Oliver Stein Motivation Beschleuniger-Elemente am Large ...schleper/lehre/BSM/SS_2011/Beschleuniger.pdf · Oliver Stein Motivation Grundlagen Strahlf uhrung Magnete Strahl Trajektorie

Beschleuniger-Elemente

amLarge Hadron

Collider

Oliver Stein

Motivation

Grundlagen

Strahlfuhrung

Magnete

Strahl Trajektorie

Aufbau LHC

Beschleunigerkette

Zusammenfassung

Quellen

Beschleuniger-Elemente amLarge Hadron Collider

Oliver Stein

24.06.2011

1 / 51


amLarge Hadron

Collider

Oliver Stein

Motivation

Grundlagen

Strahlfuhrung

Magnete

Strahl Trajektorie

Aufbau LHC

Beschleunigerkette

Zusammenfassung

Quellen

Inhaltsverzeichnis

I Motivation

I Grundlegende Fragen

I Strahlfuhrung

I Magnete

I LHC-Speicherring

I Zusammenfassung

2 / 51


amLarge Hadron

Collider

Oliver Stein

Motivation

Grundlagen

Strahlfuhrung

Magnete

Strahl Trajektorie

Aufbau LHC

Beschleunigerkette

Zusammenfassung

Quellen

Suche nach Higgs und neuer Physik

Higgs-Grenzen aus der

Theorie des SM.Higgs-Grenzen aus

elektroschwachen Fits.

Entdeckung neuer unbekannter Phanomene.

3 / 51


amLarge Hadron

Collider

Oliver Stein

Motivation

Grundlagen

Strahlfuhrung

Magnete

Strahl Trajektorie

Aufbau LHC

Beschleunigerkette

Zusammenfassung

Quellen

Motivation

Ziel: Experimente mit moglichst hoher Schwerpunktsenergieund moglichst hohen Ereignisraten.

I Schwerpunktsenergie (√

s)⇒ BeschleunigerstrukturenLHC:

√s = 14TeV

I Ereignisrate ⇒ Luminositat LLHC: L = 1034cm−2s−1 = 10nb−1s−1

I Kenntnisse uber die beim Experiment verwendetenTeilchen (Lokalisation, Impuls, Teilchendichte).

I Nutzung der Infra- und Beschleunigerstrukturen amCern.

I LEP (Large Electron Positron Collider)Tunnelumfang 27km

4 / 51


amLarge Hadron

Collider

Oliver Stein

Motivation

Grundlagen

Strahlfuhrung

Magnete

Strahl Trajektorie

Aufbau LHC

Beschleunigerkette

Zusammenfassung

Quellen

Motivation

LEP-Beschleuniger.

5 / 51


amLarge Hadron

Collider

Oliver Stein

Motivation

Grundlagen

Strahlfuhrung

Magnete

Strahl Trajektorie

Aufbau LHC

Beschleunigerkette

Zusammenfassung

Quellen

Kreis- oder Linearbeschleuniger?

LinearbeschleunigerI Vorteile:

I Einfache Struktur.I Keine Ablenkung notig.I Keine hohen Stabilitatsanforderungen.

I Nachteile:I Nur ein Durchgang durch die

Beschleunigerstruktur.I Keine Speicherung der Teilchen⇒ Niedrige Luminositat

6 / 51


amLarge Hadron

Collider

Oliver Stein

Motivation

Grundlagen

Strahlfuhrung

Magnete

Strahl Trajektorie

Aufbau LHC

Beschleunigerkette

Zusammenfassung

Quellen

Kreis- oder Linearbeschleuniger?

Kreisbeschleuniger /SpeicherringI Nachteile:

I Komplexe Ablenkstrukturen notig.I Hohe Stabilitatsanforderungen.I Strahlenergieverluste durch Synchrotronstrahlung.

I Vorteile:I Mehrfaches Ausnutzen der Beschleunigerstruktur.I Langzeitige Speicherung der Teilchen.

LHC: L1/2 ca. 10std.

Kreisbeschleuniger sind beim heutigen Stand der Technik diekostengunstigste Variante, Teilchen auf hochste Energien zubeschleunigen.

7 / 51


amLarge Hadron

Collider

Oliver Stein

Motivation

Grundlagen

Strahlfuhrung

Magnete

Strahl Trajektorie

Aufbau LHC

Beschleunigerkette

Zusammenfassung

Quellen

Collider- oder Fixedtarget Experimente?

