Die vorliegende Arbeit befasst sich mit einem der weltweit größten Beschleuniger, dem Large Hadron Collider (LHC) bei CERN (Genf). Auf diesem Beschleuniger beruhen größte Hoffnungen, fehlende Elementarteilchen des Standardmodells zu finden bzw. einen tieferen Einblick in den Aufbau von Materie zu erhalten.
Die Arbeit ist in zwei Hauptteile untergliedert: "Basis- und Hintergrundwissen" und "Aufbau des Beschleunigsystems".
Einleitend werden die Pioniere der Elementarteilchenphysik mit ihren Errungendschaften aufgelistet.
Geschichtliche und wirtschaftliche Daten, sowie physikalische Grundlagen der Elektrodynamik, der Thermodynamik, der relativistischen Kinematik und des Standardmodells bilden den ersten Teil.
Der Verlauf der Hadronen von ihrer Quelle bis zum LHC sowie die Techniken des Kühl- und Vakuumsystems, wie auch der Injektion/Extraktion, setzen den zweiten Teil zusammen.
Abschließend wird eine kleine Anmerkung über die Experimente am LHC gegeben mit ihren Zielen.
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
Häufig gestellte Fragen
Was ist das Hauptthema dieser Facharbeit?
Der Aufbau des Large Hadron Collider (LHC) bei Genf und die Experimente, die dort durchgeführt werden, stehen im Zentrum dieser Facharbeit. Die Arbeit beleuchtet die geographischen, wirtschaftlichen, physikalischen und technischen Dimensionen des LHC sowie das globale Interesse an seinen Ergebnissen.
Wer waren einige der Pioniere der Elementarteilchenphysik, die in diesem Text erwähnt werden?
Der Text nennt Anaxagoras, Isaac Newton, Max Planck, Albert Einstein, Ernest Rutherford, Paul Dirac und Steven Weinberg als wichtige Persönlichkeiten, die zur Entwicklung der modernen Teilchenphysik beigetragen haben.
Welche Beschleuniger werden neben dem LHC im Text erwähnt?
Neben dem LHC werden DESY in Hamburg, SLAC in Menlo Park Kalifornien, und Fermilab bei Chicago Illinois erwähnt.
Wann wurde das CERN gegründet?
Die Gründung des CERN begann mit Konferenzen der UNESCO im Frühling 1952. 1953 wurde Genf als Standort des CERN festgelegt.
Was sind einige wichtige Meilensteine in der Geschichte des CERN, die im Text genannt werden?
Der Text erwähnt die Inbetriebnahme des ersten Synchro-Zyklotrons (SC), die Erfindung der Vieldraht-Proportionalkammer durch George Charpak, die Inbetriebnahme des LEP als LHC-Vorgänger, die Genehmigung des LHC-Projekts, die Erzeugung des ersten Anti-Wasserstoffatoms, die Genehmigung des LHCb-Experiments, die Ankunft der ersten Beschleunigerelemente für den LHC aus den USA, den Start des EGEE-Projekts (Enabling Grids für E-Sience), die Erfassung kosmischer Hintergrundstrahlung durch das CMS-Experiment und die erste volle Umrundung des LHC-Rings durch Protonen im Jahr 2008.
Wie ist das CERN organisiert?
Das CERN hat ein Direktorat mit einem Vorsitzenden und einen Rat, der aus Vertretern der Politik und Wissenschaft aller 20 Mitgliedstaaten besteht. Es gibt drei Sektoren (Resource Planning and Control, Review of Research Collaboration, und Projects Office), die in Departements unterteilt sind, die sich mit spezifischen Aufgaben befassen.
Wie wird das CERN finanziert?
Das CERN wird durch seine 20 Mitgliedstaaten finanziert. Deutschland, Großbritannien und Frankreich sind die größten Beitragszahler.
Welche physikalischen Grundlagen werden im Text behandelt?
Der Text behandelt Elektromagnetismus, insbesondere die Coulomb- und Lorentzkraft, die für die Beschleunigung und Fixierung geladener Teilchen im LHC von Bedeutung sind.
Was sind die Kosten des LHC-Projekts?
Die Kosten des gesamten Projekts belaufen sich auf etwa 6,03 Mrd. CHF, wovon 76% für die Konstruktion des LHC verwendet werden.
Was ist die Bedeutung der Lorentzkraft im Zusammenhang mit dem LHC?
Die Lorentzkraft wird genutzt, um geladene Teilchen auf einer Kreisbahn im LHC zu halten. Bei einem Winkel von 90 Grad beschreibt das Ion eine Kreisbahn.
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- Dimi Skodras (Autor), 2010, Large Hadron Collider, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/165884
