Der LHC-Beschleuniger

Einer bei CERN fest verankerten Tradition folgend wird der LHC-Beschleuniger auf der existierenden Beschleuniger-Infrastruktur aufgebaut. Diese besteht aus dem 27 Kilometer langen ehemaligen LEP-Tunnel sowie den vorhandenen Injektoren und Vorbeschleunigern. Unter der Federführung des CERN mit seinen europäischen Mitgliedstaaten konnten viele Nicht-Mitgliedstaaten (unter anderem die USA, Kanada, Indien, Japan, Russland und Israel) für eine Beteiligung am Bau dieser komplizierten Maschine gewonnen werden.

Der LHC-Beschleuniger kann mit Protonen und Schwerionen betrieben werden, die zur Beschleunigung in zwei getrennten Vakuumröhren geführt und bei Erreichen der Endenergie im Zentrum der Detektoren zur Kollision gebracht werden. Zu den wichtigsten Komponenten des Beschleunigers gehören die supraleitenden Magnete, welche die Teilchen auf ihrer Bahn halten. Eine technische Herausforderung ersten Ranges ist die einwandfreie Produktion von ca. 1300 solcher Dipolmagnete mit Feldstärken, wie sie noch nie zuvor in einem Beschleuniger erreicht wurden (9 Tesla). Die jeweils 15 Meter langen Dipolmagnete wurden speziell für LHC bei CERN entwickelt. Sie sind so konzipiert, dass sie beide Vakuumröhren beinhalten (siehe Abbildung) und in einem einzigen Kryostaten Platz finden. Die Dipol- und Quadrupolmagnete, die zur Fokussierung der Teilchenstrahlen notwendig sind, werden bei einer Temperatur von 1,9 Kelvin betrieben, der Rest des Beschleunigers bei 4,5 Kelvin. Auch die acht Beschleunigungsstrukturen, die für jeden Protonenstrahl ein Beschleunigungsfeld von 5 Megavolt pro Meter (MV/m) erzeugen, werden supraleitend gebaut. Die Supraleitungstechnologie findet somit im LHC eine Anwendung von bisher noch nie dagewesenem Maßstab.

Mit dem LHC können für die elementaren Bausteine der Protonen, die Quarks und Gluonen, Kollisionsenergien erreicht werden, die eine Größenordnung größer sind als die bei LEP oder Tevatron erreichbaren Energien. Damit die sehr seltenen, interessanten Wechselwirkungen der Quarks und Gluonen im Proton hinreichend häufig auftreten, muss die Luminosität des Beschleunigers proportional zum Quadrat der Energie erhöht werden. In der Vergangenheit erreichten Hochenergiebeschleuniger Luminositäten von typischerweise 10³² cm^-2 s^-1 . Die Luminosität des LHC wird 10³⁴ cm^-2 s^-1 betragen, ein Wert, in dessen Nähe die bei niedriger Energie laufenden B-Mesonen-Fabriken kürzlich zum ersten Mal vorgestoßen sind. Bei LHC erreicht man diese hohe Luminosität dadurch, dass die beiden Vakuumröhren mit 2808 Protonenpaketen gefüllt werden, wobei jedes Paket 10¹¹ Protonen beinhaltet. Der daraus resultierende große Strahlstrom von 0,56 Ampere ist bei einem Beschleuniger mit empfindlichen supraleitenden Magneten, die bei niedrigsten Temperaturen betrieben werden, eine besondere Herausforderung. Die Protonenpakete werden für ungefähr zehn Stunden in der Anlage gespeichert, bis die Zahl der Wechselwirkungen durch Protonenverluste so weit abgesunken ist, dass ein Nachfüllen erforderlich ist. Technische Möglichkeiten, die Luminosität substantiell über 10³⁴ cm^-2 s^-1 hinaus zu steigern, werden untersucht für den Fall, dass die Ergebnisse der LHC-Experimente einen solchen Ausbau physikalisch sinnvoll erscheinen lassen.