Schwerpunktsenergie

ECMS =√

s =((E1 + E2)2 − (~p1 + ~p2)2

)1/2

=(E 2

1 − p21 + E 2

2 − p22 + 2E1E2 − 2~p1~p2

)1/2

=(m2

1 + m22 + 2E1E2(1− β1β2cos(θ)

)1/2

Fixedtarget (ultrarel.)

√s ≈

√2E1m2

Collision (ultrarel.)

√s ≈ (2E1E2(1− cosθ))1/2 = 2E

8 / 51


amLarge Hadron

Collider

Oliver Stein

Motivation

Grundlagen

Strahlfuhrung

Magnete

Strahl Trajektorie

Aufbau LHC

Beschleunigerkette

Zusammenfassung

Quellen

pp- oder pp-Collider?

Leichte Teilchen wie Elektronen verlieren in Kreisbeschleunigern beihohen Energien zu viel Energie durch Synchrotronstrahlung ∆E ∝ γ4.

pp-Collider

I Vorteil:I Aufgrund entgegengesetzter Ladungen ist die Nutzung

der gleichen Beschleunigerstruktur moglich.⇒ Nur eine Beschleunigerstruktur notig.

I Nachteile:I Erzeugung und Akkumulation sehr aufwendig

(”Stochastische Kuhlung“, Nobelpreis 1984, Van der Meer).⇒ Niedrigere Luminositat(Tevatron: L = 4 · 1032cm−2s−1 = 0, 1nb−1s−1)

9 / 51


amLarge Hadron

Collider

Oliver Stein

Motivation

Grundlagen

Strahlfuhrung

Magnete

Strahl Trajektorie

Aufbau LHC

Beschleunigerkette

Zusammenfassung

Quellen

pp- oder pp-Collider?

pp-ColliderI Nachteil:

I Es werden zwei entgegengesetzteBeschleunigerstrukturen benotigt.

I Vorteil:I Beide Strahlen konnen durch die gleichen

Vorbeschleuniger laufen.I Durch H2-Gas stehen große Mengen von Protonen zu

Verfugung. ⇒ Sehr hohe Bunchdichten moglich.

LHC: 2808 Bunche mit je 1011Protonen

10 / 51


amLarge Hadron

Collider

Oliver Stein

Motivation

Grundlagen

Strahlfuhrung

Magnete

Strahl Trajektorie

Aufbau LHC

Beschleunigerkette

Zusammenfassung

Quellen

Was wir bisher wissen

I Kreisbeschleuniger eignen sich fur schwere Teilchen beihohen Energien.

I Kollisionsexperimente ermoglichen hochsteSchwerpunktsenergien ⇒ 2 Teilchenstrahlen.

I pp-Speicherringe erlauben hohe Strahlstromdichten.

LHC:

Lange 26,66 km

Durchmesser Strahlrohr 5,6 cm

Strahlrohrvakuum 10−13 bar

Max. Bunche 2808

Max. p pro Bunch 1, 15 · 1011

Bunchabstand 24,95 ns

Schwerpunktsenergie 14 TeV (7 TeV)

Peak Luminositat (IP1,IP5) 1034cm−2s−1

Gespeicherte Energie pro Strahl 350 MJ

Betriebstemperatur 1,9 K11 / 51


amLarge Hadron

Collider

Oliver Stein

Motivation

Grundlagen

Strahlfuhrung

Magnete

Strahl Trajektorie

Aufbau LHC

Beschleunigerkette

Zusammenfassung

Quellen

Was wir bisher wissen

Umbau und Erweiterung der LEP Infrastruktur fur den LHC.

Der LEP Beschleuniger wurde komplett entfernt.

12 / 51


amLarge Hadron

Collider

Oliver Stein

Motivation

Grundlagen

Strahlfuhrung

Magnete

Strahl Trajektorie

Aufbau LHC

Beschleunigerkette

Zusammenfassung

Quellen

Lorentzkraft

~F = q(~E + ~v × ~B)

I Beschleunigung nur durch das elektrische Feld.

I Ablenkung der Ladung ab β ≈ 0, 3 durch Magnetfeldersinnvoller (Limitierung der Spannung OMeV /m).

I Lorentzkaft wirkt senkrecht auf die Ladung.

