Jens Fuchs & David Zadro

CERN - Die Welt der kleinsten Teilchen

2 Forscher

Das Team besteht aus Dr. Jens Fuchs und Dr. David Zadro, die beide an der universtaet Heidelberg studiert haben.

Information

Die Inhalte der deite stammen aus dem Internet und zahlreichen sachlichen Buechern sowie unser eignes erlerntes Wissen .

Thema

Diese Seite beschaeftigt mit dem weltbekannt Teilchenbeschleuniger und welche Erkenntnisse uns Cern ueber die bisher endeckten Teilchen liefert.

CERN Europaesche Organisation fuer Kernforschung .

CERN ist eine Grossforschungseinrichtung im Kanton in der Schweiz
Sie ist die Europaeische Organisation fuer Kernforschung
Mithilfe eines grossen Teilchenbeschleunigers werden dort physikalische Grundlagen und den Aufbau der Materie erforscht
CERN = Conseil europeen pour la recherche nucleaire (dt. Europaeischer Rat fuer Kernforschung)
Mit 23 Mitgliedstaaten und etwa 3.400 Mitarbeitern ist es das weltweit groesste Forschungszentrum auf dem Gebiet der Teilchenphysik
Mitgliedstaaten (geordnet nach Beitrag) Deutschland, Frankreich, Vereinigtes Koenigreich, Italien, Spanien, Niederlande, Belgien, Norwegen, Polen, Schweiz, Schweden, oesterreich, Griechenland, Daenemark, Finnland, Portugal, Tschechien, Ungarn, Slowakei, Bulgarien, Israel, Rumaenien, Serbien
Mit grossen Teilchenbeschleunigern werden Teilchen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und zur Kollision gebracht
Mit unterschiedlichen Teilchendetektoren werden die Flugbahnen der bei den Kollisionen entstandenen Teilchen rekonstruiert, woraus sich wiederum Rueckschluesse auf die Eigenschaften der kollidierten sowie der neu entstandenen Teilchen ziehen lassen
.

Larg Hadron Collider.

Ein Teilchenbeschleuniger ist ein Geraet, in dem elektrisch geladene Teilchen durch elektrische Felder auf grosse Geschwindigkeiten beschleunigt werden. Im Innenraum des Beschleunigers herrscht im Allgemeinen Vakuum.

Am Anfang der Experimente stehen Beschleuniger, welche den Teilchen die fuer die Untersuchungen notwendige kinetische Energie verleihen. Hervorzuheben sind das Super Proton Synchrotron (SPS) fuer die Vorbeschleunigung und der Large Hadron Collider (LHC), der Grosse Hadronen-Speicherring, der bei weitem groesste und aufwendigste Beschleuniger, der am Anfang vieler Experimente steht. Es arbeiten mehrere Beschleuniger zusammen um die Teilchen zu beschleunigen. Die Geraete, die CERN zu diesem Zweck einsetzt, sind Teilchenbeschleuniger und Detektoren. Die Beschleuniger bringen die Teilchen auf hohe Energien, bevor sie aufeinander treffen. Die Detektoren beobachten und erfassen die Ergebnisse dieser Kollisionen. Indem sie die Kollisionen von Elementarteilchen untersuchen, gewinnen Wissenschaftler Erkenntnisse ueber die Naturgesetze. Die im Laufe der ueber 60-jaehrigen Geschichte verwendeten und inzwischen abgebauten oder ausser Betrieb gesetzten Beschleuniger sind:

Large Electron-Positron Collider (LEP)
Synchro-Cyclotron (Synchro-Zyklotron)
Intersecting Storage Rings (ISR)
Low Energy Antiproton Ring (LEAR)

Beschleuniger

Da die Teilchen auf naehrungsweise Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden muessen, besitzt der LHC viele kleine Systeme, die durch komplexe Vorgaenge dies ermoeglichen.

Nr.1

Protonenquelle

Jens Fuchs

Die im LHC verwendeten Protonen werden durch Ionisation (Elektronenverlust) von Wasserstoff, mittels einem sogenannten Duoplasmatron (Geraet zur Erzeugung von leistungsstarken Ionenstroemen) hergestellt.

Funktionweise

An der Metalloberflaeche treten Leitungselektronen aus, sobald die thermische Energie die materialabhaengige Austrittsarbeit uebersteigt (gluehelektrischer Effekt/Gluehemission). Protonen werden zu einem feinen Strahl fokussiert, sodass sie nicht in alle Richtungen wegfliegen Dies geschieht mit Hilfe eines sog. Wenehltzylinder, einem negativ geladenen Metallzylinder, welcher um die Kathode herum angebracht ist Die Elektronen sammeln sich in der Mitte, da sie von den Waenden des Zylinders abgestossen werden. Eine positiv geladene Anode beschleunigt nun anschliessend die Elektronen. Dieser Elektronenstrahl trifft dann auf das Wasserstoffgas. Dabei stossen die beschleunigten Elektronen mit den Atomen des Wasserstoffgases zusammen. Bei diesem Prozess, also wenn ein Wasserstoff mit schnellen Elektronen beschossen wird, schlagen diese, dass Huellenelektron aus dem Atom heraus und Wasserstoff wird ionisiert. Zurueck bleibt ein positiv geladenes Proton , welches von einer negativ geladenen Elektrode (90000 Volt), angezogen und beschleunigt wird. Die Protonen werden anschliessend in den ersten Linearbeschleuniger, den RFQ, geleitet.

