Das Konzept Der Speicherringe („colliding-beam“

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e g n i r r ) e e t h n c i e e p erim S r p e x d E t p “ e m z a n e o b K g s Da llidin o c „ ( Kapitel 12 Colliding-beam-Experimente ƒ Ab 1960 Æ ersten colliding-beam-Experimente ƒ vor allem e+-e- Speicherringe (zwei getrennten Ringen oder im gleichen Ring) ƒ wohldefinierte Wechselwirkungszonen Æ Detektorsystemen ƒ Heute: Elektronen, Positronen, aber auch Protonen, Antiprotonen und schweren Ionen ƒ Speicheringe sind synchrotronartige Beschleuniger, die mit einem zeitlich konstanten Magnetfeld betrieben werden. Kapitel 12: Colliding beam Experimente K.Poljanc Luminosität ƒ Luminosität L ist ein Maß für die Qualität des Strahls ƒ Die Luminosität charakterisiert den . Zusammenhang zwischen der Ereignisrate N D (Einheit: s-1) in einem Detektor und dem Wirkungsquerschnitt σ (Einheit: cm2) der untersuchten Reaktion: dN D = Lσ =R dt Kapitel 12: Colliding beam Experimente K.Poljanc Streuexperiment ƒ extrahierter Strahl auf ein externes Target ƒ L = N NA Einheit: cm-2s-1 . P ƒ ƒ . NP NT A T Zahl der Projektile pro Zeiteinheit Zahl der Targetteilchen pro Flächeneinheit N1 N 2 ƒ Colliding-beam-Experiment A ƒ N1, N2 ..... Anzahl der Teilchen in Strahl 1 bzw. 2 ƒ n ..... Zahl der Pakete ƒ σ ..... Wirkungsquerschnitt für die Reaktion ƒ L ..... Luminosität ƒ f ..... Umlauffrequenz ƒ A ..... Querschnitt der sich überlappenden Strahlen L = f ⋅n Kapitel 12: Colliding beam Experimente K.Poljanc Luminosität Collider Np A Np ⎛ NP ⎞ ⎟⎟ ⋅ N P L ∝ f ⋅ n ⋅ ⎜⎜ ⎝ A ⎠ ƒ Um große Reaktionsraten R = σ .L zu erhalten, sollten: ƒ N1 und N 2 groß sein, was allerdings durch die Wechselwirkung der Teilchen im Paket untereinander begrenzt wird, und ƒ A klein sein, was durch die Strahl-Strahl-Wechselwirkung begrenzt wird. ƒ Typische Werte: L = 1032 cm-2s-1 (Cornell, FNAL), angestrebt für LHC: L = 1034 cm-2s-1 Kapitel 12: Colliding beam Experimente K.Poljanc Lepton vs. Hadronkollisionsmaschinen ƒ Leptonen sind Fundamentalteilchen (keine Sub-Struktur) ƒ ƒ ƒ ƒ e-, e+, μ-, μ+, τ-, τ+ und Neutrinos (nur e-, e+ wegen Erzeugung). Stossparameter in der Kollision sind genau definiert. Hohe Präzision bei Auswertung da Ausgangsparameter gut bekannt. “Präzisionsmessmaschinen” ƒ Hadronen haben Sub-Struktur (Quarks, Gluonen) ƒ p+ (uud Quarks + Gluonen). ƒ Es kollidieren einzelne Quarks, effektive Reaktionsenergie wird verringert. ƒ Stossparameter schlecht bekannt, geringere Präzision. Kapitel 12: Colliding beam Experimente K.Poljanc 12.1 Colliding-Beam-Experiment mit einem Linearbeschleuniger ƒ In einem Linearbeschleuniger wird das ständige Umpolen der elektrischen Felder der Beschleunigerstrecken ausgenutzt, um dort Teilchenund Antiteilchenpakete (mit entgegengesetzten elektrischen Ladungen) zu beschleunigen, z.B. Elektronen und Positronen ƒ Æ zur Kollision gebracht ƒ Teilchenpakete können nur einmalig genutzt werden (Beispiel: SLC). Kapitel 12: Colliding beam Experimente K.Poljanc 12.2 Colliding-Beam-Experiment mit zwei Linearbeschleunigern ƒ Studien für zukünftige TeV e+e- Kollisionsmaschinen ƒ Teilchenpakete in entgegengesetzter Richtung beschleunigt und zur Kollision gebracht ƒ In Planung: TESLA (= TeV-Energy Superconducting Linear Accelerator) ƒ supraleitender linearer Beschleuniger für TeraElektronenvolt-Energien ƒ 33 Kilometer langer, supraleitender Linearbeschleuniger • Elektronen + Positronen Æ Stoß • Physik der Struktur der Materie • Entstehung der Materie und des Universums ƒ Zukunftsprojekt zwischen Hamburg-Bahrenfeld bis an die Nordgrenze des Kreises Pinneberg in SchleswigHolstein Kapitel 12: Colliding beam Experimente K.Poljanc TESLA, Testanlage 2003 Kapitel 12: Colliding beam Experimente K.Poljanc 12.2.1 Single-Ring-Colliders ƒ entgegengesetzte elektrische Ladung ƒ gleiche Masse von Teilchen und Antiteilchen ƒ in den elektrischen Beschleunigungsstrecken entgegengesetzt beschleunigt ƒ in einer Beschleunigerröhre zirkulieren ƒ Orten der Kollisionen = Detektoren ƒ Elektron-Positron-Collider: z.B. LEP am CERN mit den Experimenten Aleph, Delphi, Opal und L3 ƒ Proton-Antiproton Collider: z.B. Tevatron am Fermilab mit den Experimenten CDF und Dzero. Am Tevatron wurden das Top und das Bottom Quark entdeckt. Kapitel 12: Colliding beam Experimente K.Poljanc Quarks Kapitel 12: Colliding beam Experimente K.Poljanc Elektron-Positron-Collider ƒ LEP, CERN Kapitel 12: Colliding beam Experimente K.Poljanc ƒ KEK, Japan ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ 1.54 GeV injector linac Construction start in 1993 33 MeV/m multi-bunch beam of 20 bunches had been demonstrated in 1994 to 1996 period completed in 1996 Kapitel 12: Colliding beam Experimente K.Poljanc 12.2.2 Twin-Ring-Colliders ƒ Hier benötigt man auf Grund der unterschiedlichen Masse oder gleichen elektrischen Ladung zwei Beschleunigerröhren ƒ Jeder Teilchenstrahl wird in einer separaten Röhre beschleunigt, an manchen Stellen werden die Röhren gekreuzt und dort die Teilchen zur Kollision gebracht. (Beispiele: HERA, LHC) ƒ Übersicht: http://www-spires.slac.stanford.edu/find/explist.html Kapitel 12: Colliding beam Experimente K.Poljanc ƒ Kollision (aus der Sicht des Protonenstrahls) ƒ inneren konzentrischen Kreise geben die Lage der Detektoren an, die Punkte die Events ƒ äußeren Balken zeigen die absorbierte Energie an. Kapitel 12: Colliding beam Experimente K.Poljanc