Wie lange dauern Experimente mit großen Hadronenbeschleunigern?

Dieses Dokument (NB, es ist ein PDF) enthält Einzelheiten zum Strahlvorgang. Hier ist ein Schlüsseldiagramm aus der Präsentation:

Am Ende eines Versuchslaufs wird der Strahl abgeschaltet, und es dauert etwa anderthalb Stunden, bis der Strahl wieder die volle Energie und Intensität erreicht. Sobald der Strahl seine volle Stärke erreicht hat, generiert der LHC etwa 10 bis 20 Stunden lang kontinuierlich Daten, bevor die Strahlintensität zu gering wird und der Strahl erneut abgesenkt werden muss.

Beachten Sie, dass der LHC kein Experiment ist, das einmal ausgeführt wird und ein Ergebnis generiert, dann wiederholt wird, um ein zweites Ergebnis zu generieren und so weiter. Sobald der Strahl aktiv ist, generiert er kontinuierlich Daten, und diese Daten bauen sich über Tage und Monate auf. Da Signale wie Higgs so schwach sind, benötigen Sie Daten im Wert von Monaten und Monaten, dh Monate und Monate Strahlzeit, um genügend Daten zu erhalten, um diese kleinen Signale zu sehen. CERN hat eine Animation erstellt, die zeigt, wie sich das Higgs-Signal im Laufe der Zeit aufbaut, die Sie hier sehen können .

Ich würde erwarten, dass Sie es für ein paar Sekunden laufen lassen und bam - Higgs-Boson entdeckt oder was auch immer.

Wie erkennt man das Higgs-Boson? Das ist die Frage, die Sie berücksichtigen müssen.

Da ein echtes Higgs nach seiner Herstellung fast sofort zerfällt, können wir nur die stabilen Zerfallsprodukte nachweisen, jene Teilchen, die lange genug bestehen, um die Umgebung der Kollision zu verlassen und mit den Detektoren zu interagieren, die das Strahlrohr umgeben .

Denken Sie jedoch daran, dass viele Kollisionen und Partikel erzeugt werden, die in stabile Partikel zerfallen, die von den Detektoren registriert werden.

Alles, was wir wirklich tun können, ist zu berechnen , was wir statistisch erwarten würden, wenn all diese Teilchen (außer dem Higgs) entstehen und zerfallen, und dann, nachdem wir den LHC über einen langen Zeitraum betrieben haben, die Ergebnisse statistisch betrachten und mit dem vergleichen Berechnungen.

Die "Signatur" eines neuen Teilchens oder neuer Teilchen wäre dann eine Abweichung der experimentellen Statistik von der berechneten Statistik. Um sicher zu sein, dass jede erkannte Abweichung statistisch signifikant ist , sind enorme Datenmengen erforderlich, da zum einen die Produktionsrate des Higgs so niedrig ist; etwa 1 von 10 Milliarden am LHC.

Die Experimente dauern viele Jahre. Am Beispiel der Higgs-Boson-Suche liegt der Grund dafür, dass es so lange dauert, weil es keine „Smoking Gun“-Signatur eines Higgs-Bosons gibt. Man sucht nicht direkt nach dem Higgs-Boson, sondern nach den Teilchen des Standardmodells, in die das Higgs zerfällt. Da andere Prozesse des Standardmodells (genannt "Hintergründe") diese Teilchen erzeugen können, können Sie bei einer gegebenen Kollision am LHC nicht sicher sein, dass Sie das Higgs-Boson gesehen haben. Sie müssen Tausende von Higgs-Bosonen produzieren, bevor Sie eine ausreichend große statistische Stichprobe haben, aus der Sie irgendwelche Schlussfolgerungen ziehen können. Und selbst dann kann es schwierig sein, Ihre beobachtete Rate von Higgs-ähnlichen Ereignissen mit der vorhergesagten Hintergrundrate zu vergleichen. Das Finden des Higgs-Bosons ist also nicht trivial; es entspricht der experimentellen Beobachtung einer Higgs-ähnlichen Rate, die etwas größer als die vorhergesagte Hintergrundrate ist. Da die Vorhersage der Hintergrundrate ihre eigenen Fehler und Annahmen hat und statistische Schwankungen möglich sind, dauert es lange, genügend Higgs-Bosonen zu erzeugen und den Detektor gut genug zu verstehen, um sicher zu sein, dass ein Überschuss an Higgs-ähnlichen Ereignissen beobachtet wird ist echt.

Es gibt tatsächlich eine FAQ für den LHC ( auch vom CERN genehmigt ). In diesem Link sehen Sie Ihre genaue Frage mit der Antwort (alle Betonung von mir),

Wenn ein Proton die Quelle verlässt, durchquert es den Linearbeschleuniger und erreicht den PSB in wenigen Mikrosekunden. Im PSB wird es in 530 ms von 50 MeV auf 1,4 GeV beschleunigt, dann wird es nach weniger als einer Mikrosekunde in das PS injiziert, wo es entweder:

• in 1025 ms beschleunigt/manipuliert/extrahiert werden
• oder warten Sie weitere 1,2 Sekunden, bevor Sie beschleunigt werden, wenn es Teil des ersten PSB-Stapels zum PS ist.

Dann wird es an das SPS gesendet, wo es 10,8, 7,2, 3,6 oder null Sekunden wartet, unabhängig davon, ob es Teil des ersten, zweiten, dritten oder vierten PS-Stapels an das SPS ist. Das SPS beschleunigt es in 4,3 Sekunden auf 450 GeV und sendet es an den LHC.

Die Zeit, die von der Quelle bis zum Ausgang des SPS benötigt wird, liegt also zwischen

0,53 + 1,025 + 4,3 = 5,86 Sekunden und

0,53 + 1,2 + 1,025 + 10,8 + 4,3 = 17,86 Sekunden

Dann muss unser Proton bis zu 20 Minuten auf dem Injektionsplateau des LHC 450 GeV warten, bevor die 25-Minuten- Rampe auf Hochenergie ansteigt, und diese 45 Minuten dominieren die Transitzeit.

Die derzeitige Anzahl an Experimenten pro Tag am LHC ist null, da er wegen Renovierungsarbeiten vorübergehend geschlossen wurde. Ich denke jedoch, dass, als es Anfang des Jahres lief, nur wenige Experimente pro Tag durchgeführt wurden (in der Größenordnung von 5-10), aber zitieren Sie mich nicht, da ich mir nicht 100% sicher bin - -Wenn jemand die richtige Antwort hat, werde ich diese Aussage ändern.

BEARBEITEN Aus den Kommentaren von user1247 geht hervor, dass die oben zitierten "Experimente pro Tag" falsch sind. Der Teilchenstrahl wird 10-20 Stunden in den Ringen gespeichert und sorgt für mehrere hundert Millionen Kollisionen pro Sekunde, bevor der Protonenvorrat wieder aufgefüllt werden muss.