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BESCHLEUNIGERProton-Synchrotrons & -Collider
VORBEREITUNG
Beschleunigertypen
Synchrotron
Phasenstabilität
Luminosität
MEILENSTEINE
Fokussierung
Collider-Prinzip
Supraleitende Magnete
Stochastische Kühlung
TEVATRON & LHC
BESCHLEUNIGERProton-Synchrotrons & -Collider
VORBEREITUNG
Beschleunigertypen
Synchrotron
Phasenstabilität
Luminosität
MEILENSTEINE
TEVATRON & LHC
BESCHLEUNIGERProton-Synchrotrons & -Collider
VORBEREITUNG
Beschleunigertypen
Synchrotron
Phasenstabilität
Luminosität
MEILENSTEINE
TEVATRON & LHC
Beschleunigung mit Gleichspannung
Resonante Beschleunigung
Strahlentransformator (Betatron)
BESCHLEUNIGERProton-Synchrotrons & -Collider
VORBEREITUNG
Beschleunigertypen
Synchrotron
Phasenstabilität
Luminosität
MEILENSTEINE
TEVATRON & LHC
Beschleunigertypen
U
- Beschleunigungsstrecke wird nur einmal durchlaufen
- Ekin max< 30MeV
- Beispiel Röntgenröhre als Fixed-Target-Experiment
Quelle Target
BESCHLEUNIGERProton-Synchrotrons & -Collider
BeschleunigertypenBeschleunigung mit Gleichspannung
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Beschleunigertypen
Synchrotron
Phasenstabilität
Luminosität
MEILENSTEINE
TEVATRON & LHC
~
~
Cyclotron: 1931 Lawrence & Livingston
Linearbeschleuniger: 1928 Ising , Wideröe
Problem: Relativistischer Massenzuwachs, d.h. Synchro-Cyclotron mit
.v c const
pR
q B
BESCHLEUNIGERProton-Synchrotrons & -Collider
t
halbe „Keksdose“
BeschleunigertypenResonante Beschleunigung
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Beschleunigertypen
Synchrotron
Phasenstabilität
Luminosität
MEILENSTEINE
TEVATRON & LHC
0p m v
!const
Betatron: 1927 Wideröe
BESCHLEUNIGERProton-Synchrotrons & -Collider
E
B
rot Et
x
xx
B
,B B
x
x .
B B t
.R const
Spule
Vakuum-kammer
Joch
Teilchenstrahl ist Sekundärspule
BeschleunigertypenStrahlentransformator
VORBEREITUNG
Beschleunigertypen
Synchrotron
Phasenstabilität
Luminosität
MEILENSTEINE
TEVATRON & LHC
Erfindung: 1944 Veksler
BESCHLEUNIGERProton-Synchrotrons & -Collider
Synchrotron
t Synchro-Cyclotron Betatron
,R const B B t
Synchrotron
t B B t
.R const
VORBEREITUNG
Beschleunigertypen
Synchrotron
Phasenstabilität
Luminosität
MEILENSTEINE
TEVATRON & LHC
BESCHLEUNIGERProton-Synchrotrons & -Collider
t B B t
.R constx
Magnetisches Führungsfeld wächst mit Impuls:
.R const
B B t
~ t
Frequenz wird an den Impuls angepasst.
