R. Kainhofer, FBA über DESY DESY

Inhalt | Einleitung | theoretische Grundlagen | Das Institut DESY | Vergleich mit CERN | Anhang 


3 DESY in Hamburg

3.1 Das Institut in Hamburg

3.1.1 Geschichte

Das DESY-Gel�ndeDas Deutsche Elektronen-Synchrotron wurde am 18. Dezember 1959 als nationale Forschungseinrichtung der Bundesrepublik Deutschland mit dem Status einer �ffentlichen Stiftung gegr�ndet. Dies bedeutet, da� die j�hrlich rund 230 Mio. DM f�r den Betrieb zu 90% von der Bundesrepublik Deutschland und zu 10% von der Stadt Hamburg aufgebracht werden und die Untersuchungen bei DESY f�r jedermann kostenlos sind, die Ergebnisse jedoch sofort ver�ffentlicht werden m�ssen. DESY ist die einzige Gro�forschungseinrichtung, die sich mitten in einer Gro�stadt befindet, n�mlich direkt neben dem Hamburger Volkspark, Teile des HERA-Tunnels sogar darunter. Die folgende Tabelle gibt die wichtigsten Jahreszahlen in der Geschichte des Institutes wider [DESY, EU94, GE94]:
 

Jahr(e) Ereignisse und Entwicklungen
1957-59 Planung und Gr�ndung des Institutes
1960-64 Bau des Deutschen Elektronen-Synchrotrons DESY (anfangs 6 GeV, sp�ter 7,5 GeV) 
1964 LINAC I (55 MeV) startet
1967-73 Bau des Doppelring-Speichers DORIS (2 mal 3,5 GeV - Synchrotron f�r Elektronen und Positronen) 
1972 Das Europ�ische Labor f�r Molekularbiologie, welches die anfallende Synchrotronstrahlung n�tzt, wird er�ffnet. 
1976-78 Bau der Positron-Elektron-Tandem-Ring-Anlage PETRA (2 mal 23 GeV) 
1978-80 Bau des Hamburger Synchrotronstrahlungs-Labor HASYLAB
1981/82 Umbau von DORIS zum Elektron-Positron-Collider DORIS II mit lediglich einer Vakuumr�hre (2 mal 5,6 GeV) 
1986 Umbau von PETRA zu PETRA II (e�: 12 GeV, p: 40 GeV) als Injektor f�r HERA
1984-88 (Um-)Bau von DESY II, DESY III und LINAC III f�r die geplante Anlage HERA
1984-90 Bau des Elektron-Proton-Colliders HERA (30 GeV Elektronen/Positronen, 820 GeV Protonen) 
1990/91 DORIS wird zu DORIS III umgebaut und mit 7 Wigglern und Undulatoren versehen, um h�here Synchrotronstrahlungsintensit�t zu erhalten
1991 19. Oktober: erste Proton-Elektron-Kollisionen in HERA
1992 Inbetriebnahme der Hadron-Elektron-Ring-Anlage HERA
ab 1993 DORIS III wird ausschlie�lich als Synchrotronstrahlungsquelle f�r das HASYLAB genutzt
1995  Bei PETRA wird ein Undulator eingebaut, um ab nun auch PETRA als Synchrotronstrahlungsquelle f�r 12 GeV Strahlung zu n�tzen. 
Das fixed-target Experiment HERMES bei HERA geht in Betrieb

Bei DESY wird in zwei Hauptgebieten, die nicht nur die Grundlagenphysik betreffen, geforscht: Der Hochenergiephysik (Elementarteilchenphysik) und der Synchrotronstrahlung. Dazu stehen zur Zeit drei Hauptringe zur Verf�gung, n�mlich der Elektronenring DORIS, der ausschlie�lich zur Erzeugung von Synchrotronstrahlung f�r HASYLAB genutzt wird, und die beiden HERA-Ringe f�r Positronen und Protonen, wo Hochenergieforschung mittels Elektron-Proton-Kollisionen betrieben wird. Zur Einspeisung der Teilchen in die Hauptringe stehen sieben Vorbeschleuniger zur Verf�gung, die fr�her Hauptringe waren und zu Vorbeschleunigern umkonstruiert wurden.
War DESY fr�her ausschlie�lich eine nationale Forschungseinrichtung, so erfreut es sich nicht zuletzt aufgrund der Tatsache, da� HERA der einzige Elektron-Proton-Collider der Welt ist, schon seit l�ngerem regen ausl�ndischen Interesses. Es sind zur Zeit bei DESY mehr als 700 Wissenschaftler von 84 Universit�ten und anderen Instituten aus nicht weniger als 17 L�ndern t�tig, und 1300 Angestellte besch�ftigt.

3.1.2 Der zweite Standort in Zeuthen

Das Institut f�r Hochenergiephysik Zeuthen, kurz DESY-IfH Zeuthen genannt, geh�rt seit dem 1. J�nner 1992 zu DESY. Dieses Institut, das zu 90% vom Bund und zu 10 % vom Land Brandenburg finanziert wird, hat sich zum Gro�teil auf die Entwicklung von neuen Detektorkomponenten spezialisiert. So entwarf man einige Teile von H1 bei HERA und dem L3-Detektor bei CERN nahe Genf. Man bereitet aber auch Teile von zuk�nftigen DESY-Projekten, wie HERMES (bereits in Betrieb) oder HERA-B, vor. Au�erdem werden die Messergebnisse der gro�en HERA-Detektoren teilweise bei IfH ausgewertet, oder man nimmt an anderen internationalen Projekten teil, wie zur Zeit gerade am Neutrino-Teleskop NT-200 im Baikalsee in einer Tiefe von 1100 m. Das IfH ist heute auch Ausbildungsst�tte f�r zahlreiche Berufe. Es arbeitet aber nicht nur im experimentellen, sondern auch im theoretischen Sektor.

