Das LHC

Ein einzigartiges Werkzeug Wofür brauchen wir das LHC? LHC Funktionsweise Technische Herausforderungen

Technische Herausforderungen

Wichtige Werte

Im LHC wird bei der Kollision der Protonen eine Energie von 14 TeV erreicht werden, dies ist ca. 10 mal mehr als in der Vergangenheit und in den existierenden Beschleunigern. Aber "Energie" alleine ist nicht genug. Um ein "effektives physikalisches Programm" zu garantieren, z.B. alle Entdeckungen zu machen für die das LHC geplant sind, ist ein weiterer, ein sehr wichtiger Parameter zu bedenken die "Leuchtkraft".

Die "Leuchtkraft" eines Kollidierers ist ein mengenmäßig Proportional zur Menge der Kollisionen pro Sekunde. Während in der Vergangenheit und gegenwart die Leutkraft eine stärke von L = 10³²cm^-2 s^-1 erreichte, wird sie im LHC L = 10³⁴cm^-2 s^-1 erreichen. Dies soll erreicht werden indem man jeden der beiden Ringe mit 2835 Bündeln von je 1011 Partikeln füllt.

Diese nie dagewesene Energie und Leuchtkraft Stärken erfordern neue und zwingende Anforderungen an das Meschinendesign und die Leistung.

Einige störende Effekte

Während ihrer vierhundert millionen Drehungen um die Maschine, sorgen einige Effekte dafür das der Strahl sich verdünnt und die Leuchtkraft abnimmt. Lassen Sie uns die stärksten betrachten und sehen was die LHC Wissenschaftler dagegen zu tun versuchen.

Der Beam-beam Effekt

Wenn zwei Bündel sich im Zentrum eines phyikalischen Detectors begegnen kollidieren nur einige Frontal und erzeugen die gewünschten Effekte. Alle anderen werden durch das starke magnetische Feld des anderen Bündels abgelenkt. Diese Ablenkung, ist bei dichten Bündeln stärker, zunehmend von Umdrehung zu Umdrehung und können letztendlich zu Partikelverlust führen. Dieser Beam-beam Effekt wurde in vorhergehenden Kollidierern beobachtet, wo Experimente zeigen das man die Bündeldichte nicht über ein bestimmtes beam-beam limit hinaus steigern kann um einen effektiven langlebigen Strahl zu erzeugen. Um ein eine gewünschte Leutkraft zu erzeugen, muß das LHC so dicht wie möglich an dieser Grenze arbeiten.

Kollective instabilität

Während Sie durch die 27Km lange LHC Röhre, nah an der Lichtgeschwindigkeit, reisen, bleibt jedes der 2835 Protonen Bündel hinter einem elektrischen "wake-field" welches die passierenden Bündel stört und zu einem Strahlverlust führen kann. Diese kollektive Instabilität kann in dem LHC stärker werden, wegen der großen Strahlen, die für eine starke Leuchtkraft benötigt werden. Dieser Effekt wird minimiert durch eine vorsichtige Kontrolle der elektromagnetischen Eigenschaften der Elemente rings um den Strahl und durch ein ausgeklügeltes Rückholsystem.

Chaotische Bewegungen

Zusätzlich zu der Beam-beam Interaktion die shcon erwähnt wurden, kleine scheinbar nicht lineare Komponenten des führungs und fokusierungs Feldes der maschine können die Bewegung geringfügig chaotisch machen, so das nach einer großen Anzahl von Umdrehungen die Partikel eventuell verloren gehen könnten.

Im LHC sind die destabilisierungs Effekte der magnetischen Ungenauigkeit, besser bekannt als zugeführte Energie, weil die magnetische Ungenauigkeit stärker ist und ein Grund dafür ist, das der Strahl einen größeren Platz der Spulenkreuzung einnimmt.

Es gibt zwei Wege dies zu korregieren:
- Wir müssen ein Dynamisches Apperatur entwickeln ( einen Teil ders Spulen-Kreuzungs-Bereiches in welchem sich die Partikel, für die nötige Zeit, stabil bleiben sollen ) und sicher zu gehen das es die Größe des eingeschleusten Strahl mit einem ausreichend sicheren Seitenabstand überschreitet.
- Derzeit, kann keine Theorie die erforderliche Genauigkeit das Langzeitverhalten eines nicht linealen Feldes von Partikeln vorherbestimmen. Anstatt dessen benutzen wir schnelle Computer um hunderte von Partikeln schritt für schritt durch tausende von Magneten, mehr als eine Million umdrehungen lang zu verfolgen. Die Resultate legen die Tolleranzen für die Qualität der Magnete in der Planungsphase und während der Produktion fest.

Das ist das wo Sie helfen können ! Nehmen Sie an der SixTrack herausforderung indem Sie LHC@home downloaden und den CERN Wissenschaftlern helfen den Effekt der chaotischen Bewegungen zu überwinden !

Quenches

Ungeachtet aller Sicherheitsmaßnahmen ist die Lebensdauer der Strahlen nicht unendlich, mit anderen Worten, eine Teil der Partikel wird in Richtung der Röhrenrand abweichen und verloren gehen. In diesem Fall wird die Partikelenergie des umrundenden Materials in Hitze umgewandelt, dies kann die Magnet aus ihrem kalten, supraleitenden Zustand bringen, "quench" genannt. Ein Quench in einem der 5.000 LHC supraleitenden Magneten würde die Funktion der Maschine für mehrere Stunden unterbrechen ! Um dieses zu verhindern, packt ein kollimations System diese unstabilen Partikel, bevor diese die Röhrenwand erreichen und begrenzt so die Verluste auf ein gut abgesicherte Region, weit weg von irgendwelchen supraleitenden Elementen. Um ein effektives Kontrollsystem zu entwickeln, nutzen Sicherheitsingenieure extrem fortschrittliche Computer Programme um mechanisch-magnetische-thermale Analysen von durch ein "Quench" hervorgerufenen Störungen durchzuführen.