Magnetfeldstarke B zur Ablenkung von Teilchen mit Impulspt transversal zum Magnetfeld auf eine Trajektorie mitRadius ρ:

Bρ =pt

q

Bsp. LHC: pt = 7TeV , ρ = 2804m

⇒ B=8,33T

13 / 51


amLarge Hadron

Collider

Oliver Stein

Motivation

Grundlagen

Strahlfuhrung

Magnete

Strahl Trajektorie

Aufbau LHC

Beschleunigerkette

Zusammenfassung

Quellen

Sattigung von Eisen

Typische Bauform von Magneten:Mit einer Spule wird das duch die Spule laufende Eisenjochmagnetisiert.

I Vorteil:I Einfache Bauweise.I Das Magnetfeld hangt hauptsachlich von der Form der

Lucke zwischen den Polen ab.

I Nachteil:I Bei Feldern uber 1,5 Tesla treten Sattigungseffekte auf.⇒ Verlassen des linearen Bereichs.

I Ab ca. 2 Tesla ist keine weitere Magnetisierung moglich.

Mit dieser Bauform lassen sich keine Magnete mit dernotigen Feldstarke realisieren.

14 / 51


amLarge Hadron

Collider

Oliver Stein

Motivation

Grundlagen

Strahlfuhrung

Magnete

Strahl Trajektorie

Aufbau LHC

Beschleunigerkette

Zusammenfassung

Quellen

Biot-Sarvat

Gesetz von Biot-Sarvat stellt die Magnetfeldstarke ~B amOrt ~r in Abhangigkeit der Stromdichte ~j am Ort ~r

′dar.

~B =µ0

4π

∫V

~j(~r)×~r −~r ′

|~r −~r ′ |3dV

⇒ Elektrische Strome erzeugen um den durchflossenenLeiter ein radiales Magnetfeld.

I Hohe Stromdichten erlauben große Magnetfeldstarken.I Verwendung von supraleitenden Kabeln.I Maximale Magnetfeldstarke hangt von der Gute

der Supraleitung ab.kritische Stromdichte, kitische Magnetfeldstarke,

kitische Temperatur

Dauerhafte Magnetfeldstarken bis zu 10 Tesla moglich.

15 / 51


amLarge Hadron

Collider

Oliver Stein

Motivation

Grundlagen

Strahlfuhrung

Magnete

Strahl Trajektorie

Aufbau LHC

Beschleunigerkette

Zusammenfassung

Quellen

Stromschalen

Bei Stromschalenmagneten werden die Leiter meist direktauf dem Strahlrohr fixiert.Die Positionen der Kabel bestimmen die Feldeigenschaften.

Anordnung von Leiterschleifen auf zwei Strahlrohren zur Erzeugung

eines Dipolfeldes.

16 / 51


amLarge Hadron

Collider

Oliver Stein

Motivation

Grundlagen

Strahlfuhrung

Magnete

Strahl Trajektorie

Aufbau LHC

Beschleunigerkette

Zusammenfassung

Quellen

Stromschalen

Durch Superposition einzelner Stromfaden lassen sichverschiedenste Magnetfeldstrukturen realisieren.

-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

X-Achse

Y-

Ach

se

Verlauf der Magnetfeldlinien

Anordnung von 4 Stromfaden zu einem Dipolfeld.

17 / 51


amLarge Hadron

Collider

Oliver Stein

Motivation

Grundlagen

Strahlfuhrung

Magnete

Strahl Trajektorie

Aufbau LHC

Beschleunigerkette

Zusammenfassung

Quellen

Stromschalen

Durch Superposition einzelner Stromfaden lassen sichverschiedenste Magnetfeldstrukturen realisieren.

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

X-Achse

Y-

Ach

se

Verlauf der Magnetfeldlinien

Anordnung von 40 Stromfaden zu einem Dipolfeld.

18 / 51


amLarge Hadron

Collider

Oliver Stein

Motivation

Grundlagen

Strahlfuhrung

Magnete

Strahl Trajektorie

Aufbau LHC

Beschleunigerkette

Zusammenfassung

Quellen

Dipol-Magnete

Dipole am LHC:

Lange 16,5 m

Masse 27,5 t

Nominalfeld (7 TeV Strahlenergie) 8,33 T

Strom bei Nominalfeld 11850 A

Gespeicherte Energie 6,9 MJ

kritische Magnetfeldstarke 9,7 T

Ablenkradius 2803,98 m

Kraft bei Nominal Feld (horizontal) 1,8 MN/m

Anzahl 1232

19 / 51


amLarge Hadron

Collider

Oliver Stein

Motivation

Grundlagen

Strahlfuhrung

Magnete

Strahl Trajektorie

Aufbau LHC

Beschleunigerkette

Zusammenfassung

Quellen

Dipol-Magnete

Die Abstoßungskrafte zwischen den einzelnen

Dipolen (Strahlrohr 1 und 2) sind so groß, dass massive Stahlklammern

die Magnete zusammenhalten mussen.