3.1.3 Die Organisation des Institutes

An der Spitze des Institutes steht das f�nfk�pfige Direktorium, in dem unter dem Vorsitz von Bj�rn H. Wiik die vier Bereiche "Verwaltung", "Zentrale Datenverarbeitung, Entwicklung und Betrieb", "Maschine" und "Forschung" durch je einen Forscher vertreten sind. Zur Seite stehen dem Direktorium bei wissenschaftlichen Belangen der Wissenschaftliche Rat mit 10-15 Mitglieder, und bei verwaltungstechnischen Themen der Verwaltungsrat mit drei Vertretern der Bundesrepublik Deutschland und jeweils zwei Vertretern der Stadt Hamburg und des Landes Brandenburg. Das Institut wird in f�nf Bereiche unterteilt, welche neben den vier oben genannten noch das DESY IfH Zeuthen beinhalten, welches wiederum in die Bereiche "Forschung", "Zentrale Datenverarbeitung, Entwicklung und Betrieb" und "Verwaltung" unterteilt wird. (nach [DE95])

3.2 Entdeckungen bei DESY

Folgend seien nur die wichtigsten Entdeckungen (in etwa) chronologisch und mit der Anlage, die zur Entdeckung f�hrte, aufgelistet [DESY, GE94]:

DESY:

Man fand erste Hinweise auf die k�rnige Struktur des Protons (1965), konnte die Quarks aber wegen der zu geringen Energie noch nicht nachweisen.

DORIS:

Das charm-Quark wurde endg�ltig best�tigt (1974).
Eine untere Massegrenze von 50 GeV f�r das top-Quark konnte bestimmt werden.
Die obere Massegrenze f�r Tau-Neutrinos konnte bestimmt werden.

PETRA:

Die Gluonen wurden entdeckt (1978) und ihr Spin gemessen.
Die Interferenz von elektromagnetischer mit schwacher Wechselwirkung wurden erstmals beobachtet und damit die elektroschwache Theorie untermauert.

3.3 PHYSIK BEI HERA

3.3.1 Tiefinelastische Lepton-Nukleon-Streuung

NC-Event bei ZEUS Um die Struktur von Teilchen zu untersuchen wendet man dasselbe Prinzip an, wie es schon Rutherford bei seinen Streuversuchen zur Erforschung des Atoms tat: Man beschie�t sie mit anderen, kleineren Teilchen. Bei HERA l��t man Protonen und Elektronen frontal kollidieren und mi�t die Streuung des Elektrons, wobei es zwei verschiedene Arten gibt [EU94, GE94, u.a.]. Bei einem NC-Ereignis (Neutral-Charge, s. Abbildung 13) wird ein ungeladenes Eichboson (Photon, Z0) ausgetauscht (s. Abbildung 14), wodurch das Elektron erhalten bleibt und im Detektor neben dem Teilchenjet des Quarks nachgewiesen wird, der Protonrest verl��t den Detektor durch das Vakuumrohr unerkannt. Die zweite Art der Elektron-Proton-Streuung ist ein sogenanntes CC-Ereignis (Charged-Current, s. Abbildung 15), bei dem durch den Austausch eines geladenen W(-Bosons das Elektron in ein e-Neutrino umgewandelt wird, das im Detektor nicht nachgewiesen werden kann. Ansonsten l�uft alles gleich ab wie bei einem NC-Ereignis.
NC-Event CC-Event Der Streuproze� l��t sich durch zwei kinematische Gr��en, x und Q�, beschreiben. Dabei gibt x, die sogenannte Bj�rken-Skalen-Variable, den Bruchteil des Protonimpulses an, den das Quark besa�, an dem das Elektron gestreut wurde. Q� ist ein Ma� f�r den im Sto� �bertragenen Impuls (das Quadrat der Energie des Austauschteilchens) [GE94, EU94]. Beide Gr��en werden durch die Messung der Energie der Teilchen (Energie der Elektronen: Ee vor und Ee' nach der Streuung; Energie der Proton: Ep) und bei einem NC-Event durch Messung des Streuwinkels THETAe des Elektrons, bei einem CC-Event durch Messung des Winkels THETAj des Teilchenjets bestimmt [F�93, JA92]: f�r ein NC-Event f�r ein CC-Event

Aus dem Wert von Q kann man die maximale Ortsaufl�sung Delta berechnen [EU94]:
mit  und Q...�bertragener Impuls bei der Streuung
Durch diese Streuprozesse erhoffen sich die Teilchenphysiker neben genaueren Erkenntnissen �ber die Strukturfunktionen des Protons, welche die innere Struktur mathematisch beschreiben, auch eine praktische Best�tigung der Quantenchromodynamik (QCD) [JA92, F�93, EU94].

3.3.2 Photoproduktion / Erzeugung schwerer Quarks

Der direkte Proze� Der aufgel�ste Proze�
Wenn in HERA Elektronen und Protonen mit hoher Geschwindigkeit aufeinanderprallen, wird das Elektron im elektrischen Feld des Protons beschleunigt und strahlt dabei ein Photon ab, das anschlie�end mit den geladenen Bausteinen des Protons reagiert. Das geschieht normalerweise elektromagnetisch. Doch die Heisenbergsche Unsch�rferelation erlaubt es dem Photon auch, sich f�r �u�erst kurze Zeit in ein Quark-Antiquark-Paar umzuwandeln, das dann als Hadron weiterfliegt und die gleichen Quantenzahlen besitzt wie das Photon [GE94]. Dies er�ffnet au�erhalb von Proton-Antiproton-Kollisionen die M�glichkeit rein hadronischer Wechselwirkungen. Diese doppelte Erscheinungsform des Photons spiegelt sich in den beiden m�glichen Arten von Prozessen wider [GE94, EU94, F�93], in denen ein abgestrahltes Photon an einem Proton gestreut wird: dem direkten Proze� (Abbildung 16), in dem das Photon als Lichtquant reagiert, und dem aufgel�sten Proze� (Abbildung 17), bei dem das Photon wie eine Wolke von Quarks und Gluonen mit einem der Quarks oder Gluonen des Photons reagiert. Beim direkten Proze�, haupts�chlich der Photon-Gluon-Fusion, verschmelzen das Photon und ein vom Proton abgestrahltes Gluon und erzeugen ein schweres Quark-Antiquark-Paar, was sich in zwei Teilchenjets manifestiert. Das gestreute Elektron und der Protonrest verlassen den Detektor unregistriert durch das Strahlrohr. Beim aufgel�sten Proze� reagiert das Photon als Quark-Antiquark-Paar, wobei eines der Quarks ein Gluon abstrahlt, das dann mit einem Teil des Protons (in Abbildung 15 mit einem Gluon) reagiert. Dabei entstehen wieder zwei Jets, im Unterschied zum direktem Proze� zus�tzlich ein Photonrest, der sich im Detektor nachweisen l��t.
Die Analyse dieser Prozesse erbrachte den Beweis, da� Photonen nicht nur Lichtquanten sind, sondern sich auch wie ein "Sack voller Quarks und Gluonen" [GE94, S. 18] verhalten.

