Wozu immer größere Beschleuniger ?
• Welche Arten gibt es und warum ?
• Was haben sie uns gebracht ?
Daniel A.Stricker-Shaver
Warum Beschleuniger :
• Äquivalenz von Masse und Energie
• De-Broglie-Wellenlänge
• mit geradliniger Beschleunigung Linearbeschleuniger
Van-de-Graaff Cockcroft-Walton
• mit zyklischer Beschleunigung Zyklotron
Mikrotron Betatron Synchrotron Bevatron
Speicherring
Teilchenbeschleuniger :
Linearbeschleuniger:
• 1928 erstmals mit Wechselspannung gebaut (Ising und Wideröe)
• kinetische Energie nimmt in relativ kleinen Schritten zu (Driftröhren)
• Driftröhre wirkt wie ein Faradaykäfig
• Phasenstabilität
• Keine Synchrotronstrahlung
Van-de-Graaff:
• Erzeugung der
Beschleunigungsspannung ist ein mechanischer Antrieb
• Positive Ladungsträger werden über ein elektrisch schwach
leitendes Endlosband zu einem Hochspannungsterminal
befördert
• es entsteht ein positives Potenzial gegen Masse, welches mehrere Megavolt betragen kann
Zyklotron:
• besteht aus einem großen Elektromagneten, zwischen dessen Polen sich eine flache
runde Vakuumkammer befindet
• Im Inneren der Kammer sind 2
halbkreisförmige Metallkammern angeordnet, zwischen denen sich der
Beschleunigungsspalt und die Ionenquelle befinden
• Am Rand der Kammer ist ein
Ablenkkondensator angebracht, der zur Lenkung auf ein bestimmtes Ziel dient
• Das Zyklotron wurde 1929 von Ernest Lawrence an der University of California, Berkeley
• Die maximale Teilchenenergie moderner Zyklotrons liegt bei ca. 100 MeV
• wegen relativistischen Effekten ist die erreichbare Geschwindigkeit auf ca. 10% der Lichtgeschwindigkeit beschränkt
Mikrotron:
• ist ein Zyklotron, in dem Elektronen bei jedem Feldwechsel (halber Umlauf) ihre Ruheenergie von 511keV zugeführt wird
• somit muss die Beschleunigungsfrequenz und magnetische Feldstärke trotz Energiezunahme nicht geändert werden
⇒ dadurch wird der Energieverbrauch deutlich verringert.
• Gleiche Grenzen wie Zyklotron
Betatron:
• ähnlicher Aufbau wie Zyklotrons. Zwei Dipolmagnete erzeugen ein Magnetfeld. Dort befindet sich die Elektronenquelle. Die Beschleunigungsbausteine des Zyklotrons, die Dees, werden nicht mehr benötigt.
Das zeitlich veränderliche Magnetfeld erzeugt in Richtung des umlaufenden Elektronenstrahls ein elektrisches Feld und beschleunigt die Elektronen dadurch
• Magnetfeld muß bestimmten radialen Verlauf haben, um
den Strahl auf einer Kreisbahn zu halten
• bewirkt eine Strahlfokussierung um die ideale Bahn
• Teilchen
führen
senkrechtzur Bahn Schwingungen aus, die man als Betatronschwingungen bezeichnet
• Die Grenze des Betatrons liegt bei ca. 200 MeV
• Erstes Betatron: University of Illinois, 1941
Synchrotron:
• Teilchen werden auf rel.
Geschwindigkeiten beschleunigt
• ein passend synchronisiertes hochfrequentes elektrisches Wechselfeld (Mikrowellen) wird verwendet
• Ultrahochvakuum
• mit Elektronen in Synchrotrons nur ca. 10 GeV (Synchrotronstrahlung)
• meist in einem Linearbeschleuniger oder Mikrotron vorbeschleunigt ( Elementarteilchen, Elektronen, Protonen oder ionisierte Atome )
Bevatron:
• zur Energieanreicherung (Beschleunigung) von Protonen, also ein Synchrotron
• Ernest Lawrence baute 1954 in Berkeley (Kalifornien) mit dem Bevatron den ersten großen Synchrotron. Der Name des
Protonenbeschleunigers stammt von seiner Energieleistung von 6,2 BEVs (billion electron volts), => 6,2 GeV.
• Eine große Anzahl schwerer Elemente, die in der Natur nicht
natürlich vorkommen, wurden mit dieser Maschine erzeugt.
Vom Beschleuniger zum Collider:
• Strahl hat nicht so hohe
Teilchendichte wie festes Target
• Erhöhung der Dichte durch Speicherung vieler
Teilchenimpulse
•Luminosität :
dadurch kann die zu
erwartende Ereignisrate eines Ringbeschleuniger mit zwei gegenläufigen Teilchenstrahlen ermittelt werden:
dieselbe Einheit wie die
Teilchenstromdichte,
Speicherring:
• ringförmiges Vakuumgefäß, das innerhalb eines Ringmagneten angeordnet ist
• Speicherung von hochenergetischen elektrisch geladenen Elementarteilchen
• die Teilchen werden sehr hoch beschleunigt und stehen dann in zwei gegeneinander gerichteten Teilchenstrahlen für Kollisions- experimente zur Verfügung
• Speicherringe benötigen stabile Teilchen
• man kann mit Hilfe von Speicherr.
auch Synchrotronstrahlung erzeugen
Welche Teilchen kann man nachweisen?