Nr.1

Bleiionenquelle

Die Bleiionen werden durch eine Elektron-Zyklotron-Resonanz Ionenquelle (EZR) produziert. In ihr wird ein hochreines Stueck Blei (Pb 208), auf ca. 550 °C erhitzt. Es bildet sich Bleidampf der mit Hilfe von beschleunigten Elektronen analog der Wasserstoffionenquelle, ionisiert wird. Dabei entsteht ein Gemisch aus unterschiedlich, geladenen Bleiionen. Die meisten sind 27-fach positiv geladen. Dieses Ionenplasma wird in einer Plasmakammer, die mit einem Sextupol umhuellt ist fokussiert. Eine Extraktionselektrode, die mit 20000 Volt geladen ist, extrahiert den Strahl. Die Bleiionen werden danach zum ersten Linearbeschleuniger (RFQ) geleitet.

Nr.2

RFQ

Der Radio Frequency Quadropol ist ein Kurzer Linearbeschleuniger (ca. 1.75m lang (beschleunigt auf gerader Strecke)). Quadro steht hier fuer die Anzahl der Magnete, hier 4 Stueck an der Zahl. Die Aufgabe des Beschleunigers ist zu fokussieren, zu beschleunigen und den Strahl aufzuteilen. Die Quadropolstruktur des RFQ besteht aus sinuswellenfoermig geformten Polen (sog. Vanes). Durch diese besondere Polstruktur nimmt die Feldstaerke entlang der Flugrichtung der Protonen staendig ab und zu. Dadurch entstehen Bereiche in denen die Protonen gebremst oder beschleunigt werden. Die Protonen ruecken daher immer mehr zu Ansamlungen zusamen, den sog. Bunches (Teilchenpakete). Dieses Bunching ist wichtig, da die verwendeten Magnetstrukturen und die Experimente am LHC, genau auf die Anzahl und den zeitlichen Abstand dieser Pakete ausgelegt sind. Der RFQ zerlegt den kontinuierlichen Strahl in 6 Pakete. Die Protonenpackete verlassen den RFQ mit einer kinetischen Energie von 750000 eV oder 750 keV und werden dann in den LINAC 2 eingespeist.

NR.4

LINAC

Linac 2

Linac 2 ist ein ca. 30m langer Linearbeschleuniger, welcher zur Voreschleunigung dient. Dieser beschleunigt die Elektropakete auf 50 Mio eV (ca. 31% der Lichtgeschwindigkeit). Der Linac 2 besteht aus mehreren hintereinander folgenden, hohlen, Zylinderfoermigen Elektroden, diese wechseln durch Wechselstrom sehr schnell ihre Ladungen. Das wechselnde, elektrostatische Feld ist so aufgeteilt, dass die Teilchen zwischen den Hohlzylindern immer eine beschleunigende Kraft in Richtung naechster Elektrode erfahren. Sobald sie sich im Innern der naechsten Driftroehre sind, erfolgt eine Umpolung. Im Innern des Zylinders wird das elektrostatische Feld von den Zylinderwaenden abgeschirmt. Dies verhindert, dass sich die Protonen in Gegenrichtung bewegen. Zusaetzlich dazu findet nur in jedem zweiten Spalt zwischen den Roehren eine Beschleunigung statt. Die Umpolung erfolgt mit fester Frequenz. Auf den Linac folgt der erste Ringbeschleuniger

Linac 3

Der Linac 3 ist ein Linearbeschleuniger, welcher ca. 15m lang ist und zur Vorbeschleunigung dient. Der Linac 3 beschleunigt Blleiionen auf 4.2 MeV/u, welche zuvor aus dem RFQ kamen (/u steht fuer kernbestandteil, also Neutronen und Protonen des Atomkerns). Die Ionen treffen nach dem Linearbeschleuniger auf eine aus Kohlenstoff bestehende sog. Stripperfolie. Wenn die Bleiionen auf die die Folie treffen, werden weitere Elektronen aus der Atomhuelle der Ionen geschleudert, diese bilden 54-Fach positiv geladene Bleiionen.

Nr.5

Low Energy Ion Ring (LEIR)

Nach dem LINAC 3 erfolgt die Injektion der Bleiionen in den ersten Kreisbeschleuniger LEIR. Dies ist Speicherring, mit einem Umfang von 78 Meter. Im LEIR werden die Bleiionen auf 72.2 MeV/u beschleunigt, der Ionenstrahl in zwei Pakete geteilt und in den PSB injeziert.

Nr.6

PSB

Aus dem LINAC2 werden die Protonen in den ersten Kreisbeschleuniger geschossen, den PSB. Der Proton Synchrotron Booster hat die Besonderheit, dass 4 Strahlrohre uebereinander angeordnet sind, welches zum Vorteil hat, dass pro Fuellung mehr Teilchen beschleunigt werden koennen. Der PSB hat einen Durchmesser von 50 Meter. Der Durchmesser eines Kreisbeschleunigers ist auf den Energiebereich ausgelegt, auf welchen die Teilchen beschleunigt werden sollen. Mit zunehmender Geschwindigkeit der Teilchen bzw. kleiner werdendem Flugbahnradius, muesse staerkere Magnetfelder eingesetzt werden, um den Strahl noch auf einer Kreisbahn zu halten. Es werden Dipolmagnete eingesetzt, dass sich die Teilchen auf einer Kreisbahn im Beschleuniger bewegen. Anders als beim Linac 2 kommen keine Driftroehren zum Einsatz, sondern Hohlraumsonatoren. Der PSB benoetigt insgesamt 1,2 Sekunden, um die Protonen aus dem LINAC2 von 50 Megaelektronenvolt auf 1,4 Gigaelektronenvolt zu beschleunigen (91% der Lichtgeschwindigkeit). Durch spezielle Magnete wird der Strahl aus dem PSB in den naechsten Kreisbeschleuniger PS gefuehrt. Im PSB werden zwei Protonenpakete des LEIR auf 94 MeV/u beschleunigt und in 4Pakete zerlegt. Danach erfolgt die Injektion des Protonensynchroton (PS).