Driftröhreno. Cavities
Erfindung: 1944 Veksler
Synchrotron
VORBEREITUNG
Beschleunigertypen
Synchrotron
Phasenstabilität
Luminosität
MEILENSTEINE
TEVATRON & LHC
Teilchenpaket(Bunch)
BESCHLEUNIGERProton-Synchrotrons & -Collider
Prinzip
PhasenstabilitätPhasenfokussierung
sp
L S Hp p p
Lp
Hp
Hp
Lp
Sp
L S Hv v v c
VORBEREITUNG
Beschleunigertypen
Synchrotron
Phasenstabilität
Luminosität
MEILENSTEINE
TEVATRON & LHC
Synchrotron-Schwingung um S
pR
q B
BESCHLEUNIGERProton-Synchrotrons & -Collider
Luminosität
N LEreignisrate
Luminosität
Wirkungsquerschnitt
Wichtige Beschleuniger-Kenngröße
Luminosität für Bunche mit Gaussverteilung
VORBEREITUNG
Beschleunigertypen
Synchrotron
Phasenstabilität
Luminosität
MEILENSTEINE
TEVATRON & LHC
34 110
²cm sL
2835b
15x z µm 5,6s cm
111.1 10N 40f MHz
23 Ww pro Bunch-kreuzung
LHC:
1 2
4 x z
N Nbf
L
x
zs
BESCHLEUNIGERProton-Synchrotrons & -Collider
VORBEREITUNG
MEILENSTEINE
TEVATRON & LHC
Fragen bisher?
BESCHLEUNIGERProton-Synchrotrons & -Collider
VORBEREITUNG
MEILENSTEINE
TEVATRON & LHC
Meilensteine…
BESCHLEUNIGERProton-Synchrotrons & -Collider
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MEILENSTEINE
Fokussierung
Collider-Prinzip
Supraleitende Magnete
Stochastische Kühlung
TEVATRON & LHC
Meilensteine…
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MEILENSTEINE
Fokussierung
Collider-Prinzip
Supraleitende Magnete
Stochastische Kühlung
TEVATRON & LHC
Fokussierung
Strahlverlust
Gasatom
Divergenz-Ursachen:
- Feldfehler- Gasreste…
Strahldivergenz + grosse Strecke
BESCHLEUNIGERProton-Synchrotrons & -Collider
FokussierungNotwendigkeit
VORBEREITUNG
MEILENSTEINE
Fokussierung
Collider-Prinzip
Supraleitende Magnete
Stochastische Kühlung
TEVATRON & LHC
-x
homogenes Magnetfeld(Dipol)
A
F
B
A
F
B
x
-xs
Sollbahn
pR
q B
1
4AF U R
- viele Teilchen werden fokussiert- kurze Brennweite - kleiner Radius
2D
x
Großer Divergenzwinkel α =
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Schwache Fokussierung
x x
x
x
x
x
xx
x
x
x
x
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MEILENSTEINE
Fokussierung
Collider-Prinzip
Supraleitende Magnete
Stochastische Kühlung
TEVATRON & LHC
Cosmotron 1952-1966 3,3 GeVØ 22m
Schwache FokussierungBESCHLEUNIGERProton-Synchrotrons & -Collider
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Fokussierung
Collider-Prinzip
Supraleitende Magnete
Stochastische Kühlung
TEVATRON & LHC
Bevatron 1954-1993
6,2 GeVØ 55m
Schwache FokussierungBESCHLEUNIGERProton-Synchrotrons & -Collider
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Fokussierung
Collider-Prinzip
Supraleitende Magnete
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TEVATRON & LHC
Synchrophasotron 1957
10 GeVØ 33m
Schwache FokussierungBESCHLEUNIGERProton-Synchrotrons & -Collider
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Fokussierung
Collider-Prinzip
Supraleitende Magnete
Stochastische Kühlung
TEVATRON & LHC
r
zx
N
S
Schwache FokussierungSenkrecht zur Bahnebene
- B-Feld-Stärke nimmt nach Aussen ab- Fokussierung in der Bahnebene verschlechtert sich
z rF q v B
zF zB
rB
zB
rB
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Fokussierung
Collider-Prinzip
Supraleitende Magnete
Stochastische Kühlung
TEVATRON & LHC
x
A B
A B
xs
F‘
schwächere Krümmung aussen
stärkere Krümmung innen
R0
Bz
r
B0
F‘
Schwache FokussierungVon Schwach nach Stark
Gradient verursacht
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Collider-Prinzip
Supraleitende Magnete
Stochastische Kühlung
TEVATRON & LHC
Orb
it
A B
sOrbit
Starke FokussierungIdee
A B
Alternating Gradient Principle 1952
Wechselnde Feldgradienten
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Fokussierung
Collider-Prinzip
Supraleitende Magnete
Stochastische Kühlung
TEVATRON & LHC
x -xO
rbit
A B
xs
Orbit
B
A
Rechnung zeigt:- Stärkere Fokussierung in Bahnebene und senkrecht dazu, obwohl abwechselnd auch defokussiert wird.- Diese starke Fokussierung ist unabh. von Radius.
