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Vorwort
Willkommen auf lhc-facts.ch
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LHC-Facts erlaubt Ihnen einen detaillierten Einblick in die komplexeste Maschine der Welt - dem Large Hadron Collider (LHC). Im Newsbereich finden Sie die aktuellsten Meldungen über die Entwicklung des Beschleunigers und die neusten physikalischen Erkenntnisse. Durch die integrierten Vistarseiten, welche ca. alle 10 Sek. aktualisiert werden, können Sie den LHC Betrieb live mitverfolgen. Ebenfalls im Newsbereich eingebunden ist das Mitteilungssystem „LHC-Announcer“, eine elektronische Stimme, welche die Wissenschaftler im Kontrollraum jederzeit über wichtige Änderungen der LHC-Parameter informiert.
Die neusten Meldungen können Sie auch über  verfolgen.
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LHC Status (live)
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Was läuft gerade beim LHC? Typische LHC-Vistarseite . (Reload ca. 10 Sek.) |
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Einleitung |
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Die Forschungsschwerpunkte der Teilchenphysik beschäftigen sich
mit der Erforschung grundlegender physikalischer Gesetze, die
über die elementaren Bausteine der Materie und der Struktur von
Raum und Zeit herrschen. Die Inbetriebnahme des LHC, dem Large
Hadron Collider, eines der grössten und globalen
wissenschaftlichen Projekte aller Zeiten, markiert einen Wendepunkt
in der Teilchenphysik. Proton-Proton und Bleiionen-Zusammenstösse mit
einer noch nie dagewesenen Energie könnten in den kommenden
Jahren ganz neue Einblicke eröffnen und möglicherweise
einige der fundamentalen Fragen der modernen Physik beantworten, wie
z.B. den Ursprung der Materie, die einheitliche Behandlung der
fundamentalen Kräfte, neue Formen der Materie und
zusätzliche Dimensionen von Raum und Zeit.
Zu Beginn des 20. Jahrhunderts waren die Wissenschaftler der
Meinung, die meisten fundamentalen Prinzipien der Natur verstanden
zu haben. Jedoch beginnend mit Einsteins Relativitätstheorie,
welche die Newton’sche Mechanik ersetzte, wurde den Wissenschaftlern
klar, dass ihr Wissen weit von jeglicher Vollständigkeit
entfernt war. Das spezielle Interesse galt dem wachsenden Bereich
der Quantenmechanik, die die Grundlagen der Physik vollständig
veränderte.
Mit Beginn der ersten Kollisionsexperimente fand man heraus, dass
Atome bei weitem nicht als elementare Bausteine der Natur verstanden
werden konnten, sondern dass sie aus noch kleineren Bestandteilen
bestehen. Ein ganzer Teilchen-Zoo wurde durch die Kollisionsphysik
entdeckt. Die Gesetzmässigkeiten dieser Teilchen blieb den Physikern
aber lange Zeit ein Rätsel.
Mit der Quark-Theorie von M. Gell-Mann und G. Zweig konnten nicht
nur die Gesetzmässigkeiten in diesem Teilchen-Zoo beschrieben
werden, sondern auch sehr viele bis dato unbekannte Teilchen
vorhergesagt werden, welche in späteren
Beschleunigerexperimenten nachgewiesen werden konnten. Seit nunmehr
über 30 Jahren ist dadurch schrittweise eine Theorie entstanden, die
auf den Gesetzen der speziellen Relativitätstheorie und der
Quantentheorie basiert, und heute als das „Standardmodell der
Teilchen und Wechselwirkungen“ bezeichnet wird.
Doch obwohl das Standardmodell (SM) nahezu alle bisherigen
teilchenphysikalischen Beobachtungen erklären kann, reicht es
nicht aus, um unsere Welt vollständig zu beschreiben. So ist es
weder in der Lage die gravitative Wechselwirkung zu beschreiben,
noch die drei anderen Grundkräfte (starke Wechselwirkung,
schwache Wechselwirkung, elektromagnetische Kraft) in einer einzigen
Theorie zu vereinen. Ausserdem folgen bestimmte freie Parameter
nicht aus der Theorie selbst, sondern müssen experimentell
bestimmt werden.
