CERN’ed: LHC – Von der Flasche zum Karussell

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Ein paar Daten in Kürze:1

  • Umfang: 26,7 km
  • Tiefe: 50 bis 175 m
  • Strahlrohr: 46 x 37 mm
  • Magneten: ~1600 á 23 t und 14 m Länge
  • Magnetfeld: 8,3 T
  • Stromverbrauch: 1200 Mio kWh2
  • Baukosten: 1,6 Milliarden Euro

Wer jetzt eine Abhandlung über den Alkoholkonsum im CERN erwartet, den muss ich leider enttäuschen. Wenn ein Physiker in Gesellschaft aufheiternde Getränke zu sich nimmt, dann sind diese schwarz, bitter und mit viel Koffein versetzt, dafür aber ohne Alkohol. Auch am CERN ist das Getränk der Wahl der Kaffee. Wie ich letztens festgestellt habe, gibt es dort sogar Automaten, bei denen man einmal 0,50 CHF einwerfen muss und bekommt die ganze Nacht soviel Kaffee wie man will. Aber darum gehts hier nicht.

Beispiel der Protonenquelle im CERN (die echte ist im Kasten dahinter, sieht aber genauso aus) Es geht hier um das abgefahrene Leben eines Protons im CERN, von der Geburt über die Pubertät bis hin zur innigen Verschmelzung mit einem anderen Proton3 und der Zeugung von ganz vielen anderen Teilchen. Der LHC ist dabei nämlich nur ein, zugegebenermaßen großes Rädchen in der Maschinerie des Riesenmegasuperduperbeschleunigers.

Der Weg des Teilchens beginnt in einer Protonenquelle. Diese Quelle ist für LHC und alle anderen Beschleuniger, die irgendetwas mit Protonen machen wollen, eine kleine rote Flasche, gefüllt mit Wasserstoff für ein Jahr. Dem Wasserstoff wird das Elektron der Atomhülle abgenommen, so dass nur noch das Proton übrig bleibt und schon kann die Reise losgehen.

Der erste Vorbeschleuniger: Linac2 Nun wird angefangen zu beschleunigen, erst auf einer Geraden (Linac2), dann weiter in einem kleinen Kreis (PSB – Proton Synchrotron Booster). Die Protonen sind jetzt schnell genug, um in den ersten Synchrotron geleitet zu werden.

An dieser Stelle kurz das Konzept eines Synchrotron: Das Ziel ist es, ein Teilchen auf hohe Geschwindigkeiten zu bekommen und dann irgendetwas mit ihnen zu machen. Der Prozess dauert eine gewisse Zeit und ist ziemlich aufwendig, vor allem wenn man sehr schnell werden will. Denn beschleunigt werden kann nur auf gerader Strecke. Lenkt man die Teilchen (die in Paketen, sog. Bunches, gesammelt werden) nun auf eine Kreisbahn, so kommen sie zumindest einmal pro Umlauf an der Beschleunigungsstrecke vorbei und man gewinnt pro Umlauf etwas mehr an Geschwindigkeit.

Damit man aber nicht den ganzen Platz im Ring, der nicht durch Teilchen besetzt ist, ungenutzt lässt, sammelt man sie, wartet bis alle die mit wollen eingestiegen sind und beschleunigt erst dann weiter. Dabei muss man natürlich darauf achten, nicht zu viele rein zu stopfen, sonst kann man nicht mehr kontrolliert einzelne Teilchenpakete steuern.

Beschleunigerstufen:

Gut, wir wissen jetzt, was ein Synchrotron ist, das kleinste der größten davon im CERN ist das PS (Proton Synchrotron). Von hier aus gibt es schon viele Abzweigungen zu Experimentplätzen. Will man aber noch mehr Energie haben, muss man die Protonen ins SPS (Super Proton Synchrotron) schicken.
Da Physiker Nimmersatts sind, wollen sie noch mehr. Die nächste Stufe ist jetzt das SEPS (Super Extreme Proton Synchrotron) der LHC, quasi der letzte Gang im Teilchenbeschleunigergetriebe. Für die ganz hohen Geschwindigkeiten und so. Und um nochmal zusätzlichen Bumms zu bekommen, werden die Protonen nicht nur in eine Richtung durch den Tunnel geschickt sondern parallel dazu auch noch in die andere Richtung, sodass sie nun mit doppelter Energie gegeneinander prallen.4

Wie man sich leicht vorstellen kann, dauert dieser Vorgang länger als eine streunende Katze mit einem Besen zu verscheuchen. Zuerst wird der PS gefüllt, dann beschleunigt. Dann wird der SPS befüllt, beschleunigt und schließlich LHC befüllt und beschleunigt. Bis man den LHC mal mit Protonenpaketen vollgepackt und auf Endgeschwindigkeit beschleunigt hat vergehen ein paar Stunden5 in denen die anderen Experimente warten müssen. Dafür hat man dann aber auch 10-12 Stunden lang einen Strahl, der noch fein genug ist, um bei Kollisionen der Protonenwolken auch genügend kollidierende Teilchen zu erhalten.
Bei diesen Kollisionen treffen übrigens etwa 20 Protonen aus einem Paket von 1011 Protonen auf 20 Protonen eines gegenläufigen Paktes. Und das alle 25 Nanosekunden – denn so lange dauert es, bis das nächste der 2.808 Pakete vorbeikommt. Also ganz schön viel. Kein Wunder also, dass man da auf der Suche nach effizienten und mächtigen Auswertungsmechanismen ist.