3.3.3 Suche nach neuen Teilchen

Als Elektron-Proton-Speicherring ist HERA sehr gut dazu geeignet, nach bestimmten neuen Formen von Materie zu suchen [EU94]. Zum einen sind das angeregte Zust�nde von Elektronen und zum anderen sogenannte "Leptoquarks". Dies sind Teilchen, die aus einem Elektron und einem Quark bestehen und somit eine Leptonen- und eine Baryonenzahl ungleich 0 besitzen. Solche seltsam anmutenden Teilchen werden von allen Theorien vorausgesagt, die das Standardmodell auch mit der Gravitation zu verkn�pfen versuchen. Bisher konnte jedoch weder von DESY, das wegen der Kollision von Elektronen (Leptonen) mit Protonen (bestehend aus Quarks) daf�r besonders geeignet ist, noch von einem anderen Teilchenforschungsinstitut eine Erfolgsmeldung in dieser Richtung vernommen werden. Bei DESY gelang es jedoch, eine untere Massegrenze von 250 GeV f�r solche Leptoquarks zu bestimmen [DE95]. W�rde es gelingen, Leptoquarks oder angeregte Zust�nde von Elektronen zu finden, w�re dies ein Hinweis, da� die zur Zeit bekannten Elementarteilchen Quarks und Leptonen noch aus kleineren Strukturen bestehen.

3.3.4 Untersuchung des Protonenspins

Urspr�nglich nahm man an, der Spin von Hadronen setze sich aus den Spins seiner Komponenten, also der Quarks, zusammen. Bei Versuchen des CERN, des Europ�ischen Teilchenforschungsinstitutes nahe Genf, wurde jedoch diese Annahme widerlegt.
Im Rahmen des HERMES-Programmes, welches seit 1995 l�uft, versucht man nun bei HERA den Spin von Protonen genauestens zu untersuchen. Bei diesem Programm wird der polarisierte Elektronenstrahl auf Wasserstoff, Deuterium und Helium-3 gelenkt. Durch die H�ufigkeit der Ablenkungswinkel erhoffen sich die Physiker genauere Aufschl�sse �ber den Ursprung des Protonenspins [GE94].

3.4 Die Anlagen

Die Informationen zum folgenden Kapitel �ber die Anlagen bei DESY wurden [DESY, DE90, DE95, EX90, EU94, F�93, GE92, GE94, GE94a, HA88, HA93, INAA, INDE, INZE, KR91, NI90, RU93, SC93, SE90, WA91] entnommen

3.4.1 DESYs erster Beschleuniger - DESY

Der erste Beschleunigerring des Institutes, das Deutsche Elektronen-Synchrotron, wurde am 25.2. 1964 in Betrieb genommen. Mit einem Umfang von 317 m, Baukosten von nur etwa 80 Mio. DM und einer Elektronenenergie von 6 GeV nimmt es sich vergleichsweise winzig gegen�ber den heutigen Ringen aus. Bei DESY wurden au�erdem lediglich fixed-target Experimente durchgef�hrt, bei denen die beschleunigten Teilchen auf ein ruhendes Target geschossen wurden. Dadurch wurde nur eine sehr geringe Schwerpunktsenergie erreicht. Man erhielt bereits erste Hinweise auf die "k�rnige Struktur des Protons", jedoch war die Energie zu klein, um die Quarks endg�ltig nachzuweisen. Bereits im Jahr 1965 erfolgte die erste Nutzung der unausweichlich entstehenden Synchrotronstrahlung.
Im Jahr 1986 wurde im selben Tunnel das DESY II als Elektronen-Vorbeschleuniger f�r den gro�en HERA-Ring gebaut, das alte Synchrotron wurde zu DESY III als Protonen-Vorbeschleuniger umkonzipiert.

3.4.2 HASYLAB

 
Grundri� von HASYLABNachdem man bereits im Jahr 1965 erste Versuche mit Synchrotronstrahlung bei DESY unternommen und im Jahr 1974 mit Synchrotronstrahlungsexperimenten bei DORIS begonnen hatte, gr�ndete man 1981 das Hamburger Synchrotronstrahlungs-Labor, kurz HASYLAB, am Speicherring DORIS. Damit stand f�r die Fachwelt eine einzigartige Quelle elektromagnetischer Strahlung hoher Intensit�t und mit breitem Spektrum zur Verf�gung. Im Jahr 1991, im Zuge des Umbaus von DORIS II zu DORIS III, wurden 7 Wiggler und Undulatoren, im folgenden Jahr noch weitere eingebaut. Seit 1993 wird DORIS III nur noch als Synchrotronstrahlungsquelle f�r das HASYLAB betrieben und stellt so f�r 4250 Stunden im Jahr Strahlung zur Verf�gung. Der Elektronen- bzw. seit 1994 Positronenstrahl hat f�r 8 Stunden eine hinreichend gro�e Dichte f�r eine vern�nftige Erzeugung von Synchrotronstrahlung. Bei HASYLAB stehen zur Zeit 39 Me�pl�tze etwa 40 m vom Ring entfernt zur Verf�gung, wo an 83 Instrumenten etwa 1000 Wissenschaftler von 130 Instituten aus 25 L�ndern ihre Forschungen betreiben (Abbildung 18 zeigt eine Skizze von HASYLAB). Die Strahlung wird durch Vakuumrohre vom Ring zu den Me�stationen geleitet, wo Experimente leicht im Ultra-Hoch-Vakuum (UHV) durchgef�hrt werden k�nnen. F�r Experimente in Luft wird die Strahlung durch nicht absorbierende Berillium-Fenster nach au�en gelassen. Bis heute wurden 20 Wiggler und Undulatoren eingebaut, wodurch die urspr�ngliche Intensit�t auf das tausendfache erh�ht werden konnte.