Ein weiteres Problem des Standardmodells ist, dass die Teilchen,
welche die Theorie bisher vorhergesagt hat, eigentlich keine Masse
haben dürften. Dies deckt sich aber in keinster Weise mit der
Beobachtung. Alleine die Masse des Top-Quarks, entspricht fast
derjenigen eines Goldatoms. Dieses schwerwiegende Problem könnte
durch den Higgs-Mechanismus gelöst werden, aus dem ein weiteres
hypothetisches Teilchen hervorgeht - das Higgs-Boson. Dessen genaue
Masse geht allerdings nicht aus der Theorie hervor, sondern
entspricht ebenfalls einem freien Parameter, welcher experimentell
gemessen werden muss. Im Jahr 2012 konnte erstmals das Higgsteilchen bei einer Masse von 126 GeV mit dem LHC nachgewiesen werden.
Heute existieren viele alternative Modelle, die auf dem
mathematischen Fundament des Standardmodells basieren, es aber
derart erweitern, dass dadurch eine Vereinigung der drei
Grundkräfte möglich wird (Grand Unification Theory). Andere
Modelle unterscheiden sich, durch die Annahme zusätzlicher
Dimensionen fundamental von der Mathematik des Standardmodells, so
z. B. die Stringtheorie. Doch welches Modell beschreibt die Natur am
besten?
Um diese Frage zu beantworten, müssen aus einer Theorie
Vorhersagen hervorgehen, welche experimentell gemessen werden
können. Das Problem - viele Theorien der heutigen Teilchenphysik
liefern Vorhersagen, die ausserhalb des Energiebereichs bisheriger
Teilchenbeschleuniger liegen. Mit dem LHC wurde ein Beschleuniger
entwickelt, mit dem die Physiker Zugang zu diesem unbekannten
Energiebereich erhalten und dadurch viele Theorien bestätigt
oder widerlegt werden könnten.
Was immer mit dem LHC entdeckt werden wird, die Teilchenphysik
hält noch viele Überraschungen und neue Fragen bereit.
Diese Erkenntnisse werden auch in das noch junge Gebiet der
Astroteilchenphysik miteinfliessen. Die mikroskopische Welt der
Moleküle, Atome und Quarks trifft auf die makroskopische Welt der
Planeten, Sterne und Galaxien. Der Kreis ist dabei sich zu
schliessen. |
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„Das Unverständlichste am Universum ist im Grunde, dass wir
es verstehen können.“ Albert Einstein |
Was bisher geschah...
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• Vor 13.8 Milliarden Jahren, Ort: Überall
Ereignis: Urknall
Entstehung von Raum & Zeit
• 10-43 Sek. nach Urknall, Ort: Überall
Ereignis: Planck-GUT-Ära
Die 4 Grundkräfte, elektromagnetische Kraft, starke Kraft, schwache Kraft und die Gravitation liegen als fundamentale Kraft vor, der Urkraft. In der folgenden GUT-Ära (Grand Unified Theories)
trennt sich die Urkraft in die Gravitation und in die 3 übrigen Kräfte auf.
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| Aufspaltung der Kräfte unterhalb von 1016 GeV. |
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• 10-35 bis 10-32 Sek. nach Urknall, Ort: Überall
Ereignis: Inflation
Überlichtschnelle Ausdehnung des Raumes um den Faktor 1050.
• 10-30 Sek. nach Urknall, Ort: Überall
Ereignis: Baryogenese
Entstehung erster Quarks und Antiquarks. Das extrem heisse Universum liegt zu diesem Zeitpunkt als Quark-Gluonen-Plasma vor.