Nr.7

PS

Proton Synchrotron (PS) - Protonen

Auf den PSB folgt der PS, der n aechsten Kreisbeschleuniger mit einem Umfang von 628.3 Meter. Neben Beschleunigung, hat der PS eine weitere wichtige Aufgabe, es unterteilt die 6 Protonenpakete, die es aus seinem Booster in zwei Schritten erh aelt, in 72 Pakete. Diese sind jeweils 4 ns lang und folgen in 25 ns Abst aenden. Die 6 Pakete aus dem PSB werden vom PS bei 3,06 MHz uebernommen, die dabei anliegende Spannung wird heruntergefahren und gleichzeitig ein dreimal so schnelles System (9,18 MHz) hochgefahren. Dadurch bilden sich 16 Pakete. Im Anschluss erfolgt die Beschleunigung auf 25 GeV, wobei die Frequenz auf 10 MHz angepasst wird. Dann wird die Frequenz zweimal auf 40 MHz verdoppelt, so dass 72, 12 Nanosekunden lange, Pakete erhalten werden. Diese werden schliesslich durch Erhoehung der Spannung auf 4 ns gekuerzt. Wie man in der Abbildung unten sehen kann, l aesst der PS zwischen zwei Paketen eine Luecke von 320 ns. Diese Pause wird benoetigt, um den Kickermagneten eine gewisse Zeit zu geben, hoch zu fahren, um dann den Strahl aus seiner Bahn, in den n aechsten Beschleuniger SPS zu leiten. Das PS beschleunigt die 72 Protonenpackete in 3,6 Sekunden auf 25 GeV, bzw. 99.93 Prozent der Lichtgeschwindigkeit.

Proton Synchrotron (PS) - Bleiionen

Im PS erreichen die Bleiionen eine Energie von 5.9 GeV/u und werden in 52 Pakete geteilt. Im Verbindungstunnel zwischen PS und SPS, treffen die 54+ Ionen auf eine Folge von Stripperfolien aus Kupfer und Nickel. Dabei verlieren die Ionen ihre restlichen Elektronen, bis nur noch ihr 82-fach, positiv geladener Kern uebrig bleibt.

program

Nr.8

SPS

Das SPS hat einen Umfang von 6912 Metern. Das SPS hat neben der Beschleunigung keine weiteren Aufgaben, es l aesst die Protonenpakete unver aendert. Das SPS besteht neben Hohlraumresonatoren, aus 744 Dipolmagnete und 216 Quadrupole. 3 Fuellungen aus dem PS ergeben eine SPS-Fuellung, also 216 Pakete. Diese 216 Pakete werden in 21,6 Sekunden, auf 450 Gigaelektronenvolt, (ca. 99,9998% der Lichtgeschwindigkeit) beschleunigt. ueber zwei Verbindungslinien werden die Teilchenpakete, jeweils gegenl aeufig in die zwei grossen Speicherringe des LHC geleitet.

Nr.9

LHC

Large Hadron Collider (LHC) - Protonen

Eine Foellung des LHC besteht aus 13 Foellungen des SPS, bzw. 2808 Paketen pro Strahlrohr. Im Ersten Strahlrohr erfolgt die Injektion mit dem Uhrzeigersinn und im zweiten gegen den Uhrzeigersinn. Der 26659 Meter lange Speicherring wird 11000 mal pro Sekunde von dem Protonen umlaufen. An vier Stellen des Ringes werden die beiden gegenlaeufigen Protonenstrahlen gekreuzt und zur Kollision gebracht. Die Protonenpakete werden bei diesen Kreuzungspunkten (Interaction Point) auf bis zu 16 µm im Durchmesser und einer Laenge von ca. 8 cm fokussiert. Pro Kreuzung zweier Protonenpakete, von denen ein Paket 115 Milliarden Protonen enthaelt, kommt es zu jeweils 20 Proton-Proton Kollisionen (alle 30 Nanosekunden 1 Kollision). Die foer die Untersuchung, von Proton-Proton Kollisionen, vorgesehenen Detektoren sind, ATLAS, CMS, LHCb, TOTEM, LHCf. Der Speicherring besteht aus 1232 Dipolmagneten, 858 Quadrupolmagneten, 16 Hohlraumresonatoren und hat einen Umfang von 26659 Meter. Der LHC beschleunigt die Protonen innerhalb von 20 Minuten auf 7 Teraelektronenvolt, was 99.9999991 Prozent der Lichtgeschwindigkeit entspricht.

Large Hadron Collider (LHC) - Bleiionen

Insgesamt werden 592 Blei-Ionenpackete vom SPS in den LHC injiziert und auf eine Energie von 2.76 TeV/u beschleunigt. Die Kollision der Bleiionen erfolgt hauptsaechlich im ALICE-Detektor, welcher aber auch Protonenkollisionen untersuchen wird. In einem geringerem Umfang werden auch ATLAS und CMS, Untersuchungen an Bleiionen-Kollisionen vornehmen.