3.4.3 DORIS mit ARGUS

Im Jahr 1974 in Betrieb genommen, war der Elektron-Positron-Collider DORIS (DOppel-RIng-Speicher) mit einem Umfang von 288 m f�r Schwerpunktsenergien von 3 bis 4 GeV konzipiert. Damit lie�en sich die gerade entdeckten charm-Resonanzen (J/Psi - Teilchen) untersuchen. Aufgrund des guten Vakuums konnten die Teilchen erstmals �ber Stunden im Collider kreisen, bis der Strahlstrom zu schwach wurde. In der Folge wurde 1982 ein Umbau zu DORIS II mit einer Schwerpunktsenergie von etwa 10 GeV vorgenommen, wobei der Speicherring danach nur noch eine Vakuumr�hre besa�, in der ein e- und ein e+-Teilchenpaket (Bunch) in entgegengesetzter Richtung umliefen. Dadurch ergaben sich zwei Kollisionszonen mit einer Frequenz von etwa 100 MHz, wobei im einen Wechselwirkungspunkt der Detektor ARGUS (A Russian German USA Swedish Collaboration) und im anderen bis zum Bau des HASYLAB (Hamburger Synchrotronstrahlungs-Labor, s. 3.4.2) der Detektor Crystal Ball aufgestellt waren. Bis zum Bau von PETRA war DORIS der gr��te Ring bei DESY.
Neben den charm-Resonanzen wurden bei DORIS II vor allem Experimente mit bottom-Teilchen durchgef�hrt. Dabei wurden die Wahrscheinlichkeiten gemessen, mit denen ein Quark in ein anderes Quark einer niedrigeren Generation �bergeht. Diese Parameter sind Werte, welche das Standardmodell nicht voraussagen kann und die daher experimentell ermittelt werden m�ssen.
Da man mit DORIS und dem Detektor ARGUS international kaum noch konkurrieren konnte, beschlo� man 1993, das Teilchenphysikprogramm an DORIS zu beenden und den Speicherring als DORIS III, durch Wiggler und Undulatoren (auf etwa 11% des Umfanges) entsprechend optimiert f�r Positronen, nur noch als Synchrotronstrahlungsquelle f�r das HASYLAB einzusetzen. Die Energie des Teilchenstrahles betr�gt nun etwa 4,5 GeV.

3.4.4 PETRA

Der 1978 fertiggestellte Elektron-Positron-Collider PETRA (Positron-Elektron-Tandem-Ring-Anlage) war mit einem Umfang von 2,3 km und einer Schwerpunktsenergie von urspr�nglich 18,5 GeV je Strahl (ab 1984 sogar 23,5 GeV) bis zum Jahr 1989 der Speicherring mit der weltweit h�chsten Elektronenenergie. Der Bau wurde noch in offener Bauweise durchgef�hrt, und die Experimente bereits mit betr�chtlicher ausl�ndischer Beteiligung ausgef�hrt. Bei PETRA wurden die Gluonen bei Drei-Jet-Ereignissen (s. Abbildung 5) entdeckt, ihr Spin gemessen und die elektroschwache Theorie experimentell untermauert. An diesem Ring waren f�nf Detektoren aufgestellt: CELLO, JADE, MARK J, PLUTO und TASSO.
Ungeachtet aller Erfolge wurde PETRA Ende 1986 stillgelegt, da man sich bei DESY von da an dem Bau von HERA verschrieben hatte. Dies bedeutete jedoch noch nicht das endg�ltige Aus f�r PETRA, der nun zum letzten von HERAs zahlreichen Vorbeschleunigern umgebaut wurde und fortan den Namen PETRA II tr�gt.
Da bei der Funktion als Vorbeschleuniger der Ring bei weitem nicht ausgelastet ist, beschlo� man 1993, einen Undulator einzubauen und den Ring w�hrend der nicht genutzten Zeit als Quelle von Synchrotronstrahlung einzigartiger Charakteristik zu verwenden. Der Energiebereich dieser Synchrotronstrahlung liegt im Bereich von 10-200 keV.

3.4.5 HERA mit ZEUS & H1

Grundri� von HERA Bereits im Jahr 1972 wurde erstmals der Vorschlag laut, einen Collider zu bauen, in dem die beiden verschiedenartigen Teilchen Elektronen und Protonen kollidieren sollten. Im Jahr 1984 wurde schlie�lich mit dem Bau begonnen, 1992 wurde der Ring dann endg�ltig als bisher einziger Elektron-Proton-Collider der Welt in Betrieb genommen. Mit einem Umfang von 6336 m erreicht HERA Schwerpunktsenergien von 314 GeV und somit Aufl�sungen von etwa 10E-16 mm. Es kreisen jeweils 210 gegenl�ufige Teilchenpakete (Bunches) in einem Abstand von ungef�hr 30m oder 96 ns in den Ringen f�r die Protonen und die Elektronen, wobei drei Kollisionszonen eingebaut wurden, in denen sich die Teilchenstrahlen kreuzen und folglich Wechselwirkungen stattfinden k�nnen. In der vierten verf�gbaren Halle finden keine Wechselwirkungen statt, da sie f�r fixed-target Experimente errichtet wurde. Bisher wurden in den Hallen Nord und S�d die beiden Detektoren ZEUS und H1 aufgebaut, mit denen die in 3.3 beschriebenen Experimente durchgef�hrt werden, in der Halle Ost l�uft seit Beginn des Jahres 1995 das fixed-target Experiment HERMES. Bei einem fixed-target-Experiment prallen nicht zwei gegenl�ufig zirkulierende Teilchenstrahlen gegeneinander, sondern einer der Strahlen wird auf ein ruhendes (fixed) Ziel (target) gerichtet. Ein weiters Experiment namens HERA-B befindet sich f�r die Halle West in Vorbereitung bzw. Bau.
Bei den Positronen enth�lt ein Bunch etwa 35 Mrd. Teilchen, bei den Protonen 100 Mrd. Durch die Kollisionen und die Bremsstrahlung nimmt die Intensit�t der Strahlen mit der Zeit ab, weshalb nach etwa 8 Stunden eine neuerliche Auff�llung notwendig ist, welche etwa 20 Minuten dauert.
Zugang zum Tunnel mit einem Innendurchmesser von 5,2 m findet man nur durch die vier riesigen Hallen von 25 x 43 m, in denen die Experimente aufgebaut sind.
Die Bunches umlaufen die Ringe etwa 47.400 Mal pro Sekunde, was in etwa der Lichtgeschwindigkeit entspricht, wodurch sich etwa 10 Mio. Durchdringungen pro Sekunde ergeben. Bei der hohen Zahl von Kollisionen ist nat�rlich eine starke Selektion durch Computer absolut unumg�nglich. Durch die sogenannten Trigger direkt im Detektor werden die Ereignisse schon nach bestimmten Kriterien aussortiert, der zentrale Rechner reduziert dann die Zahl auf letztlich etwa 5 Wechselwirkungen pro Sekunde, die wirklich registriert, auf Magnetband gespeichert und sp�ter ausgewertet werden.
Bei Elektronen-Synchrotronen hatte man beim Bau von HERA schon viel Erfahrung, wogegen man f�r die Protonenr�hre erst v�llig neue Techniken entwickeln mu�te. Vor allem mu�ten die Tieftemperatur-Technik und die Magnetentwicklung stark forciert werden. Die Beschleunigung geschieht haupts�chlich in Hochfrequenz-Beschleunigungsstrecken (auch Cavities genannt) in den geraden Teilen des Ringes.
Im Jahr 1994 wurde der Betrieb von Elektronen auf Positronen umgestellt, welche nicht durch Restgasmolek�le eingefangen werden, und so eine h�here Lebensdauer aufweisen. In der Elektronenr�hre kreisen die Positronen mit etwa 30 GeV, w�hrend die Protonen in einer gesonderten, im Tunnel direkt oberhalb verlaufenden R�hre 820 GeV erreichen.
Besonders heikel ist die Vernichtung des Strahles bei einer Neuauff�llung des Ringes oder einem unvorhergesehenen Zwischenfall, da die 2,7 Mio. Joule der Teilchenstrahlen abgefangen werden m�ssen, ohne weiteren Schaden zu verursachen. Dies geschieht durch einen riesigen Klotz aus Graphit, Aluminium, Kupfer (um die Energie zu verteilen) und Eisen (um die Energie zu absorbieren).

