Protonen mit (Anti-) Protonen nimmt nur jeweils ein Parton an der Wechselwirkung teil. Dadurch kommt es zu einer Vielzahl von Reaktionen. Dies ist allerdings von Vorteil, wenn man neue Teilchen finden will, deren Parameter nicht genau bekannt sind. Da bei Protonen die Verluste durch Synchrotronstrahlung geringer sind, können wesentlich höhere Energien als mit Elektronen erreicht werden. Dann sind aber auch entsprechend höhere Magnetfelder nötig, um die Strahlen umzulenken. Die erreichbare Magnetfeldstärke stellt somit eine Grenze für die erreichbare Protonenenergie dar.
2. Der Large Electron Positron Collider (LEP) Der LEP war ein Collider für Elektronen und Positronen am europäischen Kernforschungszentrum CERN in Genf. Es handelte sich um einen Ringbeschleuniger, der in einem Tunnel mit einem Umfang von 26,7 km installiert war. Die maximal erreichte Schwerpunktsenergie lag bei 209 GeV. Der Betrieb fand in zwei Phasen zwischen August 1989 und November 1999 statt. In der ersten Phase (LEP 1) wurden bei einer Schwerpunktsenergie von etwa 90 GeV Z-Bosonen untersucht, in der zweiten Phase (LEP 2) wurden bei 190 GeV W + W - - Paare erzeugt. Die Elektronen und Positronen liefen dabei im gleichen Strahlrohr und wurden durch insgesamt 5388 Magnete fokussiert und umgelenkt. Zur Beschleunigung dienten bei LEP 1 128 Kupfer-Kavitäten; diese wurden dann durch 272 Lage des LEP-Tunnels und der Detektoren. Der Tunnel verläuft supraleitende Niob-Kavitäten etwa 100m unter der Oberfläche und überquert mehrfach die Grenze zwischen der Schweiz und Frankreich ersetzt, um höhere Energien zu erreichen. Ein Strahl bestand dann aus 8 Bunchen mit jeweils 2 10 11 Teilchen und blieb typischerweise etwa 12 Stunden im Ring und stand während dieser Zeit für Experimente zur Verfügung. Diese große Zahl von Kavitäten war unter anderem notwendig, um die Strahlungsverluste durch Synchrotronstrahlung auszugleichen, die sich auf 1,36 GeV pro Umlauf beliefen. Dies entspricht einem Energieverbrauch von 27 GWh pro Jahr. Zur Untersuchung der Kollisionen dienten am LEP vier große Detektoren (ALEPH, DELPHI, L3, OPAL), die an verschiedenen Stellen im Tunnel platziert waren. Mit Hilfe dieser Detektoren konnte unter anderem die Masse von W- und Z-Bosonen sehr genau bestimmt werden. Außerdem konnte eine untere Grenze für die Masse des Higgs-Bosons bestimmt werden (m H > 114,4 GeV).
3. Der Large Hadron Collider (LHC) Nach dem Ende des LEP-Betriebs wurde der Beschleuniger abgebaut. An seiner Stelle entstand der LHC, der im nächsten Jahr in Betrieb gehen wird. Der LHC ist ein Proton-Proton-Collider, der eine Schwerpunktsenergie von 14 TeV erreichen wird. Zu den Forschungsschwerpunkten gehört neben der Suche nach dem Higgs-Boson auch die Suche nach einer eventuell vorhandenen Substruktur in Quarks und Leptonen sowie die Suche nach bisher unentdeckten schweren Teilchen. Außerdem soll mit Hilfe von Blei-Blei-Kollisionen (E * = 1148 TeV) ein Quark-Gluon-Plasma erzeugt und erforscht werden. Hierfür stehen auch am LHC vier Detektoren zur Verfügung (ATLAS, CMS, LHCb, ALICE). Aufgrund der hohen Energien der Protonen benötigt man Magnetfelder von bis zu 8,33 Tesla. Um diese zu erreichen müssen die Magnete supraleitend sein. Die Betriebstemperatur beträgt 1,9 K. Die Magnete sind so konstruiert, dass die beiden Strahlrohre im gleichen Magneten laufen können und die Protonen trotzdem in entgegengesetzte Richtungen abgelenkt werden. Trotz der relativ schwachen Synchrotronstrahlung muss man verhindern, dass sich die Magnete durch die Strahlung aufheizen und quenchen, also vom supraleitenden in den normal leitenden Zustand übergehen. Insgesamt gibt es am LHC 9300 Magnete, davon 1232 Dipole. Zur Beschleunigung dienen 16 Kavitäten, die ebenfalls supraleitend sind. Der Strahl am LHC besteht aus 2808 Bunchen mit jeweils 10 11 Protonen. Die Strahlenergie beträgt dann 100 MJ. Magnete des LHC während des Baus. Im kleinen Bild sieht man gut die Lage der beiden Strahlrohre im gleichen Magneten.