Wem das jetzt alles ein wenig zu technisch ist mit den Protonen und den eV, dem kann ich hier noch etwas handfesteres bieten. Eine anschauliche Umrechnung der Energie, die hinterher in einem vollbesetzten LHC-Ring steckt, ergibt: Eine startende Boeing 747 (300 t, 300 km/h) kommt auf 1000 MJ, im LHC sind etwa 750 MJ gespeichert. Nur dass die Boeing um einiges größer ist und die Energie im Strahl auf den Bruchteil der Masse eines Sandkorns verdichtet ist.
Deswegen gibt es an 6 Stellen im LHC die Beam Dumps, das sind kleine Hallen die mit riesigen (7×0,7 m), wassergekühlten Graphitblöcken bestückt sind. Fängt der Strahl nun an, über ein gewisses Maß6 auseinander zu laufen, zieht man die Notbremse und schickt ihn auf die Müllhalde. Einfach ausschalten geht nämlich nicht, zum einen würde viel zu viel Kaputt gehen, wenn der Strahl die Magneten beschädigt (oder noch schlimmer die Experimente). Zum anderen Steckt alleine in den Magneten ein Energieäquivalent von 2,4 Tonnen TNT, es ist also auch nicht gerade ungefährlich.

Morgen geht es dann weiter mit den Experimenten, die dem LHC angegliedert sind.

Quelle der Fotos: 1-3 ich, 4: CERN-Seite

  1. Für die Datenfreaks gibt es hier noch mehr Zahlen zum LHC: Datasheet []
  2. das entspricht dem Stromverbrauch von etwa 400.000 Zweipersonenhaushalten, Quelle []
  3. Im LHC werden übrigens nicht nur Protonen beschleunigt, auch schwere Ionen wie z.B. Blei []
  4. kann sich jeder leicht vorstellen: Es ist besser, mit dem Auto in ein stehendes zu fahren, als in den Gegenverkehr. Noch besser ist es natürlich, gar nicht in andere Autos zu fahren. []
  5. ich meine mich an 2 Stunden erinnern zu können, weiß es aber leider nicht mehr genau. Und dazu gefunden habe ich auch nichts []
  6. Keine Sorge, dieses Maß ist noch weit davon entfernt, dass der Strahl an die Rohrwand trifft und Sachen kaputt macht []
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7 Antworten auf CERN’ed: LHC – Von der Flasche zum Karussell

  1. Basti sagt:
    #1

    Mit den 1600 Magneten sind dabei jetzt aber nur die Dipolmagneten gemeint. Es gibt auch noch eine Unmenge von Quadrupol-, Sextupol-, Oktupol- (usw.) Magneten, die auch ihre eigene Aufgabe erfüllen.

    Wenn der LHC mal grade ausgeschaltet ist, kann man den dann nicht als Kaffee-Pipeline verwenden? Ist nur blöd dass das alles eigentlich gekühlt wird, und nicht aufgeheizt. Aber das kann man ja bestimmt leicht abwandeln.

  2. André sagt:
    #2

    Jo, wir nehmen einfach die Kühlung hoch -1, dann passt das.

    Das mit den 1600 waren, wie ich das verstanden hab, schon alle Magneten. Jedenfalls sinds knapp 1300 Dipolmagneten. Aber wahrscheinlich hast du recht und es sind noch einige mehr. Werde demnächst nochmal nachschauen.

  3. Basti sagt:
    #3

    Jetzt weiß ich auch nicht mehr. Diese Quelle berichtet von 1232 Dipolmagneten und 9300 Magneten insgesamt. Wird schon irgendwie so sein. Wir haben bestimmt einfach beide recht.

  4. Andi sagt:
    #4

    Vielleicht multiplizieren die die Anzahl der jeweiligen Magnete mit ihrer *poligkeit. Also Di- = *2, Quadru- = *4 – usw!
    So wirds sein!
    Außerdem wird in Katzenhaareinheiten^-1 gerechnet. Natürlich normiert auf natürliche Einheiten. Eh klar.

  5. blu_frisbee sagt:
    #5

    Werden da jetzt Blei_ionen_ beschleunigt oder gleich Blei_kerne_?
    Falls ersteres, mit wievielen Restelektronen und falls zweiteres,
    wie kriegt man die hergestellt?

  6. Andi sagt:
    #6

    Es werden natürlich Bleiionen beschleunigt, ganze Bleikerneatome zu beschleunigen wäre relativ schwer.
    Wieviele Elektronen die dann noch haben? Ich habe überhaupt keine Ahnung!

  7. Basti sagt:
    #7

    Es werden tatsächlich Bleikerne beschleunigt, also 82-fach positiv geladenes Blei. Es ist heutzutage kein Problem mehr, mit Stripper-Folien Elektronen von Atomen wegzunehmen, soviel man will. Das sind einfach dünne Metall-Folien. Wird das Atom darauf geschossen, bleiben die Elektronen dran hängen und das Ion (der Kern) fliegt weiter.
    Hab auch eine Quelle gefunden, steht gleich im ersten Satz:
    https://edms.cern.ch/file/445882/5/Vol_1_Chapter_21.pdf

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