14/09/2012 - Erste Protonenkollision mit schweren Ionen im LHC

Menéame

LHC (Großer Hadron-Kollisator) hat zum ersten Mal große technologische Herausforderungen bei der Kollision von Protonen mit Bleikernen bewältigt. Diese Experimente, die 2013 ausgeweitet werden sollen, werden dazu beitragen, das Wissen über die Struktur der Materie auf sehr hohe Energien zu vertiefen.

Am vergangenen Donnerstag, am CERN, um 1 Uhr 26, hat der große Hadron-Kollider (LHC) die Protonenkollisionen mit Bleiionen Zum ersten Mal. Der Wechsel zu verschiedenen Teilchentypen (Protonen gegen Kerne, auch Neutronenverbindungen) anstatt zwischen identischen Teilchen (Proton-Proton) stellt große technische Herausforderungen dar.

Die in dieser Woche getestete Art von Kollisionen, die tatsächlich von Januar bis Februar 2013 - vor dem "Abfall" des LHC für die Wartung - auftreten werden, vertieft sich in der Untersuchung der Materie unter extremen Bedingungen bis zu sehr hoher Energie, die Bedingungen neu zu erstellen, die sofort nach dem Urknall entstanden sind.

Der Physiker von Beschleunigern und Leiter des Blei-Ionen-Teams des CERN, John Jowett, betont die technischen Schwierigkeiten: "Zuerst sind Kollisionen asymmetrisch im Energiebereich, was eine Herausforderung für Experimente darstellt. Auf der Ebene des Beschleunigers sehen wir nicht wirklich den Unterschied in der Größe der Teilchen, aber die Differenz in der Größe des Strahls und die Tatsache, dass sich die Größe in unterschiedlichen Geschwindigkeiten ändert, kann sich auf das Verhalten der Teilchen bei Kollisionen auswirken."

Es gibt auch andere Herausforderungen. LHC beschleunigt gewöhnlich zwei Bündel Protonen in entgegengesetzte Richtungen (von 0,45 Teraelectronvolt bis 4 TeV) bevor sie zu einer Gesamtenergie von 8 TeV. Die Funkröhren (RF) enthalten elektromagnetische Felder, die die Partikel antrieben, die Energie liefern und die beiden Strahle streng synchronisieren und sie bei Bedarf zurückhalten.

Das Problem entsteht, weil die unabhängigen Ringe, durch die die beiden Strahle laufen, in einem einzigen Magneten enthalten sind, einem System, das den Moment eines Strahles mit dem des anderen verbindet. Aber die Partikel haben unterschiedliche Geschwindigkeiten: Ein Bleikern, der 82 Protonen enthält, wird von 36,9 auf 328 TeV beschleunigt, während ein Proton es von 0,18 auf 1,58 TeV macht.

Um diese Geschwindigkeitsunterschiede zwischen Protonen und Bleiionen auszugleichen, müssen die Funkfrequenzräume für jeden Strahl auf unterschiedliche Frequenzen abgestimmt werden. "Die RF-Systeme der beiden Ringe können nur mit maximaler Energie vor Kollisionen synchronisiert werden, wenn der kleine Geschwindigkeitsunterschied zwischen den beiden Partikeltypen durch kleine Veränderungen in den Umlaufbahnen absorbiert werden kann," erklärt Jowett.

Die schwierigste Sache für LHC

Laut Carlos Salgado, Theoretischer Physiker der Universität von Santiago de Compostela am CERN, ist dieses Spiel der Synchronisierung der Geschwindigkeiten und Krümmungen der Lichtstrahlen "das komplizierteste System, das man beim LHC bekommen kann." Im RHIC-Kollidator des US-amerikanischen Brookhaven National Laboratory werden auch Kollisionen zwischen schweren Ionen (in diesem Fall Goldkernen) auftreten, aber sie sind einfacher zu produzieren, da Magnete unabhängig sind, so dass die Geschwindigkeiten und Krümmungen der Strahle besser synchronisiert werden können.

Bisher waren Protonen gegen feste Kerne kollidiert worden, nicht in Bewegung. "Und es ist das erste Mal, dass es zu Kollisionen zwischen Protonen und Schwerkernen kommt," betont der Forscher, der zwei Vorteile hervorhebt: "Zuerst dient es zur Kalibrierung der Messungen bei Kollisionen zwischen Schwerionen, die von LHC bereits in den Jahren 2010 und 2011 erlebt wurden. Diese Art von Kollisionen versucht, das sogenannte "Plasma von Quarks und Gluonen" zu reproduzieren, das erste "Suppe" der Materie, die nach dem Urknall entstanden sein sollte und für die extreme Temperaturen auftreten, 100.000 Mal größer als das Innere der Sonne".

Darüber hinaus dient "diese Art von Kollisionen dazu, das Verhalten der Materie bei sehr hohen Energien zu untersuchen," wie sie nur durch den CERN-Beschleuniger erzeugt werden können. Dieser besondere Zustand der Materie hat einige Eigenschaften, die von der Theorie vorhergesagt werden, aber nie zuvor beobachtet.

Auch zum ersten Mal wurde das LHCb-Experiment zu ATLAS, CMS und ALICE hinzugefügt, Experimente, die die Kollisionen zwischen schweren Ionen bei der Datenerfassung untersuchen. Für Salgado machen die Eigenschaften dieses Experiments, das zur Untersuchung der Unterschiede zwischen Materie und Antimaterie entwickelt wurde, es zu einem interessanten Instrument, um diese neue Art von Kollisionen zu analysieren, die durch LHC erreicht wurden.

Die spanische Beteiligung an den vier Hauptexperimenten des LHC wird vom Nationalen Zentrum für Partikel-, Anthropo- und Atomphysik (CPAN) koordiniert und gefördert, Projekt Consolider-Ingenio 2010.

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