Starke FokussierungIdee
Alternating Gradient Principle 1952
Wechselnde Feldgradienten
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Collider-Prinzip
Supraleitende Magnete
Stochastische Kühlung
TEVATRON & LHC
Starke FokussierungBESCHLEUNIGERProton-Synchrotrons & -Collider
PS CERN, 1959
28 GeVØ 200m
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Collider-Prinzip
Supraleitende Magnete
Stochastische Kühlung
TEVATRON & LHC
Starke FokussierungBESCHLEUNIGERProton-Synchrotrons & -Collider
AGS 1960
33 GeVØ 257m
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Fokussierung
Collider-Prinzip
Supraleitende Magnete
Stochastische Kühlung
TEVATRON & LHC
Beampipe: 20cm x 61cmEnergie: 3,3GeVØ : 22mStahl [t]: 2000
Ø 3-5 cm33GeV257m4000
Cosmotron 1952 AGS 1960
Querschnittsvergleich
Starke Fokussierung
Alternating Gradient Sychrotron
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Fokussierung
Collider-Prinzip
Supraleitende Magnete
Stochastische Kühlung
TEVATRON & LHC
Führungsfeld und Fokussierung in einem.
Führungsfeld durch Dipolmagnete(D)Fokussierung durch Quadrupol-Dubletts(QD)
D
QDQD
D
Combined Function Magnets:
Separated Function Magnets:
Gradient,nicht Feldrichtung
Optik: Linsen-Dubletts
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Supraleitende Magnete
Stochastische Kühlung
TEVATRON & LHC
z
x
NS
SN
F
F F
F
Bx= -gz Bz= -gx
Horizontal fokussiered und gleichzeitig vertikal defokussierend
Starke FokussierungQuadrupol
x
x
x
x
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Collider-Prinzip
Supraleitende Magnete
Stochastische Kühlung
TEVATRON & LHC
z
x
s
s
L
2L fFokussierung wenn:
0pf
e g l
Gradient des B-Feldes
reale Länge des Quadrupols
Starke FokussierungVergleich mit Optik
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Supraleitende Magnete
Stochastische Kühlung
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Starke FokussierungBewegungsgleichung
20
1 1
0
px s k x s
R R p
z s k z s
0
R R s
qk k s g s
p
z
x
x(s)
z(s)
s
r 0
s
Schwingung um Sollbahn Betatron-Schwingung
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Supraleitende Magnete
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Collider-Prinzip
Supraleitende Magnete
Stochastische Kühlung
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Collider-Prinzip
Supraleitende Magnete
Stochastische Kühlung
TEVATRON & LHC
Collider-Prinzip
Collider-PrinzipKollidierende Teilchenstrahlen
Vorteile:
Höhere Schwerpunktsenergie bei kleinerer Strahlenergie
2 2
1 2 3 4s p p p p
1p 2p
4p3p
2 22 2
2
E mE
m
100E GeV 20E TeV
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E E
E
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Fokussierung
Collider-Prinzip
Supraleitende Magnete
Stochastische Kühlung
TEVATRON & LHC
Vorteile:
Recycling
Fixed-Target: Bunche gehen nach Kollision verloren
Collidern: Bunche werden recyclet
x
x .
.
x
x
.
.
LHC: 2835 Bunche, Abstand 25ns, 1011Protonen/Bunch
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Collider-Prinzip
Supraleitende Magnete
Stochastische Kühlung
TEVATRON & LHC
Collider-PrinzipKollidierende Teilchenstrahlen
Vorteile:
Teilchen und Antiteilchen können in einer Strahlröhre gegensinnig beschleunigt werden.