Systeme

BPM

Die genaue Position des Teilchenstrahls innerhalb des Strahlrohrs wird durch 1056 Beam Position Monitore bestimmt. Ein solcher BPM besteht aus jeweils zwei gegenueber angeordneten Elektroden, in x- und y-Richtung zum Strahl. Die Protonen- bzw. Bleiionenpakete erzeugen bei ihrem Flug durch das Strahlrohr ein elektrisches Feld. Durch dieses Feld wird in den BPM-Elektroden eine geringe Spannungs aenderung induziert, welche Rueckschluesse auf die Position des Teilchenstrahls erlaubt. Nach mehreren Ringuml aeufen kann dadurch die Strahlposition bis auf 5 µm genau bestimmt werden.

Kuehlsytem

Damit die Supraleitf aehigkeit der Magnete gew aehrleistet ist, muessen sie auf 1.9 K (-271.3 °C) abgekuehlt werden. Um das zu ermoeglichen wurde das weltgroesste Kuehlsystem konstruiert. Das Aufw aermen bzw. das Abkuehlen eines Sektors des LHC Rings, dauert jeweils 1 Monat. Die Magnete des LHC Speicherringes und der grossen Detektoren, werden zuerst mit 6000 Tonnen fluessigem Stickstoff auf 80 Kelvin (-193°C) vorgekuehlt und dann mit insgesamt 140 Tonnen fluessigem Helium, nahe an den absoluten Nullpunkt, auf 1.9 Kelvin (-271.3°C) abgekuehlt. Die bis zu 15 Meter langen Dipolmagnete, schrumpfen dabei um mehrere Zentimeter. Spezielle Verbindungspuffer, Ventile und ca. 40000 Dichtungen sind noetig, damit das gesamte System dicht bleibt. Helium ist als einziger Stoff dazu geeignet, um den hohen Anforderungen der Kuehlung gerecht zu werden. Unterhalb von 2.2 Kelvin wird Helium zu Helium II. Dieser Zustand besitzt eine rund eine Million mal hoehere W aermeleitf aehigkeit als normales Helium. Zudem ist Helium II suprafluid, d.h. es fliesst ohne jegliche Reibung und gelangt durch kleinste oeffnungen. Deshalb erfordert der Umgang mit Helium II spezielle Materialen die diesen Anforderungen gerecht werden koennen.

Beam Dump

Die Gesamtenergie pro Protonenstrahl und hoechster LHC Energie betr aegt ca. 350 Megajoule. Die Teilchenstrahlen bergen damit eine erhebliche Gefahr fuer die Maschine. Aus diesem Grund wurde das Beam Protection System konstruiert. Wenn der Strahl nur Bruchteile von seiner Sollumlaufbahn abweichen sollte, wird dies von den zahlreichen Strahlsensoren registriert. Das Beam Protection System berechnet daraufhin die n aechste "Ausfahrt" aus dem Hauptring und aktiviert zum richtigen Zeitpunkt die Kickermagnete, welche die Protonen aus den beiden Hauptringen leiten. Dieser Vorgang geschieht innerhalb von 3 Ringuml aeufen, was weniger als einer tausenstel Sekunde entspricht

Injektion und Extraktion

Strahlenkontrolle

Funktionweise Dipolmagnete

Damit sich die Teilchen auf einer Kreisbahn im Beschleuniger bewegen, werden Dipolmagnete eingesetzt. Ein solcher Magnet erzeugt ein homogenes Magnetfeld zwischen den Polen. Ein homogenes Feld zeichnet sich dadurch aus, dass seine Feldlinien parallel und gleichmaessig zueinander verlaufen. Wenn nun ein geladenes Teilchen durch ein solches Feld bewegt wird, entsteht eine Kraft, die senkrecht zu diesen Feldlinien und senkrecht zur Bewegungsrichtung der Ladung wirkt. Diese Kraft wird als Lorentzkraft bezeichnet. Die Ablenkrichtung der Lorenzkraft, haengt von der Richtung der Magnetfeldlinie, der Bewegungsrichtung der Teilchen (in Relation zur Ausrichtung der Feldlinien) und ihrer Ladung (negativ oder positiv) ab.

Quadrupolmagnet

Ein Quadrupolmagnet besteht aus vier Pole, von denen jeweils zwei gegenueberliegende, gleichpolig ausgerichtet sind. Quadrupolmagnete werden in der Beschleunigerphysik eingesetzt, um den Teilchenstrahl zu fokussieren. Diese Fokussierung ist notwendig, da die Teilchen sich gegenseitig durch die Coulombkraft abstossen und frueher oder spaeter gegen die Wand der Vakuumkammer fliegen wuerden. Ein Quadrupolmagnet wirkt dabei in Flugrichtung immer durch zwei gegenueberliegende Pole fokussierend, waehrend die anderen zwei Pole defokussierend wirken. Um eine radiale Fokussierung zu erreichen, werden mehrere Quadrupolmagnete, mit abwechselnder Polung, hintereinander angeordnet.

ATLAS

Atlas ist ein Detektor, welcher auf den Nachweis des Higgs-Bosons ausgelegt ist. Er ist 45m breit, 22m breit, 22m hoch und 7000 Tonnen schwer. Neben der dem Nachweis des Higgs-Bosons, soll er unter anderem auch Materie wie Leptonen und Quarks untersuchen. Dem ATLAS wird mit de, CMS ein weiterer Detektor zur Seite gestellt. Es wird versucht durch Untersuchung zerfallener Teilchen den Higgs-Mechanismus zu analysieren. Einen weiteren Forschungsschwerpunkt bildet die Vereinheitlichung der vier fundamentalen Wechselwirkungen zu einer Quantenfeldtheorie, die auch die Gravitation mit einbezieht. Am ATLAS-Detektor wird auch B-Physik betrieben, dabei wird der Zerfall von B-Mesonen und ihrer Antiteilchen beobachtet. Wenn sich dabei Unterschiede in den Wahrscheinlichkeiten fuer bestimmte Zerfallskan aele zwischen Teilchen und Antiteilchen zeigen, ist dies eine Verletzung der CP-Symmetrie. Diese Messungen erg aenzen und ueberpruefen oft Ergebnisse des LHCb-Experiments. Man hofft aber auch bisher unbekannte CP-verletzende Prozesse durch die Entdeckung neuer Teilchen zu finden. Der ATLAS Detektor besteht aus drei Hauptdetektorkomponenten, dem Inneren Detektor, dem Kalorimeter und dem Myonsystem.