20 / 51


amLarge Hadron

Collider

Oliver Stein

Motivation

Grundlagen

Strahlfuhrung

Magnete

Strahl Trajektorie

Aufbau LHC

Beschleunigerkette

Zusammenfassung

Quellen

Dipol-Magnete

Flussliniendiagramm eines LHC-Dipols.

21 / 51


amLarge Hadron

Collider

Oliver Stein

Motivation

Grundlagen

Strahlfuhrung

Magnete

Strahl Trajektorie

Aufbau LHC

Beschleunigerkette

Zusammenfassung

Quellen

Dipol-Magnete

Querschnitt durch einen LHC-Dipol.

22 / 51


amLarge Hadron

Collider

Oliver Stein

Motivation

Grundlagen

Strahlfuhrung

Magnete

Strahl Trajektorie

Aufbau LHC

Beschleunigerkette

Zusammenfassung

Quellen

Dipol-Magnete

23 / 51


amLarge Hadron

Collider

Oliver Stein

Motivation

Grundlagen

Strahlfuhrung

Magnete

Strahl Trajektorie

Aufbau LHC

Beschleunigerkette

Zusammenfassung

Quellen

Dipol-Magnete

24 / 51


amLarge Hadron

Collider

Oliver Stein

Motivation

Grundlagen

Strahlfuhrung

Magnete

Strahl Trajektorie

Aufbau LHC

Beschleunigerkette

Zusammenfassung

Quellen

Teilchenbewegung

Beschleuniger werden fur eine spezielle Sollbahn designt.Nahezu alle Teilchen haben eine kleine Ablage zu diesemDesignorbit.

I Ablage in der X-Y-Ebene.

Ρ

x

s

y

Sollorbit

25 / 51


amLarge Hadron

Collider

Oliver Stein

Motivation

Grundlagen

Strahlfuhrung

Magnete

Strahl Trajektorie

Aufbau LHC

Beschleunigerkette

Zusammenfassung

Quellen

Phasenraum

Neben einer raumlichen Ablage haben die Teilchen einetransversale Geschwindigkeitskomponente.Diese wird meist durch die Winkelx ′ = dx/ds bzw. y ′ = dy/ds beschrieben.

Kammerwand

t=t0

-1.0 -0.5 0.5 1.0x

-1.0

-0.5

0.5

1.0x'

Darstellung des Phasenraums der X-Koordinate.

26 / 51


amLarge Hadron

Collider

Oliver Stein

Motivation

Grundlagen

Strahlfuhrung

Magnete

Strahl Trajektorie

Aufbau LHC

Beschleunigerkette

Zusammenfassung

Quellen

Phasenraum

Neben einer raumlichen Ablage haben die Teilchen einetransversale Geschwindigkeitskomponente.Diese wird meist durch die Winkelx ′ = dx/ds bzw. y ′ = dy/ds beschrieben.

t=t0

Kammerwand

t=t1

-1.0 -0.5 0.5 1.0x

-1.0

-0.5

0.5

1.0x'

Darstellung des Phasenraums der X-Koordinate.

27 / 51


amLarge Hadron

Collider

Oliver Stein

Motivation

Grundlagen

Strahlfuhrung

Magnete

Strahl Trajektorie

Aufbau LHC

Beschleunigerkette

Zusammenfassung

Quellen

Fokussierung

Ohne Fokussierung wurden durch die Strahldivergenz dieTeilchen verloren gehen.⇒ Fokussierung der Teilchen auf den Designorbit.

Stromfadenanordnung fur einen Quadropol.

28 / 51


amLarge Hadron

Collider

Oliver Stein

Motivation

Grundlagen

Strahlfuhrung

Magnete

Strahl Trajektorie

Aufbau LHC

Beschleunigerkette

Zusammenfassung

Quellen

Fokussierung

Ohne Fokussierung wurden durch die Strahldivergenz dieTeilchen verloren gehen.⇒ Fokussierung der Teilchen auf den Designorbit.