3.4.5.1 Technische Daten

(nach [DE90, DE95, GE92, GE94, INDE])

Allgemein:
Bauzeit:  Mai 1984 - November 1990
Kosten 1.010 Mio. DM
beteiligte L�nder 12
Schwerpunktsenergie 314 GeV
Umfang 6.336 m
Tiefe unter der Erdoberfl�che 10-25 m
Innendurchmesser des Tunnels 5,20 m
Anzahl der Vorbeschleuniger 6
Experimentierhallen (jeweils 25 x 43 m)  4
Wechselwirkungspunkte 3
aufgestellte Experimente ZEUS (Halle S�d) 
H1 (Halle Nord) 
Fixed-target Experimente  HERMES (Halle Ost) 
geplantes Experiment / in Bau HERA-B (Halle West) 
Teilchenstrahlen:
  Positronen Protonen
Energie 30 GeV 820 GeV
Injektionsenergie 14 GeV 40 GeV
Luminosit�t per WW-Punkt 1,5 x 10E+31 1/cm�s
Teilchenstrom 60 mA 160 mA
Teilchen pro Bunch 3,5 x 10E+10 10E+11
Anzahl der Bunches 210 210
Kollisionswinkel 0� (Frontalkollision in den Detektoren) 
Abstand der Bunches 28,8 m
Bunch-Ausma�e (l x b x h im mm)  25 x 0,264 x 0,017 440 x 0,3 x 0,095
Energieverlust pro Umlauf 70,38 MeV 1,4 x 10E-10 MeV
Auff�llzeit 15 min 20 min
Speicherringe:
  Positronen Protonen
Anzahl der Magnete 2.009 1.833
Haupt-Dipole 456 422 (supraleitend) 
Haupt-Quadrupole 605 224 (supraleitend) 
Feldst�rke der Dipole 0,16 Tesla 4,68 Tesla
Anzahl der normalleitenden HF-Cavities 82 2 / 4
Anzahl der supraleitenden HF-Cavities 16 -
Frequenz der Cavities 500 MHz 52 / 208 MHz

3.4.5.2 Der Bau von HERA

Nach l�ngerer Planungszeit wurde am 6. April 1984 die Vereinbarung �ber den Bau des Elektron-Proton-Speicherringes HERA vom deutschen Bundesforschungsministers Dr. Heinz Riesenhuber unterzeichnet. Die Bauzeit wurde von Mai 1984 bis November 1990 veranschlagt. Als erstes mu�te der 10 bis 25 m unter der Erdoberfl�che verlaufende Tunnel unter Privatgrund, Industriegebiet und dem Hamburger Volkspark im Schildvortrieb mit der Maschine HERAKLES gebohrt werden (Abbildung 20 zeigt das geologische Profil entlang des Tunnels). Bereits im August 1987 wurde der Tunnel mit 5,20 m Innendurchmesser fertiggestellt, und ein knappes Jahr sp�ter kreisten auch schon die ersten Elektronen in der neugebauten Elektronenr�hre. Genau zum geplanten Zeitpunkt, am 8. November 1990, wurde der zweite Teil des Protonenringes abgek�hlt und damit der Speicherring HERA baulich fertiggestellt. Mitte April 1991 konnten dann auch endlich die ersten Protonen gespeichert werden, und am 19. Oktober 1991 fanden die ersten Kollisionen statt.
Geologisches Profil des HERA-Tunnels
Besonders erstaunlich ist beim Bau von HERA die exakte Einhaltung des Kosten und des Termines. Der Hamburger B�rgermeister Dr. Vorscherau wagte sogar die Bemerkung, HERA sei der einzige �ffentliche Bau, bei dem man die Einhaltung der Kosten heute noch feststellen k�nne.
Der Bau fand unter intensivster Zusammenarbeit mit der Industrie statt (45 Institute und 320 Firmen mit einem Auftragswert von �ber 50.000 DM waren involviert), die Baukosten betrugen 1,01 Mrd. DM. Neu bei der Finanzierung von HERA war die gro�e internationale Unterst�tzung und Beteiligung von Instituten aus 12 L�ndern. So betrug bei den beiden Detektoren H1 und ZEUS der ausl�ndische Kostenanteil etwa 60%.