Innerer Detektor

Der Innere Detektor besteht aus drei Subdetektoren. Der innerste Teil ist der ATLAS-Pixeldetektor mit vier Lagen Siliziumsensoren. Die Sensoren beginnen in einem Abstand von 32 mm um den Wechselwirkungsbereich der Strahlen herum und erlauben eine hohe Aufloesung der einzelnen Wechselwirkungspunkte. Um den Pixeldetektor herum schliesst sich ein Silizium-Streifendetektor an, der weitere Spurpunkte zur Bestimmung der Flugbahn liefert. Der uebergangsstrahlungsspurdetektor (Transition Radiation Tracker; TRT) ist der aeusserste Teil des inneren Detektors und registriert etwa 30 Spurpunkte pro durchgehendem ionisierenden Teilchen. Durch den Nachweis von uebergangsstrahlung kann ausserdem zwischen Elektronen und Hadronen unterschieden werden.

Kalorimetersystem

Das Kalorimetersystem besteht aus einem elektromagnetischen Kalorimeter und einem hadronischen Kalorimeter. Das gesamte elektromagnetische und Teile des hadronischen Kalorimeters benutzen fluessiges Argon als aktives Detektormaterial und wurden deshalb in insgesamt drei Kryostaten eingebaut. Das elektromagnetische Kalorimeter bestimmt Impuls und Energie von elektromagnetisch wechselwirkenden Teilchen. Der Wechselwirkungsquerschnitt ist dabei umgekehrt proportional zur Masse des geladenen Teilchens, weshalb vorrangig Elektronen-Photonen-Schauer detektiert werden. Das sich nach aussen hin anschliessende hadronische Kalorimeter bestimmt die Energie der Hadronen.

Myon-Detektoren

Es werden zwei verschiedene Myon-Detektoren eingesetzt. Das erste System (precision chambers) mit einer hohen Ortsaufloesung wird prim aer zur Bestimmung von Spurverlauf und Impuls der Myonen eingesetzt, das zweite wird prim aer zur Triggerung benutzt, das heisst zur schnellen Markierung von physikalisch interessanten Ereignissen mit Myonen. Die Myonen koennen getrennt von anderen Teilchen gemessen werden, da sie nicht an der starken Wechselwirkung beteiligt sind und wegen ihrer grossen Masse die Kalorimeter ungestoert durchqueren koennen.

CMS

Aufbau

Der CMS-Detektor kann in drei Teile eingeteilt werden: Der Inner Tracker aus Silizium-Detektoren, ein hochpraezises Spurvermessungssystem, zeichnet die Flubahnen der elektrisch geladenen Teilchen auf. Er besteht aus einem inneren Silizium-Pixel-Detektor und dem aeusseren Teil mit Silizium-Streifen-Detektoren. Dem Kalorimeter Bereich in dem neutrale und geladene Teilchen detektiert werden. Und dem aeusseren Ring mit den Myonendetektoren. Das ganze wird umschlossen vom L3-Magneten.