● stabile Teilchen (zerfallen nicht im Detektor)
● kurzlebige Teilchen (zerfallen im Detektor) – Nachweis der Zerfallsteilchen
– Messung der Zerfallsstrecke
● Quarks
– nicht einzeln („frei“ ) beobachtbar
– verwandeln sich in Bündel („Jets“ ) von Hadronen
● Nachweis möglichst aller Teilchensorten
● Nachweis der Teilchen in alle Richtungen
● Messung der Richtung und der Energie
● Unterscheidung der Teilchen
● schnelle Auslese (vor nächster Kollision)
● praktische Überlegung:
– nicht zu groß
Eigenschaften des Detektors
● geladene Teilchen können Gase ionisieren
● Nachweis der herausgelösten Elektronen – Rekonstruktion einer Spur
– Richtung des Teilchens
● Im B-Feld: geladene Teilchen bewegen sich auf gekrümmten Bahnen
– Stärke der Krümmung: Impuls des Teilchens
Spurkammern
Energiemessung:
● Teilchen geben in Materie ihre Energie durch Produktion neuer Teilchen ab
=> Schauer
● Anzahl der Teilchen im Schauer ist proportional zur Energie
● elektromagnetisches Kalorimeter
– Elektronen/Positronen und Photonen verursachen in Materie Schauer aus Photonen und ElektronPositronPaaren – kurze, kompakte Schauer
● hadronisches Kalorimeter
– Hadronen (z.B. Protonen, Pionen, Neutronen) verursachen in Materie Schauer aus weiteren Hadronen
Messung der Energie: Kalorimeter
schematischer Aufbau eines Detektors
HERA (Hadron-Elektron-Ring-Anlage)
• In HERA bei DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) in Hamburg kollidieren Elektronen oder wahlweise ihre Antiteilchen, die Positronen, mit einer Energie von 27,5 GeV mit Protonen, die auf 920 GeV
beschleunigt wurden.
• Elektron wirkt als Sonde für das Proton bis zu einer Auflösung von 10- 18 m
• Elektromagnetische und schwache Wechselwirkung werden bei sehr hohen Impulsüberträgen gleich stark und lassen sich zur
elektroschwachen Wechselwirkung vereinigen (HERA-I 1991-2000)
• HERA-II hat eine viermal höheren Luminosität und soll für mögliche Unterstrukturen von Quarks sowie für Leptoquarks („Zwitterteilchen“
aus Leptonen und Quarks) bis 2006 eingesetzt werden
HERA
Tevatron-Beschleuniger bei Fermilab (Chicago, Illinois)
• bis 1996 dauerte Run-1 (Eigenschaften des Bottom-Quarks, genaue Bestimmung der Masse des W-Bosons, Entdeckung des Top-Quarks)
• Protonen und Antiprotonen mit einer Schwerpunktsenergie von 2 TeV prallen aufeinander
• Stöße der elementaren Bausteine der Protonen von einigen hundert GeV werden erzielt
• 2001 begann neue Forschungsphase mit verbesserten
Detektoren und einer stärkeren Maschine (von 1,8 TeV auf 2 TeV) eine um den Faktor 16 erhöhte Kollisionsrate (Luminosität) erreichen soll.
• bis 2007 soll an der CP-Verletzung, Teilchen-Antiteilchen-Oszillationen an verschiedenen Arten von B-Hadronen, Verbesserung der
Bestimmung der Massen und der Untersuchung des Top-Quarks
geforscht werden
Tevatron
20
CERN (European Organization for Nuclear Research)
L3-Detektor: Der größte LEP-Detektor enthält mehr als 10.000 Kristalle aus Bismuth-
Germanium-Oxid zum Nachweis von Elektronen und Photonen
ALEPH: Apparatus for LEp PHysics; Nachweis von Teilchen, die bei der Zerstrahlung von Elektronen und Positronen entstehen
DELPHI:
Detector with Lepton Photon and Hadron Identification;
Teilchenidentifikation sowie dreidimensionale Teilchenspuren
OPAL: Omni Purpose Apparatus for Lep;
großer, zwiebelförmig aufgebauter Vielzweckdetektor zur Messung von
•20 Mitgliedsländer
•3000 Mitarbeitern
•CERN: das weltgrößte Forschungszentrum auf dem Gebiet der
Teilchenphysik
•Super Proton Synchrotron
•Großer Elektron-Positron- Speicherring :
war von 1989 bis 2000 in Betrieb und diente als Speicherring für
Elektronen
und Positronen mit
Energien von bis zu
100GeV
SLAC , Stanford Linear Accelerator Center
• 1962 in Betrieb gegangen
• bis heute die größte derartige Maschine geblieben
• kann Elektronen auf etwa 30 Milliarden
Elektronenvolt beschleunigen
• damals die höchste Energie der Welt für Elektronen
der zwei Meilen lange Linearbeschleuniger für Elektronen in Stanford, Kalifornien