-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

X-Achse

Y-

Ach

seVerlauf der Magnetfeldlinien

Stromfadenanordnung fur einen Quadropol.

29 / 51


amLarge Hadron

Collider

Oliver Stein

Motivation

Grundlagen

Strahlfuhrung

Magnete

Strahl Trajektorie

Aufbau LHC

Beschleunigerkette

Zusammenfassung

Quellen

Quadropole

LHC-Tunnel mit Querschnitt durch einen Quadropol.

30 / 51


amLarge Hadron

Collider

Oliver Stein

Motivation

Grundlagen

Strahlfuhrung

Magnete

Strahl Trajektorie

Aufbau LHC

Beschleunigerkette

Zusammenfassung

Quellen

Quadropole

I ~Bx = gy mit g = ∂Bx∂y

I ~By = gx mit g =∂By

∂x

Resultierende Bewegungsgleichungen:

I x ′′ + kx = 0I y ′′ - ky = 0

I k Quadropolstarke

yHsL

xHsL2 4 6 8 10

s

-4

-2

0

2

4

x�y

Quadropol vertikal fokussierend, horizontal defokussierend.

31 / 51


amLarge Hadron

Collider

Oliver Stein

Motivation

Grundlagen

Strahlfuhrung

Magnete

Strahl Trajektorie

Aufbau LHC

Beschleunigerkette

Zusammenfassung

Quellen

Fodo-Strukturen

Um eine Fokussierung in beide Richtungen zu erhalten,werden abwechselnd fokussierende und defokussierendeQuadropole eingesetzt. ⇒ Quadropole wirken wie Linsen.

Fokus Dipol Defokus Dipol Fokus

Aufbau einer Fodo-Zelle.

Naherung: Dipole leisten keinen Beitrag zur Fokussierung.(Vernachlassigung der Kantenfokussierung)

32 / 51


amLarge Hadron

Collider

Oliver Stein

Motivation

Grundlagen

Strahlfuhrung

Magnete

Strahl Trajektorie

Aufbau LHC

Beschleunigerkette

Zusammenfassung

Quellen

Fodo-Strukturen


Fokus Dipol Defokus Dipol Fokus



33 / 51


amLarge Hadron

Collider

Oliver Stein

Motivation

Grundlagen

Strahlfuhrung

Magnete

Strahl Trajektorie

Aufbau LHC

Beschleunigerkette

Zusammenfassung

Quellen

Fodo-Strukturen


Fokus Drift Defokus Drift Fokus



34 / 51


amLarge Hadron

Collider

Oliver Stein

Motivation

Grundlagen

Strahlfuhrung

Magnete

Strahl Trajektorie

Aufbau LHC

Beschleunigerkette

Zusammenfassung

Quellen

Matrix-Formalismus

Der Durchlauf eines Teilchens durch eine Struktur kann mitTransfer-Matrizen beschrieben werden.

(xx ′

)s

= MT

(xx ′

)0

Eine Transfer-Matrix MT kann sich aus Transfer-Matrizen vonSubstrukturen Mti zusammensetzen.

MT = Mt1.Mt2...

35 / 51


amLarge Hadron

Collider

Oliver Stein

Motivation

Grundlagen

Strahlfuhrung

Magnete

Strahl Trajektorie

Aufbau LHC

Beschleunigerkette

Zusammenfassung

Quellen

Matrix-Formalismus Fodo-Zelle

Wie in der klassischen Optik lasst sich fur Quadropole dieNaherung fur dunne Linsen verwenden.Driftstrecke:

MD =

(1 l0 1

)Quadropol vertikal fokussierend:

MQF =

(1 01f 1

)Quadropol vertikal defokussierend:

MQD =

(1 0−1

f 1

)

36 / 51


amLarge Hadron

Collider

Oliver Stein

Motivation

Grundlagen

Strahlfuhrung

Magnete

Strahl Trajektorie

Aufbau LHC

Beschleunigerkette

Zusammenfassung

Quellen

Fodo-Zelle

Wie in der klassischen Optik lasst sich auch fur Quadropoledie Naherung fur dunne Linsen verwenden.(

xx ′

)nachFodo

= MDMQDMDMQF

(xx ′

)vorFodo

Durchlauf eines Teilchens durch eine Fodo-Struktur.

L


Trajektorie durch eine Fodo-Zelle.