ALICE

ALICE ist optimiert, um Schwere-Ionen- (Pb-Pb-Kerne ) Kollisionen in einem Massenenergiezentrum von 2,76 TeV pro Nukleonpaar zu untersuchen. Die resultierende Temperatur- und Energiedichte wird voraussichtlich hoch genug sein, um Quark-Gluon-Plasmazu erzeugen, einen Zustand der Materie, in dem Quarks und Gluonen freigesetzt werden. aehnliche Bedingungen werden geglaubt, um einen Bruchteil der Sekunde nach dem Urknall vor Quarks und Gluonen zusammen gebunden haben, um Hadronen und schwerere Teilchen zu bildenALICE konzentriert sich auf die Physik stark interagierender Materie bei extremen Energiedichten. Die Existenz des Quark-Gluon-Plasmas und seine Eigenschaften sind Schluesselthemen in der Quantenchromodynamik fuer das Verst aendnis von Farbeingrenzung und chiraler Symmetriewiederherstellung. Es wird erwartet, dass die Wiederherstellung dieser urtuemlichen Form der Materie und das Verst aendnis ihrer Entwicklung Licht in die Frage bringen wird, wie Materie organisiert ist, den Mechanismus, der Quarks und Gluonen einschr aenkt und die Natur starker Wechselwirkungen und wie sie zur Erzeugung des Grossteils der Masse gewoehnlicher Materie fuehren. Die Quantenchromodynamik (QCD) sagt voraus, dass es bei ausreichend hoher Energiedichte einen Phasenuebergang von konventioneller Hadronenmaterie, bei der Quarks in Kernteilchen eingeschlossen sind, zu einem Plasma von abgeschotteten Quarks und Gluonen geben wird. Es wird angenommen, dass das Gegenteil dieses uebergangs stattgefunden hat, als das Universum gerade einmal 106 s alt war, und kann auch heute noch eine Rolle in den Herzen kollabierender Neutronensterne oder anderer astrophysikalischer Objekte spielen. n einem "traditionellen" Experiment werden Partikel durch die charakteristischen Signaturen, die sie im Detektor hinterlassen, identifiziert oder zumindest Familien (geladene oder neutrale Hadronen)zugeordnet. Das Experiment ist in einige Hauptkomponenten unterteilt, und jede Komponente testet einen bestimmten Satz von Partikeleigenschaften. Diese Komponenten werden in Schichten gestapelt und die Teilchen gehen sequenziell vom Kollisionspunkt nach aussen durch die Schichten: zuerst ein Tracking-System, dann ein elektromagnetisches (EM) und ein Hadronenkalorimeter und schliesslich ein Myonsystem. Die Detektoren sind in ein Magnetfeld eingebettet, um die Spuren geladener Teilchen zur Impuls- und Ladungsbestimmung zu biegen. Diese Methode zur Partikelidentifikation funktioniert nur fuer bestimmte Partikel und wird beispielsweise bei den grossen LHC-Experimenten ATLAS und CMSeingesetzt. Diese Technik eignet sich jedoch nicht fuer die Hadronenidentifikation, da sie es nicht erlaubt, die verschiedenen geladenen Hadronen zu unterscheiden, die in Pb-Pb-Kollisionen hergestellt werden. Ein Ensemble von zylindrischen Fassdetektoren, die den nominalen Wechselwirkungspunkt umgeben, wird verwendet, um alle Teilchen zu verfolgen, die aus dem heissen, dichten Medium fliegen. Das Inner Tracking System(ITS) (bestehend aus drei Detektorschichten: Silicon Pixel Detector (SPD), Silicon Drift Detector(SDD), Silicon Strip Detector(SSD)), die Time Projection Chamber(TPC) und der Transition Radiation Detector(TRD) messen an vielen Stellen den Durchgang jedes Teilchens mit einer elektrischen Ladung und geben genaue Informationen ueber die Flugbahn des Teilchens. Die ALICE Fassverfolgungsdetektoren sind in ein Magnetfeld von 0,5 Tesla eingebettet, das von einem riesigen magnetischen Magneten erzeugt wird, der die Flugbahnen der Teilchen biegt. Aus der Kruemmung der Bahnen kann man ihren Schwung ableiten. Das ITS ist so pr aezise, dass Teilchen, die durch den Zerfall anderer Teilchen mit einer langen Lebensdauer von 1 mm vor dem Zerfall erzeugt werden, identifiziert werden koennen, wenn man sieht, dass sie nicht von dem Punkt stammen, an dem die Wechselwirkung stattgefunden hat (der "Scheitelpunkt" des Ereignisses), sondern von einem Punkt in einem Abstand von nur einem Zehntel Millimeter

LHCb

Das LHCb-Experiment (fuer Large Hadron Collider beauty) ist eines von sechs Experimenten am Large Hadron Collider am CERN. LHCb ist unter anderem spezialisiert auf die Untersuchung von Zerf aellen von Hadronen, die ein bottom- oder charm-Quark enthalten. B-Mesonen werden vor allem durch Prozesse der starken Wechselwirkung erzeugt. Dabei werden ein b-Quark plus ein b-Antiquark zusammen erzeugt. Messungen zu neutralen B-Mesonen erfordern die Kenntnis, ob zum Zeitpunkt der Erzeugung ein b-Quark oder b-Antiquark vorlag. Dazu werden die Zerfallsprodukte beider B-Mesonen im Ereignis untersucht. Bei Erzeugung eines b-Quarks in Richtung der Strahlachse ist die Wahrscheinlichkeit maximal, dass auch das Partnerteilchen in diese Richtung fliegt. Dies erkl aert die Geometrie des LHCb-Detektors, der als Vorw aertsspektrometer aufgebaut istB-Mesonen haben eine sehr kurze Lebenszeit und zerfallen bereits nach wenigen Millimetern Flugstrecke. Mit dem VELO-Detektor ist eine genaue Positionsbestimmung des Zerfallsorts moeglich und die Teilchenspuren im Detektor lassen sich ihrem Ursprungsort zuordnen. Direkt hinter dem VELO-Detektor befindet sich der RICH-1-Detektor. Es handelt sich um einen Ring-imaging Cherenkov detector, in dem aus der Tscherenkow-Strahlung geladener Teilchen beim Durchgang durch ein optisch dichtes Medium die Geschwindigkeit der Teilchen ermittelt werden kann. Das Tracking-System besteht aus den Siliziumdetektoren des Tracker Turicensis vor dem Magneten und den Drahtkammern (Straw-Detektor) des Outer Tracker bzw. den Siliziumdetektoren des Inner Tracker hinter dem Magneten. Damit kann die Flugbahn der Teilchen ermittelt werden (tracking) – man kann die Spuren vor dem Magneten den Spuren hinter dem Magneten zuordnen und erh aelt ueber den Ablenkwinkel darin eine Messung des Teilchenimpulses. Den letzten Teil des Detektors bilden die Myon-Kammern: Diese sind speziell auf den Nachweis von Myonen ausgelegt, die bei einigen wichtigen Zerf aellen im Detektor entstehen.

Elementarteilchen

Materie (von lateinisch materia, Stoff) ist in den Naturwissenschaften eine Sammelbezeichnung fuer alles, woraus physikalische Koerper aufgebaut sein koennen, also chemische Stoffe bzw. Materialien, sowie deren Bausteine. Die Beschreibung der Zusammensetzung, Struktur und Dynamik von Materie in ihren verschiedenen Formen ist eine zentrale Zielsetzung der Physik.