3.4.5.3 Das K�ltesystem

Da normalleitende Magnete einen weitaus h�heren Stromverbrauch, aber ein geringeres Magnetfeld als supraleitende Magnete besitzen, beschlo� man, die Magnete f�r den Protonenring von HERA mit supraleitenden Spulen auszustatten. Supraleitung bedeutet, da� bestimmte Materialien unter einer charakteristischen Temperatur, der sogenannten Sprungtemperatur (bei Niob-Titan etwa 4,2�K, also der Temperatur des fl�ssigen Heliums), pl�tzlich jeglichen elektrischen Widerstand verlieren, soda� Strom in einem geschlossenen Kreislauf theoretisch unendlich lange flie�en w�rde.
F�r diese Supraleitung mu�te ohne Vorbild eine Helium-K�lteanlage geschaffen werden, die etwa 10- bis 20mal gr��er sein mu�te als die gr��te K�lteanlage bis dahin in Europa. Sie wurde im Fr�hjahr 1987 fertiggestellt und arbeitete bis 1991 bereits �ber 13.000 Betriebsstunden ohne Probleme. Die Anlage besteht aus 2 parallel arbeitenden K�lteanlagen (f�r die beiden Tunnelh�lften) und einer Reserveanlage. Das fl�ssige Helium wird �ber zwei Verbindungsleitungen in den Ring gebracht, der f�r die K�hlung in acht Oktanten unterteilt wurde. Die vierteilige Heliumleitung, �hnlich aufgebaut wie die Protonenr�hre, verl�uft im Tunnel oberhalb der beiden Vakuumr�hren.
Die thermisch bedingte Schrumpfung der Vakuumr�hren bei der Abk�hlung auf 4,2� wird durch 50 cm lange B�lge ausgeglichen, die entlang des gesamten Ringes eingebaut sind. Diese B�lge stellten f�r die Techniker von DESY eine besondere Herausforderung dar, da sie elastisch und zudem absolut luftdicht sein mu�ten.

3.4.5.4 Vorbeschleuniger

Vorbeschleuniger f�r HERA Damit man im Speicherring die Elektronen und Protonen nicht von Geschwindigkeit 0 an mit erheblichem Aufwand beschleunigen mu�, werden die Teilchen durch eine Reihe von Vorbeschleunigern schon auf hohe Energien gebracht, bevor sie in HERA eingespeist werden (s. Abbildung 21). Hierzu werden alle bei DESY verf�gbaren Beschleuniger benutzt, mit Ausnahme von DORIS, der ausschlie�lich als Strahlungsquelle f�r das HASYLAB l�uft. F�r die Positronen, die f�r HERA benutzt werden, beginnt die Reise beim Linearbeschleuniger LINAC II, worauf sie in PIA in gr��erer Anzahl gesammelt werden, bevor sie mit einer Energie von 450 MeV in DESY II eingespeist werden. Von dort gelangen sie mit einer Energie von 9 GeV entweder sofort zu DORIS, wo sie Synchrotronstrahlung f�r das HASYLAB erzeugen, oder sie werden bei PETRA II auf 154 GeV weiterbeschleunigt, bevor sie in HERA eingeschossen werden. Die Protonen beginnen ihre Reise als H- (ein Proton mit zwei umkreisenden Elektronen) im Linearbeschleuniger LINAC III mit einer Energie von 50 MeV, worauf sie in DESY III auf 7,5 GeV weiterbeschleunigt werden. Nachdem nun die beiden Elektronen an einer 200 Mikro-m dicken Folie abgestreift wurden, erreichen die Protonen in PETRA II schlie�lich die 40 GeV Injektionsenergie f�r HERA.
Die folgende Tabelle enth�lt s�mtliche Vorbeschleuniger mit ihren Daten und einer kurzen Beschreibung [EX90]:
 

Beschleun. L�nge Umbau Endenergie Beschreibung
LINAC I 20 m 1984 220 MeV Quelle+Linearbeschleuniger f�r e-
LINAC II 70 m 1984 450 MeV Quelle+Linearbeschleuniger f�r e+
LINAC III 32 m 1988 50 MeV Quelle+Linearbeschleuniger f�r p (in der Form von H-- Ionen) 
PIA 25 m 1979 450 MeV Positron intensity accumulator - Positronen-Speicher, um gen�gend p+ zu erhalten
DESY II 300 m 1986 9 GeV Synchrotron f�r e+ und e-
DESY III 317 m 1988 7,5 GeV Protonen-Synchrotron
PETRA II 2,3 km 1988 p: 40 GeV 
e�:14 GeV
Ringbeschleuniger f�r Elektronen, Positronen und Protonen

 

3.4.5.5 Beschleunigung und Strahlf�hrung

Da bei HERA zwei v�llig verschiedene Teilchenarten, n�mlich Hadronen und Leptonen, beschleunigt werden, sind daf�r zwei Ringe n�tig, in denen die Teilchen gegenl�ufig kreisen. Abgelenkt werden die Teilchenstrahlen durch normale Dipolmagnete, durch Quadrupole und Sextupole (Magnete mit 4 bzw. 6 Magnetpolen) werden sie fokussiert. Das gesamte Magnetsystem ist in Modulbauweise ausgef�hrt, wobei ein Modul 9 m lang ist und hintereinander einen Dipol, einen Korrekturmagnet, einen Quadrupol und einen Sextupol beinhaltet.
Die Teilchen werden prinzipiell durch Hochfrequenzen beschleunigt, die in sogenannten Klystron-R�hren erzeugt und in Cavities (Hohlraumresonatoren) gleich an die Teilchen weitergegeben werden. F�r die beiden Teilchenr�hren wurden auch verschiedene Hochfrequenz-Beschleunigungs-Systeme eingebaut.

F�r den Protonenring mu�ten von den DESY-Ingenieuren v�llig neue Techniken entwickelt werden, der "HERA-Magnet" hat sich heute sogar weltweit durchgesetzt. Da f�r die hohen Feldst�rken der Protonenr�hre supraleitende Magneten verwendet werden m�ssen, entwickelten die Ingenieure einen supraleitenden Magneten in sogenannter Kaltbauweise. Dies bedeutet, da� auch das Eisenjoch der Spule, welches bei HERA aus einem einzigen Aluminiumteil besteht, mit fl�ssigem Helium auf 4 K abgek�hlt wird.
F�r die vergleichsweise winzigen Feldst�rken in der Elektronenr�hre gen�gen normalleitende Magneten, jedoch m�ssen dort die Verluste durch Synchrotronstrahlung von einem entsprechend leistungsf�higen HF-Sendesystem ausgeglichen werden.