• 10-6 Sek. nach Urknall, Ort: Überall
Ereignis: Primordiale Nukleosynthese
Das Universum kühlt weiter ab und bildet aus den Quarks erste Protonen und Neutronen. Davon zerstrahlt der grösste Teil mit der Antimaterie.
Das Verhältnis Materie/Antimaterie fällt zugunsten der Materie aus. Die Gründe für dieses Ungleichgewicht sind Gegenstand aktueller Forschung.
• 10 Sek. nach Urknall, Ort: Überall
Ereignis: Kernfusion
Vereinigung von Protonen und Neutronen durch Kernfusion zu ersten Deuterium-Atomkernen.
• 3 Min. nach Urknall, Ort: Überall
Ereignis: Neutronenzerfall
Die Temperatur fällt weiter und die Kernfusion kommt zum erliegen. Die übriggebliebenen, freien Neutronen zerfallen in Protonen und Elektronen. Diese bilden leichte Elemente wie Helium, Lithium und Beryllium.
• 400000 Jahre nach Urknall, Ort: Überall
Ereignis: Rekombinationsepoche
Das Universum hat sich soweit abgekühlt, dass immer stabilere Atome entstehen. Die Dichte nimmt weiter ab und das Universum wird durchsichtig.
• 200 - 550 Mio. Jahre nach Urknall, Ort: Lokal
Ereignis: Sternentstehung/Galaxienbildung
Es bilden sich Gaswolken die sich durch Gravitation immer mehr verdichten und die ersten Sternenfeuer entzünden. Diese gruppieren sich zu ersten Galaxien, darunter auch unsere Milchstrasse deren Alter auf 13.6 Mia. Jahren geschätzt wird.
Nach heutigen Beobachtungen der Rotationsgeschwindigkeiten von Galaxien und der Berechnung ihrer Massen, müssten die Galaxien eigentlich auseinander driften. Eine mögliche Erklärung wäre die Masse von Teilchen welche nur sehr schwach wechselwirken und nur indirekt beobachtbar wären - sog. dunkle Materie.
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Links: Erwartete Galaxienrotation. Rechts: Beobachtete
Galaxienrotation.
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• 9.2 Mrd. Jahre nach Urknall, Ort: Milchstrasse (Orionarm)
Ereignis: Entstehung eines Sonnensystems mit 8 Planeten.
In der protoplanetaren Staubscheibe kommt es zu immer grösseren Verklumpungen von Staubteilchen (Koagulation) welche Planetesimalen bilden,
den Bausteinen der Planeten. Diese kilometergrossen Gebilde besitzen genug Masse, um sich durch ihre Gravitation mit anderen Planetesimalen zu grösseren Objekten zu vereinigen.
• 10.5 Mrd. Jahre nach Urknall, Ort: 3. Planet (Erde)
Ereignis: Entstehung von ersten einfachen Lebensformen.
• 2.5 Mio. Jahre vor Christus, Ort: 3. Planet (Erde)
Ereignis: Menschenaffen (Hominidae) entwickeln erste Werkzeuge aus Steinen und Knochen.
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| Menschenaffen benutzen erste primitive Werkzeuge. |
Quelle: Turner Entertainment Co. / 2001 - A Space Odyssey |
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• 7. November, 2007 Jahre nach Christus, Ort: Genf (Schweiz), CERN, Large Hadron Collider, geplante Energie: 7 TeV
Ereignis: Ringschliessung
In 90 Meter Tiefe, im Sektor 1-2 des 27 Kilometer langen LHC-Tunnels, werden nach über 20 Jahren Planungs- und Bauzeit die letzten beiden Magnete miteinander verbunden.