Im der eingsten Beudeutung um fasst die Materie heute alle Elementarteilchen mit dem Spin 1/2, darunter fallen quarks und Leptonen, sowie alle daraus aufgebauten Objekte wie atome Molekuele, fluessige, feste und gasfoermige Materie. Diese kleinen Bausteine werden im Standartmodell der Elementarteilchen beschrieben. Das Standartmodell wird in der Familien von Leptonen und drei Familien von Quarks gegliedert. Die Leptonen bestehen aus dem Elektron, Myone und dem Tau, sowie dem jeweligen zugegoehrigen Neutrino.

KLeinste Teilchen

Neutrinos

Die Neutrinos sind elektrisch neutrale Elementarteilchenmit sehr gringer Masse. Im Standardmodell der Elementarteilchenphysik existieren drei Arten (Generationen) von Neutrinos: Elektron-, Myon- und Tau-Neutrinos. Jeder dieser Neutrino- Generationen besteht aus dem Neutrinos Selbst und zusaetzlich noch aus einem Anti-Neutrino. Erstmals wurde das Neutrinos in verbindung mit einem Neutrino entdeckt. Sie verhalten sicher anders als alle anderen Elementarteilchen, da sie eine sehr schwache Wechselwirkung mit Materie eingehen. Die Leptonen besitzen eine negative Ladung -1, das Anti-Neutrino jeder Generationen hat hingegen keine Ladung beziehungsweise es ist elektrisch neutral. 1920 hat man sich mit dem radioaktiven Zerfall befasst und ist dabei auf ein Zweikoerperbrolem gestossen. Bei dem Beta Minus Zerfall wird ein Neutron in ein Proton und einem Elektron gespalten. Bei einer genaueren Analyse bemerkte mna, dass der Energieerhaltungssatz nicht mehr galt. Man stellte die Vermutung am , das ein Teilchen existiert das die restliche Energie enthaelt. Diese Vermutung wurde dann auch spaeter bestaetigt. ueber das W Boson wird das Neutron in Elektron und ein Elektron-Antineutrino gespalten. Hinzu kommen noch 6 Antiteilchen.

Nach neueren Erkenntnissen koennen sich Neutrinos ineinander umwandeln. Das fuehrt zu einer Beschreibung der Neutrino-Arten als drei verschiedene Zustaende v 1, v 2 und v 3 , die jeweils eine andere, scharf bestimmte (aber noch unbekannte) Masse haben. Die beobachtbaren Elektron-, Myon- und Tau-Neutrinos benannt nach dem jeweiligen geladenen Lepton, mit dem zusammen sie auftreten sind quantenmechanische ueberlagerungen dieser drei Masseneigenzustaende. Der Zusammenhang zwischen den Flavour-Eigenzustaenden ( v e , v u, v t ) und den Massen-Eigenzustaenden (v 1 , v 2 , v 3 ) wird durch eine Mischungsmatrix dargestellt, die PMNS-Matrix.Zuerst wurden Neutrinos genutzt, um das Innere der Sonne zu erforschen. Die direkte optische Beobachtung des Kerns ist aufgrund der Diffusion elektromagnetischer Strahlung in den umgebenden Plasmaschichten nicht moeglich. Die Neutrinos jedoch, die bei den Fusionsreaktionen im Sonneninneren in grosser Zahl entstehen, wechselwirken nur schwach und koennen das Plasma praktisch ungehindert durchdringen. Ein Photon benoetigt typischerweise einige 1000 Jahre, bis es an die Sonnenoberflaeche diffundiert; ein Neutrino benoetigt dafuer nur einige Sekunden. Spaeter nutzte man Neutrinos auch zur Beobachtung von kosmischen Objekten und Ereignissen jenseits unseres Sonnensystems. Sie sind die einzigen bekannten Teilchen, die von interstellarer Materie nicht deutlich beeinflusst werden. Elektromagnetische Signale koennen von Staub- und Gaswolken abgeschirmt werden oder aber bei der Detektion auf der Erde von kosmischer Strahlung ueberdeckt werden: Ebenfalls eine wichtige Rolle spielen Neutrinos bei der Beobachtung von Supernovae, die etwa 99 % ihrer Energie in einem Neutrinoblitz freisetzen. Die entstandenen Neutrinos lassen sich auf der Erde nachweisen und geben Informationen ueber die Vorgaenge waehrend der Supernova.

Quarks

Quraks sind ein elementarer Buastein im Standartmodell der Teilchenphysik, aus denen Hadronen wie zum Beispiel Protonen und Neutronen bestehen. Sie haben die Spinzahl 1/2 und gehoeren somit zu den Fermionen. Betrachtet man die Quarks mit den Lebtonen und den Eichbosonen bilden sie alle zusammen die fundamentale Bausteine der Materialien

Zu allen Quarks gibt es ein Antiteilchen mit entgegengesetzter elektrischer Ladung. Diese Antiteilchen werden Antiquarks genannt. Nur die Quarks der ersten Generation bilden Nukleonen und somit die normale Materie. Die Bestandteile der Atomkerne, die Protonen und Neutronen, setzen sich aus Down-Quarks und Up-Quarks zusammen. Quarks unterliegen, im Unterschied zu den Leptonen, allen Grundkraeften der Physik:
Starke Wechselwirkung
Schwache Wechselwirkung
Elektromagnetische Wechselwirkung
Gravitation

