Warum beschleunigt der LHC Elektronen nicht?

Immer wenn Sie ein geladenes Teilchen beschleunigen, sendet es EM-Strahlung aus, die als Bremsstrahlung bekannt ist, und offensichtlich werden geladene Teilchen, die sich im Kreis bewegen, beschleunigt (in Richtung Zentrum). Dies bedeutet, dass jeder kreisförmige Collider einen kontinuierlichen Strom von Bremsstrahlung aussendet. Um dem Energieverlust durch Bremsstrahlung entgegenzuwirken, muss Energie zugeführt werden, und das kostet Geld und ärgert die örtlichen Energieversorger.

Für eine gegebene Strahlenergie steigen die Bremsstrahlungsverluste mit abnehmender Teilchenmasse, daher kostet es viel mehr, einen Elektronenkollider zu betreiben, als einen Protonenkollider mit der gleichen Energie und dem gleichen Strahlstrom zu betreiben. Der LEP-Collider mit einer maximalen Energie von etwa 200 GeV verbrauchte im Betrieb etwa 70 MW, während der LHC mit einer weitaus höheren Strahlenergie nur etwa 120 MW verbrauchte. Diese Zahlen sind etwas irreführend, da sie die Kosten für Kühlung usw. enthalten und nicht nur den Strahlbetrieb. Laut diesem Artikel beträgt die zur Aufrechterhaltung des Strahls am LHC erforderliche Leistung nur etwa 20 MW. Ich konnte die entsprechenden Informationen für LEP nicht finden.

Alle vorgeschlagenen zukünftigen Elektron/Positron-Beschleuniger sind linear. Dies vermeidet Bremsstrahlungsverluste beim Krümmen des Teilchenstrahls.

Die Energie, die ein Teilchen bei einer Umdrehung in einer Kreismaschine verliert, ist

wo$E$ist die Strahlenergie,$R$ist der Biegeradius,$m$ist die Masse des Teilchens, das Sie beschleunigen möchten.

Dabei zeigt sich, dass für die Masse schwerer Teilchen wie Myonen, Protonen und Schwerionen immer noch die Feldstärke der Ablenkmagnete der limitierende Faktor ist, aber leichte Teilchen wie Elektronen und Positronen einfach zu viel Energie abstrahlen.

Das Problem besteht nicht nur darin, Energie zu verschwenden, sondern auch darin, diese Energie zurück zum Strahl zu leiten. Die Beschleunigung erfolgt normalerweise in geraden Abschnitten des Rings unter Verwendung eines hochfrequenten elektrischen Felds. Wenn das Feld (in Bezug auf den verfügbaren Platz) nicht stark genug ist, um den Energieverlust in den Biegeabschnitten zu kompensieren, wird die Maschine niemals funktionieren, selbst wenn eine unendliche Menge an Energie aus dem Netz verfügbar ist.

Sie sind also gezwungen, den Radius zu vergrößern, um den Energieverlust zu reduzieren und mehr Platz zu haben, um ihn zu kompensieren, aber wenn Sie sich die obige Beziehung ansehen, sehen Sie, dass Sie nicht zu weit gehen können. Zum Beispiel plant TLEP, einen Radiusbaum zu haben, der mal größer als LEP ist, aber seine Energie wird die von LEP nicht verdoppeln, und er könnte nur im Hinblick auf eine viel energiereichere Protonenmaschine gebaut werden, die in Zukunft im selben Tunnel kommen wird.

Der andere Weg besteht darin, gerade Collider wie CLIC- oder ILC-Projekte zu bauen, die jedoch nicht ohne technische Schwierigkeiten auskommen.

Abgesehen von dem in den vorherigen Antworten genannten Grund (Bremsstrahlung) gibt es noch einen Grund, warum Proton Collider verwendet werden: Er kann einen weiten Bereich von Kollisionsenergien scannen.

Da Protonen zusammengesetzte Teilchen sind, sind ihre Stöße eigentlich Stöße der Quarks oder Gluonen. Diese Bestandteile haben zufällige Energien und somit hat jede Kollision typischerweise eine andere Energie. Dies ist praktisch, wenn Sie nach einem Teilchen mit unbekannter Masse suchen (wie dem Higgs-Boson). Sie zertrümmern also Protonen bei 1,4 TeV, aber tatsächlich liegen die tatsächlichen Kollisionen in einem breiten Energiebereich von MeV bis TeV. Auf diese Weise werden einige der Kollisionen auf dem Niveau liegen, das erforderlich ist, um das unbekannte Teilchen zu erzeugen. Und Sie sammeln viele Ereignisse, um aussagekräftige Statistiken zur Erkennung des Partikels zu erfassen.

Andererseits: Lepton Collider kollidieren mit Leptonen immer mit der Arbeitsenergie. Sie können keine Energien außerhalb des Designbereichs des Lepton Colliders erforschen. Daher ist der Leptonbeschleuniger praktisch, wenn Sie sich auf die Erforschung eines einzelnen Teilchens mit bekannter Masse konzentrieren möchten. Sie stimmen die Energie auf die Masse des Teilchens ab und erhalten die Daten viel schneller. Aber man muss vorher die Teilchenmasse kennen, was beim Higgs nicht der Fall war.

Proton-Proton-Collider sind viel besser für die Entdeckung als Elektron-Positron-Collider. Der Grund dafür ist, dass die Masse eines neuen Teilchens unbekannt ist und die Wahrscheinlichkeit der Produktion in den verschiedenen hypothetischen Produktionskanälen um diesen Energieschwerpunkt liegt. Grob gesagt erhalten die Quarks in einem Proton Bruchteile der gesamten Kollisionsenergie, sodass ein Proton-Antiproton-Collider besser darin ist, einen Massenbereich nach einem neuen Teilchen bei konstanter Strahlenergie zu "scannen". Wohingegen die Strahlenergie eines Elektron-Positron-Colliders sorgfältig abgestimmt werden müsste.

Außerdem waren im Fall des Higgs-Bosons die für die Entdeckung am besten geeigneten Kanäle Gluonen, die bei Quark-Kollisionen entstehen. Beispielsweise wird eine der Kollisionen, die zur Entdeckung führten, durch die folgenden Diagramme dargestellt, wobei$H^0$bezeichnet das Higgs-Boson,$t,b$sind das Top- und Bottom-Quark, die beide an das Higgs-Feld koppeln und$g$bezeichnet Gluonen, die die starke Kraft tragen und daher auch ankoppeln$t$und$b$. Im ersten Diagramm waren das Signal zwei Photonen$\gamma$mit einer kombinierten Energie von etwa 125 GeV im zweiten Fall zwei Lepton-Anti-Lepton-Paare.:

Um die Eigenschaften eines neu entdeckten Teilchens zu untersuchen, ist es in der Tat besser, einen Elektronenbeschleuniger zu verwenden, der dann auf die Spitze der Erzeugungswahrscheinlichkeit dieses Teilchens abgestimmt ist. Beispielsweise lief der LEP-Collider am Z-Peak, um elektroschwache Präzisionsmessungen durchzuführen. Bearbeiten: mpv hat mich zu dieser Antwort geschlagen.