Schutzhelme mit dunklem Visier schützen die Techniker vor dem grellen, blauweissen Licht des Schweissbogens mit dem die letzte von 10170 Verbindungsstellen
zwischen den Magneten geschlossen wird. Die Magnetspulen der Ablenkmagnete und die Verbindungen dazwischen bestehen aus einer Niob-Titan Legierung die bei einer Sprungtemperatur
von 9.2 K (-264 °C) supraleitend wird. Da mit noch tieferen Temperaturen noch stärkere Magnetfelder möglich sind, liegt die Arbeitstemperatur der LHC-Magnete bei 1.9 K
(-271.3 °C). Die supraleitenden Verbindungen sind mit einem Kupferstabilisator umgeben, der einen Teil des Stromes ableiten soll, falls es zu einem Verlust der supraleitenden Eigenschaften
(Quench) kommen sollte.
Zu diesem Zeitpunkt ahnt niemand, dass zwei Sektoren weiter, in rund 10 Kilometer Entfernung, eine einzelne Verbindungsstelle diese Anforderungen nicht erfüllen wird.
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| Letzte Arbeiten im LHC Tunnel. |
Quelle: CERN |
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• 10. September 2008
Ereignis: First Beam
Im CERN Control Center laufen die letzten Pretests zum ersten Ringumlauf mit Protonen. Von hier aus werden die Systeme des Beschleuigers überwacht und gesteuert. Die Tunnelsysteme wurden schon Tage vorher versiegelt.
Während dem Betrieb ist der Zutritt aus Sicherheitsgründen verboten.
Vorbeschleunigung (Cycling):
Aus einer kleinen Gasflasche strömen Wasserstoffatome in einen silbernen Zylinder, das Duoplasmatron. Seine Aufgabe besteht darin, die Elektronen der Wasserstoffatome zu entfernen.
Übrig bleiben positiv geladene Protonen, die mit 100 Mia. Teilchen ein Paket (Bunch) bilden. Elektromagnetische Wechselfelder in vier Vorbeschleunigern (LINAC2, PSB, PS, SPS) beschleunigen diese Teilchenpakete
auf immer grössere Geschwindigkeiten. Im letzten Vorbeschleuniger SPS (Super Proton Synchrotron) erreichen die Protonen 99.99978% der Lichtgeschwindigkeit bzw. eine Energie von 0.45 Teraelektronenvolt (TeV). Bei dieser Energie
werden die Teilchen aus dem SPS in entgegengesetzten Richtungen ausgekoppelt und über die rund 3 km langen Tranferslinien Tl-2 und Tl-8) zum LHC geleitet.
Sobald die LHC Magnete ebenfalls auf 0.45 TeV hochgefahren sind, wird ein Protonenpaket in den LHC inijeziert und nach etwa 3 km durch eine Blende gestoppt. Die Flugbahn der Teilchen wird analysiert und falls nötig durch eine
neue Konfiguration der Ablenkmagnete korrigiert. Danach erfolgt die nächste Injektion welche nach 6 km gestoppt wird. Der Protonenstrahl wird so schrittweise durch den Ring geleitet.
Um 10:28 Uhr gelingt der erste volle Umlauf.
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| CERN Komplex |
Quelle: CERN |
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| CERN Control Center (CCC) nach dem ersten Umlauf |
Quelle: CERN |
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• 19. September 2008
Ereignis: Zwischenfall
Nach dem erfolgreichen Start vor 9 Tagen hat der Beschleuniger noch einen langen Weg bis zu den ersten Kollisionen vor sich. Hunderte Systeme
müssen zuvor getestet werden, unter anderem das Hochfahren der Magnete im Sektor 3-4.
Um 11:18:36 Uhr kommt es in diesem Sektor zu einem Quench zwischen einem Dipol- und einem Quadrupolmagneten. Durch eine schlecht verlötete
Stelle kann der Kupferstabilisator den Strom nicht genügend ableiten. Die Verbindungsstelle erwärmt sich und verdampft, worauf sich dazwischen ein Lichtbogen bildet der die Heliumverkleidung punktiert. Es kommt
zu einer schlagartigen Verdampfung des Heliums. Durch diese Explosion werden mehrere der tonnenschweren Magnete aus ihrer Verankerung gerissen. Insgesamt werden 53 Magnete über eine Strecke von mehreren hundert Metern
beschädigt.
