Der Large Hadron Collider (LHC)project-physicsteaching.web.cern.ch/project-physicsteaching/german/... · • Preis: 500.000 CHF Transport bei 3 km/h! • ...bis zu 15 km weit. 71

1 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik

Der Large Hadron Collider (LHC)

...ein Rundgang durch das größte Experiment der Welt


Übersicht

� Die Welt der Elementarteilchen

� Teilchenbeschleuniger

� Teilchendetektoren

� Technologietransfer


Die Welt der Elementarteilchen


Grundfrage der Teilchenphysik

Aus was besteht Aus was besteht die Welt?die Welt?


Materie


Atom


Elektron

Atomkern


Proton

Neutron


Quarks


Quarks

dd

u+2/3 e

-1/3 e

-1/3 e

Proton Neutron

uu

d

+2/3 e

+2/3 e

-1/3 e


Elementarteilchen

Elektron

u d

up-Quark down-Quark


Kosmische Strahlung

� Entdeckung weiterer Elementarteilchen


Elementarteilchen

Elektron

u

d

up-Quark

down-Quark


Elementarteilchen

Elektron Myon

su

d

up-Quark

down-Quark

strange-Quark


Kosmische Strahlung

� Beobachtung in Ballons und auf Bergen � mühsam!


Frage

� Wie lautet Einsteins berühmte Gleichung?


Frage

� Wie lautet Einsteins berühmte Gleichung?

E=m•c2


Teilchenbeschleuniger

� Künstliche Erzeugung neuer Teilchen bei Teilchenkollisionen, E=m•c2


Elementarteilchen

Elektron Myon

su

d

up-Quark

down-Quark

strange-Quark


Elementarteilchen

Elektron Myon

su

d

up-Quark

down-Quark

strange-Quark

Tauon


Elementarteilchen

Elektron Myon

su

d

up-Quark

down-Quark

strange-Quark

bbottom-Quark

Tauon

ccharm-Quark

ttop-Quark


Elementarteilchen

Elektron

e-Neutrino

Myon

su

d

up-Quark

down-Quark

strange-Quark

µ-Neutrino τ-Neutrino

bbottom-Quark

Tauon

ccharm-Quark

ttop-Quark


Offene Fragen

Elektron

e-Neutrino

Myon

su

d

up-Quark

down-Quark

strange-Quark

µ-Neutrino τ-Neutrino

bbottom-Quark

Tauon

ccharm-Quark

ttop-Quark

Masse der Elementarteilchen?


Higgs-Feld

Peter Higgs


Higgs-Feld


Higgs-Feld


Higgs-Feld


Higgs-Teilchen


Higgs-Teilchen


Higgs-Teilchen


Dunkle Materie

2r

MmGF

⋅⋅−=


Dunkle Materie

2r

MmGF

⋅⋅−=


Dunkle Materie

„DunkleMaterie“


Offene Fragen

� Higgs-Teilchen

� Dunkle Materie

� ...



Der Large Hadron Collider am CERN

� Länge: 27 km� 100 m unter der Erde� 4 Teilchendetektoren


Teilchenbeschleuniger


Teilchenbeschleuniger in der Schule


Teilchenbeschleuniger in der Schule

� Braun‘sche Röhre

� Oszilloskop

� Fadenstrahlröhre

� TV-Gerät


Fragen

� Wie erzeugt man freie Elektronen?

� Wie beschleunigt man geladene Teilchen?


Fadenstrahlröhre

UA

Anode

Kathode


Fadenstrahlröhre

UA

Anode

Kathode


Fadenstrahlröhre

UA

Anode

Kathode


Fadenstrahlröhre

UA

Anode

Kathode

Metallzylinder


Fadenstrahlröhre

UA

Anode

Kathode

Metallzylinder



CERN-Protonenquelle


CERN-Protonenquelle

Glühkathode

90 kV


CERN-Protonenquelle

Glühkathode

90 kV


CERN-Protonenquelle

Glühkathode

90 kV


CERN-Protonenquelle

Glühkathode

Zwischenelektrode

90 kV


CERN-Protonenquelle

Glühkathode

Zwischenelektrode

90 kV

Anode


CERN-Protonenquelle

Glühkathode

Zwischenelektrode

90 kV

WasserstoffAnode


CERN-Protonenquelle

Glühkathode

Zwischenelektrode

90 kV

WasserstoffAnode


Protonen-Erzeugung

beschleunigtes Elektron

Wasserstoff-Atom


Protonen-Erzeugung

Proton


Protonen-Erzeugung

Proton


Protonen-Erzeugung

Proton


CERN-Protonenquelle

Glühkathode

Zwischenelektrode

90 kV

WasserstoffAnode


CERN-Protonenquelle


CERN-Protonenquelle


Linearbeschleuniger


Kreisbeschleuniger

~

Wie bringt man Teilchen auf eine Kreisbahn?