37 / 51


amLarge Hadron

Collider

Oliver Stein

Motivation

Grundlagen

Strahlfuhrung

Magnete

Strahl Trajektorie

Aufbau LHC

Beschleunigerkette

Zusammenfassung

Quellen

Fodo-Zelle

L


-1.0 -0.5 0.5 1.0x

-1.0

-0.5

0.5

1.0x'

Vor QF

-1.0 -0.5 0.5 1.0x

-1.0

-0.5

0.5

1.0x'

Nach QD

-1.0 -0.5 0.5 1.0x

-1.0

-0.5

0.5

1.0x'

Nach QF

-1.0 -0.5 0.5 1.0x

-1.0

-0.5

0.5

1.0x'

Vor QD

1 Durchlauf durch die Fodo-Zelle (im Uhrzeigersinn)38 / 51


amLarge Hadron

Collider

Oliver Stein

Motivation

Grundlagen

Strahlfuhrung

Magnete

Strahl Trajektorie

Aufbau LHC

Beschleunigerkette

Zusammenfassung

Quellen

Fodo-Zelle

L

-1.0 -0.5 0.5 1.0x

-1.0

-0.5

0.5

1.0x'

Vor QF

-1.0 -0.5 0.5 1.0x

-1.0

-0.5

0.5

1.0x'

Nach QD

-1.0 -0.5 0.5 1.0x

-1.0

-0.5

0.5

1.0x'

Nach QF

-1.0 -0.5 0.5 1.0x

-1.0

-0.5

0.5

1.0x'

Vor QD

100 Durchlaufe durch die Fodo-Zelle (im Uhrzeigersinn)

39 / 51


amLarge Hadron

Collider

Oliver Stein

Motivation

Grundlagen

Strahlfuhrung

Magnete

Strahl Trajektorie

Aufbau LHC

Beschleunigerkette

Zusammenfassung

Quellen

Strahleigenschaften

Fur eine anfangliche Verteilung der Teilchen im Phasenraumlasst sich eine einhullende (4σ um den Soll-Orbit) Ellipsefinden.

γx2 + 2αxx ′ + βx ′2 = ε

βγ − α2 = 1

α, β, γ sind die sog. Twissparameter, die von s abhangen.Diese lassen sich ebenfalls mit Hilfe von Matrizen transformieren. α

βγ

s

= MT

αβγ

0

Die Emittanz ε ist s unabhangig und andert sich nicht.(Liouville-Theorem)

40 / 51


amLarge Hadron

Collider

Oliver Stein

Motivation

Grundlagen

Strahlfuhrung

Magnete

Strahl Trajektorie

Aufbau LHC

Beschleunigerkette

Zusammenfassung

Quellen

Emittanz und β-FunktionDie Emittanz ε beschreibt die Flache der Ellipse, die beilinearer Strahloptik invariant ist.Die maximale Ablage ymax und y ′max an der Stelle s lassensich somit uber die Twissparameter ausdrucken.

xmax= Ε Β HsL

x'max= Ε Γ HsL

-6 -4 -2 2 4 6x

-6

-4

-2

2

4

6x'

Kleine Werte fur β bedeuten kleine Abweichungen vomSollorbit.

41 / 51


amLarge Hadron

Collider

Oliver Stein

Motivation

Grundlagen

Strahlfuhrung

Magnete

Strahl Trajektorie

Aufbau LHC

Beschleunigerkette

Zusammenfassung

Quellen

LHC

Der Speicherring besteht aus Bogensektionen und geradenStrecken.

Aufbau des LHC.

42 / 51


amLarge Hadron

Collider

Oliver Stein

Motivation

Grundlagen

Strahlfuhrung

Magnete

Strahl Trajektorie

Aufbau LHC

Beschleunigerkette

Zusammenfassung

Quellen

LHC

Der Speicherring besteht aus Bogensektionen und geradenStrecken.

I LSS furBeschleunigerstrukturen,Experimente

I DSL/DSR optischeJustage

I ARC Bogen mitAblenkmagneten

43 / 51


amLarge Hadron

Collider

Oliver Stein

Motivation

Grundlagen

Strahlfuhrung

Magnete

Strahl Trajektorie

Aufbau LHC

Beschleunigerkette

Zusammenfassung

Quellen

LHC

Jeder Bogen, insgesamt 8, besteht aus 23 106,9m langenZellen.

LHC-Arc-Cell mit Justage Magneten.

Im LHC sind insgesamt 858 Quadropole eingebaut.

