Physikalische Grenzen für die Anzahl der Partikel pro Collider-Bündel

Derzeit arbeiten Collider mit rund ∼ 10 11 Partikel pro kollidierendes Bündel. Kürzlich hat LHC diese Zahl auf erhöht 10 13 . Ich würde gerne wissen, ob es grundsätzlich physikalische Grenzen gibt, die eine höhere Anzahl von Partikeln pro Bündel verbieten können. Beispielsweise sind sehr hohe Werte wie z ∼ 10 19 denkbar?

Irgendwann beginnt die Raumladung eine große Sache zu sein.
Ich habe dies nicht gelesen, aber es sollte Ihre Frage beantworten und Referenzen enthalten, die espace.cern.ch/acc-tec-sector/Chamonix/Chamx2011/papers/…
Die Grenze ist eher eine technische als eine grundlegende. Nicht zuletzt kann ich immer einen Beschleuniger mit einer längeren Wellenlänge und einem dickeren Strahlrohr konstruieren.
Wann hat der LHC eine Bündelgröße von 10^13 verwendet???

Antworten (2)

Strahlinstabilitäten, die durch kollektive Effekte verursacht werden

Aus Sicht der Strahldynamik stoßen wir ziemlich bald auf Instabilitäten, die durch kollektive Effekte verursacht werden. Die relevantesten im Falle eines einzelnen Bündels sind die Strahl-Strahl-Wechselwirkung, die stattfindet, wenn zwei Bündel sich gegenseitig kreuzen und ihre Eigenfelder untersuchen, und die Nachlauffelder/Impedanz/Bildströme, die die im Schweif sitzenden Teilchen anregen (Wache) des Haufens.

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Im LHC sind Elektronen, die vom Strahlrohr emittiert werden und sich um den Strahl herum ansammeln (E-Wolke), oft der begrenzende Faktor, besonders wenn mit langen Bündelzügen gearbeitet wird, aber wenn wir nur ein intensives Bündel haben, würde ich mir mehr Sorgen machen die vorgenannten Effekte.

Andere Aspekte skalieren mit der Ladungsdichte

Unter der Annahme, dass es uns gelingt, einen stabilen Strahl zu erhalten, haben wir dann eine zweite Reihe von Problemen in Bezug auf die Strahlqualität und -lebensdauer. Wenn Sie zum Beispiel etwas Synchrotronstrahlung von den Strahlen haben, können Sie einfach zu viel Energie abgeben und die Magnete erhitzen. Ein weiteres Beispiel ist die Touschek-Lebensdauer, die durch die elastische Streuung von Teilchen außerhalb des Strahls gegeben ist, die aus der Bewegung innerhalb des Bündels resultiert. Dies skaliert mit der Ladungsdichte, daher kann ein hochgeladenes Bündel einfach zu viele Teilchen ausstoßen.

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Detektorhintergrund und Pile-up

Selbst wenn wir es schaffen, alle vorherigen Aspekte zu überwinden und einen wirklich herausragenden Beschleuniger zu bauen, ist der Detektor möglicherweise immer noch nicht in der Lage, mit einem übermäßigen Hintergrund oder Datenfluss fertig zu werden. Beschränken wir uns auf die Ladung eines einzelnen Bündels, ist die Grenze derzeit durch die Massenkarambolage gegeben: Wir bekommen einfach zu viele Kollisionen pro Bündelkreuzung, um sie entwirren zu können.

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Es ist interessant festzustellen, dass die für die nächsten Jahre geplante Aufrüstung der Leuchtkraft des LHC (HL-LHC) eine ähnliche Menge an Ressourcen sowohl für die Verbesserung des Beschleunigers als auch der Detektoren bereitstellt.

Vielen Dank für die Erklärung. Ich kann verstehen, dass große Bündelgrößen wie 10 ^ 19 unmöglich zu realisieren sind, richtig?
@mrf1g12 Schon die 10 13 Teilchen, die Sie erwähnt haben, werden nur in vielen Bündeln am LHC erreicht. 10 19 ist eine Zahl, die eher für Plasmaphysik-Experimente geeignet ist, die immer noch eine Art Beschleuniger sind, aber bei ziemlich niedriger Energie und ziemlich chaotisch.

Als erste Einführung in das Thema kann man mit der Vorlesung Introduction to Particle Accelerators and their Limitations der CERN Accelerator School 2014 beginnen .

Hinsichtlich der aktuellen Grenzen des LHC und der nächsten absehbaren Teilchenbeschleuniger lohnt sich die Lektüre von Hochenergiephysik-Strategien und zukünftige Großprojekte . In diesem Artikel geht es im letzten Abschnitt auch um den ultimativen Beschleuniger :)

Physikalische Grenzen für die Anzahl der Partikel pro Collider-Bündel
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