Feynman-Diagramm einer tief-inelastischen Streuung eines Leptons (l) an einem Hadron (h) Das virtuelle Photon (γ*) schlaegt aus dem Hadron ein Quark (q) heraus. Der experimentelle Nachweis solcher Streu-Ereignisse zeigt, dass Protonen aus anderen Teilchen zusammengesetzt sind.Quarks tragen eine Ladung, die man Farbladung nennt. Die Farbladung kann die drei Werte rot, gruen und blau annehmen. Wenn drei Quarks mit je einem dieser drei Werte zusammenkommen, dann ist das daraus entstehende Objekt farblos. Mit den aus dem Alltag bekannten Farben hat die Farbladung nichts zu tun. Antiquarks tragen entsprechend die Farbladung antirot, antigruen oder antiblau. Die Confinement-Hypothese besagt, dass nur farblose Zustaende isoliert existieren koennen. Diese Annahme wurde aufgestellt, nachdem man einzelne Quarks nie isoliert beobachten konnte. Sie sind immer in Hadronen gebunden. Bei Baryonen sind sie als Kombinationen aus drei Quarks eingebunden. Bei Antibaryonen sind es drei Antiquarks. Mesonen bestehen dagegen aus jeweils einem Quark und einem Antiquark. Theoretisch koennten auch andere farblose Zustaende existieren. Beispiele waeren vier Quarks und ein Anti-Quark (ein Pentaquark) oder zwei Quarks in Kombination mit zwei Antiquarks. Ob solche Objekte tatsaechlich existieren, ist Gegenstand aktueller Forschung. Die elektrische Ladung der Quarks ist entweder −1/2 oder +2/3 der Elementarladung. Da nur farblose Zustaende isoliert existieren duerfen, sind nur gebundene Zustaende solcher (Anti-)Quark-Kombinationen – (Anti-)Baryonen – oder Quark-Anti-Quark-Kombinationen – Meson – zulaessig, die ganzzahlige Ladungen aufweisen. Experimentell (z. B. Millikan-Versuch) gibt es keine Hinweise auf gebrochene Ladungen isolierter Teilchen. Die drittelzahligen Ladungen der in Hadronen gebundenen Quarks lassen sich aber eindeutig aus Streuexperimenten ableiten.

Higgsteilchen

Durch die zweite Quantisierung wird in der Physik der anschauliche Gegensatz zwischen Teilchen und Wellen aufgehoben, ein Teilchen wird als angeregter Zustand des entsprechenden Quantenfeldes dargestellt. Demnach entspricht das Higgs-Boson einer quantenmechanischen Anregung des Higgs-Feldes, die sich als nachweisbares Teilchen aeussert. Bildhaft ausgedrueckt entspricht das Higgs-Feld einer Violin- oder Gitarrensaite, als schwingungsfaehigem System mit Grundzustand und Vibrationen. In diesem Bild entspricht das Higgs-Boson dem Vibrationsmuster der Saite, die durch bestimmte Energiezufuhr in charakteristische Schwingung versetzt und damit angeregt wurde. Dies ist bei einer Saite als Ton einer bestimmten Tonhoehe hoerbar. Genau dieses In-Schwingung-Bringen der Saite geschieht aufgrund der erforderlichen sehr hohen Energien erst bei Kollisionen in Hochenergie-Teilchenbeschleunigern. Mit dem Nachweis des Higgs-Bosons wurde auch der Nachweis fuer das zugrunde liegende Higgs-Feld erbracht. Das Higgs-Boson ist fuer die Teilchenphysik vor allem deshalb so wichtig, weil seine Existenz vom Higgs-Mechanismus, einem festen Bestandteil des Standardmodells, vorhergesagt wird. Die fuer das Standardmodell grundlegende Eichtheorie erfordert aus mathematischen Gruenden, dass die Eichbosonen, die die Wechselwirkungen zwischen anderen Teilchen hervorbringen, selbst Teilchen ohne Masse sind. Das ist beim Eichboson der elektromagnetischen Wechselwirkung, dem Photon, und bei den Eichbosonen der starken Wechselwirkung, den Gluonen, wirklich gegeben, bei den Eichbosonen der schwachen Wechselwirkung, den W- und Z-Bosonen, aber nicht. Diese haben eine verhaeltnismaessig grosse Masse, welche die kurze Reichweite verursacht, die die schwache Wechselwirkung im Verhaeltnis zur elektromagnetischen Wechselwirkung so schwach erscheinen laesst. Der Higgs-Mechanismus zeigt, dass die in der urspruenglichen Gleichung der Theorie masselosen W- und Z-Bosonen in allen weiteren Gleichungen so erscheinen koennen wie Teilchen mit einer bestimmten Masse. Dazu muss man sie mit einem weiteren physikalischen Feld in Wechselwirkung treten lassen, dem eigens hierfuer eingefuehrten Higgs-Feld. Die elementaren Anregungen des Higgs-Felds sind die Higgs-Bosonen. So ermoeglicht der Higgs-Mechanismus, eine grundlegende Eichtheorie aufzustellen, in der die elektromagnetische und die schwache Wechselwirkung zur elektroschwachen Wechselwirkung vereinheitlicht sind. Durch ihre Wechselwirkung mit dem Higgs-Feld werden dann auch die Massen der fermionischen Elementarteilchen (Quarks und Leptonen) erklaert.

Zwei Gluonen erzeugen je ein Top/Antitop-Quark-Paar, die zu einem Higgs-Boson kombinieren

Zwei Quarks emittieren W- oder Z-Bosonen, die zu einem Higgs-Boson kombinieren

Der Zerfall eines Higgs-Bosons in zwei Photone

Der Zerfall eines Higgs-Bosons in vier elektrisch geladene Leptonen