44 / 51


amLarge Hadron

Collider

Oliver Stein

Motivation

Grundlagen

Strahlfuhrung

Magnete

Strahl Trajektorie

Aufbau LHC

Beschleunigerkette

Zusammenfassung

Quellen

Interaction Points LHC (SSL)

Die langen geraden Strecken stehen fur Strahlkontrolle undExperimente zur Verfugung.

I Injektionspunkte(IP2, IP8)

I Strahloptimierung,(Kollimation)(IP3,IP7)

I Beschleunigung RF (IP4)

I Experimente(IP1,IP2,IP5,IP8)

I Beam Dump (IP6)

45 / 51


amLarge Hadron

Collider

Oliver Stein

Motivation

Grundlagen

Strahlfuhrung

Magnete

Strahl Trajektorie

Aufbau LHC

Beschleunigerkette

Zusammenfassung

Quellen

Luminositat bei CMS

L =N2

pnbfrγrel

4πεβF

Np Anzahl Protonen pro Bunch 1, 15 · 1011

nb Anzahl der Bunche 2808

fr Bunchfrequenz 40, 0MHz

γrel relativistisches γ 7461

ε Strahlemittanz 2, 5µm rad

β max. β-Funktion 0,5m

F opt. Korrekturfaktor 0,836

Luminositat bei CMS (IP5):

LCMS ≈ 1 · 1034cm−2s−1 = 10nb−1s−1

46 / 51


amLarge Hadron

Collider

Oliver Stein

Motivation

Grundlagen

Strahlfuhrung

Magnete

Strahl Trajektorie

Aufbau LHC

Beschleunigerkette

Zusammenfassung

Quellen

LHC-Operation-Monitor

http://lhc.web.cern.ch/lhc/

47 / 51


amLarge Hadron

Collider

Oliver Stein

Motivation

Grundlagen

Strahlfuhrung

Magnete

Strahl Trajektorie

Aufbau LHC

Beschleunigerkette

Zusammenfassung

Quellen

Vorbeschleuniger

48 / 51


amLarge Hadron

Collider

Oliver Stein

Motivation

Grundlagen

Strahlfuhrung

Magnete

Strahl Trajektorie

Aufbau LHC

Beschleunigerkette

Zusammenfassung

Quellen

Zusammenfassung

Der LHC ist der großte Ringbeschleuniger fur pp-Kollisionen.

I Schwerpunktsenergie 14 TeV.

I Ablenkung und Fokussierung durch Stromschalen-Magnete.

I 1232 Dipole mit einem Nominalfeld von 8,33 Tesla.I 858 Quadropole zur Fokussierung.

I Beschreibung der Ablage im Phasenraum und Berechnung vonTransfer-Matrizen.

I Wichtigkeit der Emittanz und β-Funktion fur die Luminositat.

Aufbau des LHC.

I Der LHC besteht aus Geraden- und Bogensegmenten.

I In den Bogen sind Ablenk- und Fokussiermagnete in Form vonFodo-Zellen untergebracht.

I Die Geraden bieten Platz fur Experimente und Strahlkontrolle.

49 / 51


amLarge Hadron

Collider

Oliver Stein

Motivation

Grundlagen

Strahlfuhrung

Magnete

Strahl Trajektorie

Aufbau LHC

Beschleunigerkette

Zusammenfassung

Quellen

Quellen

Dr. B. Schmidt: Skript zur Beschleunigerphysik 1,Uni Hamburg, 2011

Pof. J. Rossbach: Skript zur Beschleunigerphysik 2,Uni Hamburg, 2010/2011

S. Turner: Cern Accelerator School, Cern, 1994

F. Hinterberger: Teilchenbeschleuniger undIonenoptik, Springer, 2. Auflage, 2008

http://lhc.web.cern.ch/lhc/, abgerufen 22.06.2011,9:30Uhr

http://www.lhc-facts.ch/, abgerufen 18.06.2011,14:00Uhr

50 / 51


amLarge Hadron

Collider

Oliver Stein

Motivation

Grundlagen

Strahlfuhrung

Magnete

Strahl Trajektorie

Aufbau LHC

Beschleunigerkette

Zusammenfassung

Quellen

Vielen Dank fur dieAufmerksamkeit!!

51 / 51

Documents

Oliver Stein Motivation Beschleuniger-Elemente am Large ...schleper/lehre/BSM/SS_2011/Beschleuniger.pdf · Oliver Stein Motivation Grundlagen Strahlf uhrung Magnete Strahl Trajektorie