.
FLFL
v v‘
Nachteile:
Identische Teilchen können nicht in einer Strahlröhre gegensinnig beschleunigt werden.
q-q
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|v|=|v‘|
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Supraleitende Magnete
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Collider-PrinzipKollidierende Teilchenstrahlen
Nachteile:
Luminosität geringer als bei Fixed-Target- Experimenten.
Problem bei p-p-Collidern:
Protonen sind keine Punktteilchen Impulsverteilung der Konstituenten
Collider: 33 2 110 cm s L37 2 110 cm s LFixed Target:
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Collider-Prinzip
Supraleitende Magnete
Stochastische Kühlung
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Collider-PrinzipKollidierende Teilchenstrahlen
ISR Intersecting Storage Rings, 1.p-p-Collider 1971, 31+31GeV, bis 1984
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Supraleitende Magnete
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Collider-PrinzipKollidierende Teilchenstrahlen
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Supraleitende Magnete
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Supraleitende MagneteBESCHLEUNIGERProton-Synchrotrons & -Collider
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Collider-Prinzip
Supraleitende Magnete
Stochastische Kühlung
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Supraleitende MagneteVergleich
Elektromagnete mit Eisenkern:
(Sättigung des Eisens)
Elektromagnete ohne Eisenkern (Luftspule):
- Normal-Leiter
Stromdichten bis 100A/mm²
- Supraleiter
Stromdichten >1500A/mm²
1B T
2B T
6B T
Multipolordnung
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Collider-Prinzip
Supraleitende Magnete
Stochastische Kühlung
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Supraleitende MagneteSpule ohne Eisen-Kern
Diese Stromverteilung erzeugt ein B-Feld m-ter Ordung:
0 cosI I m , m N
Beispiel m=1: Dipolfeld
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Supraleitende Magnete
Stochastische Kühlung
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Supraleitende MagneteSupraleiter = Idealer Diamagnet
F F
Idealer Diamagnet: 1m
M= H=-Hm
H
S.L
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Supraleitende Magnete
Stochastische Kühlung
TEVATRON & LHC
Ströme fließen nur im Mantelbereich
F
M= H=-HmH
F.
S.L
S.L
S.L
.
..
.
..
.
.
Idealer Diamagnet: 1m
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Collider-Prinzip
Supraleitende Magnete
Stochastische Kühlung
TEVATRON & LHC
Supraleitende MagneteSupraleiter = Idealer Diamagnet
Supraleitende MagneteSupraleiterkabel
..
.
..
.
.
Große Oberfläche, um kritische Stromdichte zu vermeiden
Quenching
Plötzlicher Verlust der Supraleitung Normalleitung = Leistungsabfall/Wärme
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Filamente
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Collider-Prinzip
Supraleitende Magnete
Stochastische Kühlung
TEVATRON & LHC
Um die Ausbreitung eines Quenches zu verhindern wird das S.L.Material von Kupfer umgeben:
Cu transportiert Wärme ab. Cu übernimmt kurzfristig den Stromtransport
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Supraleitende Magnete
Stochastische Kühlung
TEVATRON & LHC
Supraleitende MagneteSupraleiterkabel
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Supraleitende Magnete
Stochastische Kühlung
TEVATRON & LHC
Warum NbTi ? NbTi läßt sich leicht verarbeiten, d.h. es ist nicht spröde.