� Vorteil: die gleiche Beschleunigungsstrecke mehrmals durchlaufen


Fadenstrahlröhre


Synchrotron

UA

Kathode mit Wehnelt-Zylinder Anode

Homogenes Magnetfeld

(Dipol)

UA klein

UA groß

� Beschleunigung undMagnetfeld synchronhochfahren


Kreisbeschleuniger

Ablenkmagnet

Einschleusung

Beschleunigungsstrecke


LHC-Spiel

Start (Internetverbindung erforderlich)


LHC und Vorbeschleuniger


Large Hadron Collider

� Maximalenergie: 7 Tera-Elektronenvolt� Geschwindigkeit: v=0,999999991 c� 2808 Teilchenpakete mit je 1,15 · 1011 Protonen

• Abstand: 25 ns• � 40 Millionen Kollisionen pro Sekunde



� 1232 supraleitende Magnete• Magnetfeld: 8,3 T bei 11.850 Ampère• Betriebstemperatur: -271 °C• Länge: 15 m• Gewicht: 35 t• Preis: 500.000 CHF

� Transport bei 3 km/h!• ...bis zu 15 km weit



� LHC-Temperatur• Kälter als das Weltall!





� Weitere Daten:• Energieverbrauch: 180 MW (= Kanton Genf)• 360 MJ Energie gespeichert im Strahl (=ICE bei 200 km/h,

schmilzt 500 kg Kupfer)• Ultrahochvakuum größer als auf dem Mond

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

-3000 -2500 -2000 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 2000

Time [s]

MB

cur

rent

0

1

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5

6

7

8

9

B [T

]

Preinjection plateau

Ramp down

Start ramp

Injection

Beam dump

Physics PreparePhysics

Ramp down ≈ 18 Mins

Pre-Injection Plateau 15 Mins

Injection ≈ 15 Mins

Ramp ≈ 28 Mins Squeeze ≈ 20 Mins

Prepare Physics ≈ 10 Mins Physics 0 - 20 Hrs


Teilchendetektoren



CMS-Detektor

� Länge: 25 m� Höhe: 16 m� Gewicht: 12.500 t

� Mitarbeiter:• 2310 Wissenschaftler• 38 Staaten• 175 Institute

55 aus Karlsruhe


CMS-Detektor


CMS-Detektor

Strahlrohr


CMS-Detektor

Spurdetektoren


CMS-Detektor

� Spurdetektoren• Streifen und Pixel aus Silizium (=„Digitalkamera“)• Fläche: 220 m2

• 60 Millionen elektronische Kanäle• Länge: 6 m

40 Mio. Fotos pro Sekunde


CMS-Detektor

Spurdetektoren


CMS-Detektor

Kalorimeter


CMS-Detektor

� Kalorimeter• Teilchen regen spezielle

Materialien zur Lichtemission an• Messung der Energie

Szintillator Lichtleiter

Photodetektor

ionisierendes Teilchen


CMS-Detektor

Kalorimeter


CMS-Detektor

Spule


CMS-Detektor

Myonkammern


Kalorimeter

� Myonkammern• Gasdetektor = Geiger-Müller-Zählrohr

U0

Signal


FüllgasAußenelektrode

Innenelektrode


Kalorimeter

� Myonkammern• Vieldraht-Proportionalkammer


Kathodendrähte

Anodendrähte


CMS-Detektor


Bestimmung von Impuls und Ladung

Br


Bestimmung von Impuls und Ladung

Br r

vmBvq

2⋅=⋅⋅

ZL FF =

pvmrBqr=⋅=⋅⋅


Technologietransfer


Technologietransfer


Technologietransfer

� World Wide Web


Technologietransfer

� Medipix-Kamera


Technologietransfer

� Teilchenbeschleuniger in derMedizin


Technologietransfer

� Teilchenbeschleuniger in der Industrie• Polymerisation von Kunststoffen• Sterilisierung von Lebensmitteln und medizinischen Geräten• Dotieren von Halbleitern• Werkstoffüberprüfung


Technologietransfer

� Das Grid


Large Hadron Rap

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