Die Vermessung des Universums: Wie die Physik von morgen den letzten Geheimnissen auf der Spur ist (German Edition)
wird von anderen Magneten erfüllt, die als Quadrupol -Magnete bezeichnet werden und den Strahl wirksam fokussieren und verdichten. Der LHC enthält 392 solcher Magneten. Quadrupol-Magnete lenken die beiden Protonenstrahlen auch von ihren eigenständigen Bahnen ab, damit sie tatsächlich miteinander kollidieren können.
Die Strahlen kollidieren nicht exakt oder völlig frontal miteinander, sondern vielmehr unter einem winzig kleinen Winkel von einem Tausendstel Bogenmaß. Dadurch soll sichergestellt werden, dass nur ein Paket aus jedem Strahl zu einem bestimmten Zeitpunkt miteinander kollidiert, so dass die Daten weniger verwirrend sind und der Strahl intakt bleibt.
Wenn die beiden Pakete aus den zwei zirkulierenden Strahlen miteinander kollidieren, treffen einhundert Milliarden Protonen auf ein anderes Paket von einhundert Milliarden Protonen. Quadrupol-Magnete sind ebenfalls für die besonders gewaltige Aufgabe verantwortlich, die Strahlen in jenen Bereichen entlang des Strahls zu fokussieren, in denen es zu Kollisionen kommt und wo Experimente stattfinden, um die Ereignisse aufzuzeichnen. An diesen Stellen quetschen die Magnete die Strahlen auf die winzige Größe von 16 Mikrometern zusammen. Die Strahlen müssen so extrem schmal und dicht sein, damit die einhundert Milliarden Protonen in einem Paket bei ihrem Durchlauf mit höherer Wahrscheinlichkeit eines der einhundert Milliarden Protonen im anderen Paket finden.
Die meisten Protonen des einen Pakets werden auf keine Protonen des anderen Pakets treffen, selbst wenn sie so aufeinandergerichtet sind, dass sie kollidieren sollen. Einzelne Protonen haben nur einen Durchmesser von etwa einem Millionstel Nanometer. Das bedeutet, dass nur etwa 20 Protonen jedes Mal frontal miteinander zusammenstoßen, wenn sich die Pakete kreuzen, obwohl alle diese Protonen in Paketen von 16 Mikrometern zusammengehalten werden.
Das ist tatsächlich eine gute Sache. Wenn es zu viele Kollisionen gleichzeitig gäbe, wären die Daten einfach verwirrend. Es wäre unmöglich zu sagen, welche Teilchen aus welcher Kollision hervorgingen. Und natürlich wäre es auch schlecht, wenn es überhaupt keine Kollisionen gäbe. Indem genau diese Anzahl von Protonen auf ein Gebiet von genau dieser Größe fokussiert wird, stellt der LHC die optimale Anzahl von Ereignissen bei jeder Kreuzung von Paketen sicher.
Die einzelnen Kollisionen von Protonen finden, falls es überhaupt dazu kommt, nahezu instantan statt – in einer Zeitspanne, die etwa 25 Größenordnungen kleiner ist als eine Sekunde. Das bedeutet, dass die Zeit zwischen den jeweiligen Kollisionen von Protonen völlig dadurch bestimmt wird, wie häufig sich die Pakete kreuzen, was bei voller Auslastung etwa alle 25 Nanosekunden geschieht. Die Strahlen kreuzen sich mehr als zehn Millionen Mal pro Sekunde. Bei so häufigen Kollisionen erzeugt der LHC eine riesige Datenmenge – etwa eine Milliarde Kollisionen pro Sekunde. Glücklicherweise ist die Zeit zwischen dem Kreuzen der Pakete lang genug, um den Computern zu ermöglichen, die interessanten einzelnen Kollisionen zu verfolgen, ohne Kollisionen miteinander zu verwechseln, die in verschiedenen Paketen stattfanden.
Am Ende sind also die Extreme beim LHC notwendig, um sowohl Kollisionen bei der höchstmöglichen Energie als auch die größte Zahl von Ereignissen sicherzustellen, die die Experimente bewältigen können. Der größte Teil der Energie bewegt sich einfach weiterhin im Kreis, wobei nur die seltene Kollision von Protonen beachtenswert ist. Trotz der massiven Strahlenergie enthält die Energie der Kollisionen einzelner Pakete wenig mehr als die kinetische Energie von ein paar fliegenden Stechmücken. Hier stoßen Protonen zusammen – keine Footballspieler oder Autos. Die Extreme des LHC konzentrieren Energie in einem äußerst winzigen Gebiet und in Kollisionen von Elementarteilchen, die die Experimentalphysiker nachverfolgen können. Später werden wir einige der verborgenen Bestandteile betrachten, die sie finden könnten, sowie die Einblicke in die Natur der Materie und des Raumes, die diese Entdeckungen liefern werden, wenn sich die Hoffnungen der Physiker erfüllen.
Kapitel 9
Die Rückkehr des Rings
1983 begann ich mit dem Aufbaustudium in Physik. Der LHC wurde erstmals 1984 offiziell angekündigt. In einem gewissen Sinne habe ich also ein Vierteljahrhundert meiner akademischen Laufbahn auf den LHC gewartet. Jetzt sehen meine Kollegen und ich endlich LHC-Daten und
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