Protonenring

In diesem Ring werden die Protonen von der Energie von 40 GeV bei der Injektion auf 820 GeV beschleunigt. Dies geschieht durch ein Hochfrequenz-System mit 52,03 MHz f�r die Injektion, die bei Erreichen der Endenergie auf 208,19 MHz erh�ht werden. Diese 208 MHz-Cavities sind, von kleineren Modifikationen abgesehen, Kopien des 200 MHz-Systemes beim CERN-Ring SPS [EX90].
Die Ausma�e der Protonenbunches betragen etwa 440 x 0,3 x 0,095 mm, der Energieverlust eines Teilchen betr�gt nur 1,4 x 10E-10 MeV pro Umlauf. Um allerdings die Protonen auch bei Energien von 820 GeV noch auf eine Kreisbahn von 1 km Radius zu zwingen, ben�tigt man sehr starke Magnete mit einer Feldst�rke von 4,68 T, welche nur durch Supraleitung erreicht werden kann. Insgesamt wurden 1833 Magneten in den Ring eingebaut, davon 422 supraleitende Ablenk-Dipole, 224 supraleitende Quadrupole f�r die Fokussierung und zahlreiche Korrekturspulen. Mit den HERA-Magneten k�nnen auch Feldst�rken von 6 Tesla noch erreicht werden, womit sp�ter einmal Energien von 1000 GeV m�glich sind [GE92]. Die Spulen solcher Magnete m�ssen extrem stabil gebaut sein, um den absto�enden Kr�ften von mehr als 1 Mio. N/m standzuhalten.
Eine gro�e Gefahr bei supraleitenden Magneten ist ein sogenannter "Quench", das �bergehen vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand, was durch zu hohe Stromst�rken, Materialfehler oder Erw�rmung verursacht wird. Da dann pl�tzlich ein Widerstand auftritt, werden die Spulen extrem hei� und bringen das Helium zum Verdampfen, wodurch die Gefahr des Explodierens der Magnete nicht unbetr�chtlich ist. Die Spulenwicklungen m�ssen aus diesem Grund eine Genauigkeit von 0,02 mm aufweisen. Tritt ein Quench auf, mu� innerhalb einer Sekunde die Stromzufuhr abgeschaltet werden.
Bei 4,7 K betr�gt der maximale Strom, bei dem es noch nicht zu einem Quench kommt, f�r die HERA-Dipole 6440 A und f�r die Quadrupole 7380 A, was deutlich �ber dem Designwert von 5027 A liegt [EX90].

Elektronenring

In den Elektronenring werden die Positronen (bis 1994 Elektronen) mit einer Energie von 14 GeV eingeschossen, die dann mit supraleitenden Cavities auf 30 GeV erh�ht wird. Ein Positronenbunch hat Ausma�e von 25 x 0,264 x 0,017 mm. Als Ablenkmagnete werden in diesem Ring 456 normalleitende Dipole verwendet, da nur ein Magnetfeld von 0,19 Tesla n�tig ist, um die leichten Positronen abzulenken. Insgesamt wurden in den Elektronenring 2009 Magnete eingebaut, au�erdem zur Beschleunigung 82 normalleitende und 16 supraleitende Cavities (HF-Beschleunigungsstrecken). Ohne Supraleitung w�re nur eine Energie von 26 GeV m�glich, da der Energieverlust durch Synchrotronstrahlung pro Umlauf bereits 70,38 MeV betr�gt, die nur durch supraleitende Cavities wieder zugef�hrt werden k�nnen. Supraleitende Cavities k�nnen n�mlich mit einer Beschleunigungsspannung von 8 MV (normalleitende mit 1 MV) arbeiten, wodurch sich die gesamte Beschleunigungsspannung im Elektronenrohr auf 241 MV erh�ht. Daraus ergibt sich eine gesamte Beschleunigungsleistung von 13 MW.

3.4.5.6 Detektoren

Entlang des HERA-Ringes befinden sich 4 riesige Hallen mit Ausma�en von 43 x 25 m. In drei von ihnen finden Wechselwirkungen zwischen den Positronen und den Protonen statt, bisher sind in den Hallen Nord und S�d die beiden Detektoren ZEUS und H1 aufgebaut, in der Halle Ost l�uft seit 1995 das fixed-target Experiment HERMES. Da f�r eine Entdeckung immer die Best�tigung einer weiteren unabh�ngigen Forschergruppe n�tig ist, und HERA der einzige e-p+Collider der Welt ist, sind H1 und ZEUS v�llig voneinander unabh�ngig und verschieden. W�hrend ZEUS, mit einer Masse von 3600 t f�r die Messung der Jets bei der tiefinelastischen Lepton-Nukleon-Streuung ausgelegt ist, mi�t H1 die R�cksto�-Leptonen bei der Streuung. Die beiden Detektoren kosteten jeweils etwa 100 Mio. DM und besitzen eine supraleitende Spule im Zentrum, die die Bahn der geladenen Teilchen f�r eine leichtere Teilchenidentifikation kr�mmt. Detektoren sind elektronisch ziemlich komplizierte Bauten, was deutlich wird durch die Tatsache, da� bei H1 270.000 Leitungen stets abgefragt werden, und pro Sekunde etwa 10 Mio. Wechselwirkungen im Detektorinneren stattfinden. Die Aufl�sung der HERA-Detektoren betr�gt etwa 0,1 mm. N�here Informationen zu H1 und ZEUS finden sich in 3.6.1 und 3.6.2.