Für die Reparatur muss der 3.3 km lange Sektor wieder auf Raumtemperatur gebracht werden. Mehrere der 15 Meter langen Magnete müssen komplett ausgebaut und an die Oberfläche gebracht werden.
Dort werden sie gereinigt, repariert und getestet. Die Ausfallphase wird zudem genutzt um ein neues Quench Protection System zu installieren. Tausende Sensoren messen die Widerstände zwischen den Magneten um weitere
Zwischenfälle dieser Art zu verhindern.
Ausfallzeit: 14 Monate
Kosten: 27 Mio. Euro
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| Beschädigte Magnete nach dem Zwischenfall. |
Quelle: CERN |
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• 20. November 2009
Ereignis: Zweiter Anlauf
Nach über einem Jahr Ausfall zirkulieren wieder Protonen im Speicherring. Die geplante Energie von 7 TeV kann jedoch vorzeitig nicht erreicht werden, da Untersuchungen während dem Ausfall ergeben haben, dass einige der Magnetverbindungen nicht mehr als 3.5 TeV, max. 4 TeV aushalten.
• 29. November 2009
Ereignis: Weltrekord
Um 21:55 Uhr werden Protonen erstmals auf 1.08 TeV beschleunigt. Damit konnte ein neuer Weltrekord aufgestellt und der Teilchenbeschleuniger Tevatron in den USA um 0.1 TeV übertroffen werden. Der LHC ist damit der leistungsstärkste Beschleuniger der Welt.
• 30. März 2010
Ereignis: Erste Teilchenkollisionen bei 3.5 TeV pro Strahl.
• 10. November 2010
Ereignis: Pb-Pb Kolissionen
Anstelle von Protonen werden erstmals Bleikerne injiziert und zur Kollision gebracht.
Das dabei enstehende Quark-Gluon Plasma soll Aufschlüsse über den frühen Zustand des Universums geben. Der Alice Detektor wurde speziell für diese Aufgabe konzipiert.
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| Blei-Blei Kollision im ALICE Detektor. |
Quelle: CERN |
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• 13. Dezember 2011
Ereignis: Higgs in Sicht?
Die Detektoren ATLAS und CMS sehen erste Anzeichen eines Signals bei 125 GeV.
• 5. April 2012
Ereignis: Erhöhung der Strahlenergie von 3.5 auf 4.0 TeV.
• 4. Juli 2012
Ereignis: Higgs Entdeckung
ATLAS und CMS weisen ein deutliches Signal bei 125-126 GeV nach.
Die gemessenen Zerfallskanäle stimmen mit den Vorhersagen des Standardmodells für ein Higgsteilchen in diesem Energiebereich überein. Ein Jahr später erhalten Peter Higgs und François Englert den Nobelpreis in Physik für die Entwicklung des Higgs-Mechanismus.
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| Higgssignaturen im CMS und ATLAS Detektor |
Quelle: CERN |
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• 25. April 2013
Ereignis: CP-Verletzung
Durch LHCb gelingt der Nachweis einer CP-Verletzung beim Zerfall eines Teilchens in Kaonen und Pionen.
Solche Verletzungen könnten erklären weshalb sich beim Urknall Materie und Antimaterie nicht vollständig annihiliert haben und ein Materieüberschuss übrigblieb.
• 16. Februar 2013
Ereignis: LS1 Phase
Die letzten Teilchenstrahlen werden im Beam Dump entsorgt und der Beschleuniger auf seine Aufrüstung auf 7.0 TeV vorbereitet. In dieser ersten langen Shutdowphase (LS1 - Long shutdown 1)
werden die sämtliche 10170 Verbindungen zwischen den Magneten getestet und falls nötig ersetzt. Zusätzlich leiten 27000 Nebenwiderstände im Falle eines Quenchs den Grossteil
des Stromes ab. Der Zeitraum wird zudem genutzt um die Detektoren und die Vorbeschleuniger aufzurüsten.