Supraleitende MagneteNbTi
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S.L.2. Art lassen höhere äussere Felder zu.B-Feld kann in Fluss-Schläuchen eindringen
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Stochastische Kühlung
TEVATRON & LHC
Supraleitende MagneteLHC-Dipol
Querschnitt eines LHC-Dipolmagneten
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TEVATRON & LHC
Spulen und mech. Einfassung
Abstoßende Kräfte zwischen den Leitern:400t pro Meter Leiterlänge
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Supraleitende Magnete
Stochastische Kühlung
TEVATRON & LHC
Supraleitende MagneteLHC-Dipol
Länge: ca. 15m Gewicht: 27t Strom:11850AB-Feld: 8,3T Anzahl: 1232
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Supraleitende Magnete
Stochastische Kühlung
TEVATRON & LHC
Supraleitende MagneteLHC-Dipol
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Supraleitende Magnete
Stochastische Kühlung
TEVATRON & LHC
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Fokussierung
Collider-Prinzip
Supraleitende Magnete
Stochastische Kühlung
TEVATRON & LHC
Stochastische Kühlung
Stochastische Kühlung
Strahldivergenz bleibt bei Fokussierung erhalten„Divergenz=Transversale Temperatur“
Notwendigkeit:
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Verbesserung der ‘Strahlqualität‘VORBEREITUNG
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Fokussierung
Collider-Prinzip
Supraleitende Magnete
Stochastische Kühlung
TEVATRON & LHC
Idee Simon v.d. Meer 1972
Pick-Up Kicker
Signalübertragung Abkürzung
Teilchenzahl zu groß Untersysteme ( „Makroteilchen“)
Stochastische Kühlung
Transversales E-Feld „kickt“ Teilchen auf neue Bahn
Probleme
gegeben durch Betatronschwingung
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VORBEREITUNG
MEILENSTEINE
Fokussierung
Collider-Prinzip
Supraleitende Magnete
Stochastische Kühlung
TEVATRON & LHC
Stochastische Kühlung
Pick-Up Kicker: Strecke kurz Durchdringung der Makroteilchen unerwünscht
Kicker Pick-Up: Strecke möglichst lang„kalte“ und „warme“ Makroteilen mischenGesamttemperatur sinkt.
BESCHLEUNIGERProton-Synchrotrons & -Collider
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Fokussierung
Collider-Prinzip
Supraleitende Magnete
Stochastische Kühlung
TEVATRON & LHC
Stochastische KühlungBESCHLEUNIGERProton-Synchrotrons & -Collider
Antiproton Accumulator Ring CERN
VORBEREITUNG
MEILENSTEINE
Fokussierung
Collider-Prinzip
Supraleitende Magnete
Stochastische Kühlung
TEVATRON & LHC
VORBEREITUNG
MEILENSTEINE
TEVATRON & LHC
BESCHLEUNIGERProton-Synchrotrons & -Collider
VORBEREITUNG
MEILENSTEINE
TEVATRON & LHC
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Tevatron & LHC…
Tevatron
VORBEREITUNG
MEILENSTEINE
TEVATRON & LHC
Tevatron
LHC
Ausblick
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Oberirdisch!
Tevatron
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MEILENSTEINE
TEVATRON & LHC
Tevatron
LHC
Ausblick
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1 TeV
3.2 km Umfang
6.3km Umfang
LHC
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MEILENSTEINE
TEVATRON & LHC
Tevatron
LHC
Ausblick
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LHC
Umfang: 27km
7TeV 7TeV
L=1034cm-2s-1
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MEILENSTEINE
TEVATRON & LHC
Tevatron
LHC
Ausblick
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VORBEREITUNG
MEILENSTEINE
TEVATRON & LHC
Tevatron
LHC
Ausblick
BESCHLEUNIGERProton-Synchrotrons & -Collider
Computer-Grafik
LHCZeitplan
Oktober 2006
April 2007
Herbst 2007
Ring wird geschlossen und gekühlt
LHC-Inbetriebnahme(erste Strahlen)
Erste pp-Kollisionen
VORBEREITUNG
MEILENSTEINE
TEVATRON & LHC
Tevatron
LHC
Ausblick
BESCHLEUNIGERProton-Synchrotrons & -Collider
Ausblick
VORBEREITUNG
MEILENSTEINE
TEVATRON & LHC
Tevatron
LHC
Ausblick
BESCHLEUNIGERProton-Synchrotrons & -Collider
VLHC (233km, bis 200TeV)http://vlhc.org/
LHC (27km)
Tevatron (6,3km)
LHC & TevatronLHC-Bilder
Ende
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