• 20. Januar 2015
Ereignis: LHC Restart
Die Umbauphase im Tunnel ist soweit abgeschlossen. Nun geht es darum den Beschleuniger schrittweise wieder in Betrieb zu nehmen. Die supraleitenden Magnete sind zwar bis auf 7.0 TeV ausgelegt,
aber mit steigender Energie nimmt die Wahrscheinlichkeit zu, dass es zu einem Quench kommt. Um dem entgegenzuwirken werden die Magnete einem speziellen Training unterzogen. Die Stromstärke
in der Spule wird dabei solange erhöht bis es zu einem Quench kommt. Dann wird der Stromfluss kontrolliert aus der Spule abgeleitet und der Prozess wiederholt. Die Magnetspule wird dadurch auf
die hohe Stromstärke von 12000 Ampere konditioniert. Da ein solches Training für 7.0 TeV viel Zeit benötigt, startet der Beschleuniger dieses Jahr vorerst mit 6.5 TeV. Und hier gehts ... weiter.
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| Quench Training |
Quelle: CERN |
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| LHC & SUSY |
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Mit den Updates der Detektoren und der Erhöhung der Energie auf 6.5 TeV steht eine spannende Reise in physikalisches Neuland bevor. Eine Sensation wäre die Entdeckung eines supersymmetrischen Teilchens.
Die Supersymmetrie (SUSY) vertauscht durch einen Mechanismus den Spin der Teilchen des Standardmodells. Dadurch erhalten die bisher bekannten Teilchen einen supersymmetrischen Partner. Durch einen Bruch in dieser Symmetrie besitzen die supersymmetrischen Teilchen jedoch höhere Massen als ihre Standardpartner. Mit dem neuen Energiebereich des LHC könnten diese Massen in Sichtweite geraten.
SUSY kann gleich mehrere Probleme des Standardmodells lösen. Das Standardmodell beschreibt z.B. keine Teilchen welche die Eigenschaften von dunkler Materie besitzen.
Mit dem Neutralino als leichtestes, supersymmetrischen Teilchen (LSP) liefert SUSY einen Kandidaten für die dunkle Materie.
Zudem treffen sich die schwache, starke und elektromagnetische Kraft, nach der Vorhersage des Standardmodells, bei sehr hohen Energien nicht in einem Punkt und vereinen sich nicht zu einer einzigen Kraft.
Nach den Vorhersagen der Supersymmetrie würden sich die drei Kräfte hingegen in einem Punkt vereinen.
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| Supersymmetrie |
Quelle: DESY |
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Vorhersagen Standardmodell / SUSY zur Vereinheitlichung der Kräfte
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Das LHC-Projekt |
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Der Large Hadron Collider (zu Deutsch; Grosser Hadronen-Speicherring)
ist ein knapp 27 Kilometer langer Teilchenbeschleuniger des
europäischen Kernforschungszentrum CERN bei Genf in der
Schweiz. Der LHC beschleunigt Hadronen (wie z.B. Protonen) auf
Beinahe-Lichtgeschwindigkeit und bringt diese an vier Stellen zum
Zusammenstoss. An diesen vier Kollisionspunkten befinden sich
Detektoren (ATLAS,
CMS, LHCb, ALICE, TOTEM, LHCf), um die
Wechselwirkungen der entstehenden Teilchenschauer zu untersuchen.
Offizieller Beginn des LHC-Projekts war im Jahr 1984. Der LHC-Speicherring wurde in dem ca. 27 Kilometer langen Tunnel
errichtet, in welchem sich bis zum Jahr 2000 der Beschleuniger LEP
(Large Electron-Positron Collider) befand. Der Tunnel verläuft
unter der schweizer-französischen Grenze in einer Tiefe von 50
bis 175 Metern, wobei sich der Grossteil der Anlage auf
französischem Staatsgebiet befindet. |
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| LHC-Speicherring |
Quelle: CERN |
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| Die Lage des LHC-Speicherringes (roter Kreis) |
Quelle: CERN |
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