3.4.6 Zukunftsprojekte

F�r die letzte verf�gbare Halle von HERA, die Halle West, befindet sich das Experiment HERA-B in Bau, bei dem die Verletzung der Ladungs- und Parit�tssymmetrie an B-Mesonen erforscht werden soll. Bei HERA-B wird der Protonenstrahl durch einen feinen Draht geleitet, wobei B-Mesonen erzeugt werden, die die CP-Symmetrie verletzen [EU94].
Der Linearbeschleuniger f�r DESY Da vom Planungsbeginn eines neuen Beschleunigers bis zu dessen Fertigstellung im allgemeinen 10-15 Jahre vergehen, mu� bereits jetzt an die Planung neuer gro�er Experimentieranlagen gedacht werden. Da aufgrund der hohen Synchrotronstrahlungsverluste die obere Energiegrenze bei Elektron-Speicherringen erreicht ist, beschlo� man nach eingehender Diskussion, als n�chstes Projekt bei DESY einen 300-500 GeV Elektronen-Linearbeschleuniger mit zwei frontal kollidierenden Teilchenstrahlen zu realisieren (Abbildung 23). Dieser Beschleuniger mu� aufgrund der Tatsache, da� sich die Strahlen nur ein einziges Mal durchdringen, eine dementsprechend hohe Luminosit�t von etwa 10E+33 1/cm�s besitzen. F�r die Beschleunigung befinden sich zur Zeit zwei Verfahren im Test. Zum einen ist dies das TESLA-Projekt, welches versucht, die Grundlagen f�r einen supraleitenden Niederfrequenz(1300 MHz)-Linearbeschleuniger zu schaffen. Bei SBLC (S-Band Linear Collider), dem zweiten Programm im Test, versucht man einen herk�mmlichen S-Band Beschleuniger, eine Art, welche schon seit mehr als 45 Jahren gebaut wird, so zu verbessern, da� damit der neue Beschleuniger ausgef�hrt werden kann. (nach [EU94, DE95])

3.5 Beschleuniger und Komponenten

Beschleunigt werden elektrisch geladene Teilchen durch elektrische Felder. Da der Beschleunigung mit statischen Feldern geringe Energiegrenzen gesetzt sind, da �u�erst hohe Spannungen n�tig sind, werden in der modernen Beschleunigertechnik hochfrequente magnetische Felder eingesetzt, von denen die Teilchen "angeschoben" und damit fast auf Lichtgeschwindigkeit - die Geschwindigkeit, mit der sich elektromagnetische Felder ausbreiten - beschleunigt werden. Ein Qualit�tsmerkmal eines Beschleunigers ist die maximal erreichbare Teilchenenergie. Bei HERA besitzen die Protonen nach einigen Minuten in den Vorbeschleunigern und danach im Speicherring eine Geschwindigkeit von 99,999934686 % der Lichtgeschwindigkeit und eine Energie von 820 GeV, die Elektronen eine Geschwindigkeit von 99,999999985% c bzw. 30 GeV.
Moderne Beschleuniger, sogenannte Synchrotrone und Speicherringe, arbeiten au�erdem als Mehrfachbeschleuniger, was bedeutet, da� die zu beschleunigenden Teilchen die Beschleunigungsstrecken mehrfach passieren. In Ringbeschleunigern werden die Beschleunigungsstrecken viele tausendmal pro Sekunde durchlaufen.
Die Informationen zu diesem Kapitel stammen aus [BE91, GE94, JA92, LE90, LO92, PE90, WA91]

3.5.1 Linearbeschleuniger

Linearbeschleuniger Linearbeschleuniger, kurz LINACs, bestehen aus einer Folge von entgegengesetzt gepolten Beschleunigungselementen (s. Abbildung 24), die mit steigender Teilchengeschwindigkeit immer l�nger werden m�ssen und hochfrequent umgepolt werden. Die Teilchen werden wegen der Beschleunigung mit Hochfrequenz-Sender�hren immer nur in Paketen beschleunigt, obwohl die Teilchenquelle kontinuierlich Teilchen produziert. Ein Protonen-LINAC erreicht mit typischen Feldst�rken von einigen MV pro Meter Beschleunigungsstrecke Energien bis 50 MeV. Bei Elektronen-LINACs sind nach dem ersten Beschleunigungsmeter die Driftr�hren alle etwa gleich lang, da die Elektronen sehr schnell ann�hernd Lichtgeschwindigkeit erreichen. Die Resonatoren eines e--LINACs werden von Klystronr�hren gespeist, die Elektronen "reiten" dann auf der Flanke einer elektromagnetischen Welle.

3.5.2 Synchrotron / Speicherring

Das Synchrotron ist ein Ringbeschleuniger, in dem die Teilchen mittels Wechselspannung beschleunigt werden. Wie in Abbildung 25 angedeutet, wechseln Beschleunigungsstrecken ab mit Strecken, die mit Ablenk-Dipolmagneten besetzt sind, welche die umlaufenden Teilchen auf eine "Kreisbahn" lenken. Das Magnetfeld der Ablenkmagnete mu� dabei synchron mit dem Teilchenimpuls erh�ht werden, damit der Strahl immer dieselbe Kreisbahn durchl�uft. Fr�he Synchrotrone hatten einen Umfang von einigen Hundert Metern, der gr��te Speicherring der Welt der LEP bei CERN in Genf, besitzt bereits einen Umfang von 27 km.
F�r Protonen mit dem Impuls p (in GeV/c) gilt das Verh�ltnis zur Feldst�rke B der Ablenkmagnete und dem Bahnradius Rho in m [PE92, LO92]:

Aus dieser Formel ersieht man sehr gut, da� sich das ben�tigte Magnetfeld linear zum Impuls verh�lt. Die maximal erreichbare Energie mit einem Synchrotron h�ngt entscheidend von dessen Umfang ab. Allerdings ist sie begrenzt und zwar bei Elektronen-Synchrotronen durch die Synchrotronstrahlung, bei Protonen-Synchrotronen durch das maximal erreichbare Magnetfeld der Dipol-Ablenk-Magneten. Da normalleitende Elektromagnete einen sehr hohen Stromverbrauch, jedoch nicht gen�gend starke Felder besitzen, setzt man heutzutage h�ufig supraleitende Magneten ein, die einen bei weitem geringeren Stromverbrauch haben und Magnetfeldst�rken von bis zu 6 Tesla bei HERA erm�glichen.
Synchrotron
Nach dem selben Prinzip, aber wesentlich effizienter als ein Synchrotron arbeitet ein Speicherring-Collider, wo zwei Teilchenstrahlen gegenl�ufig zirkulieren. Diese sind dann so synchronisiert, da� die Wechselwirkungen genau in den aufgestellten Detektoren stattfinden. Der Vorteil solcher Collider ist die weitaus h�here Schwerpunktsenergie W bei Elektron-Proton-St��en von [JA92]

W...Schwerpunktsenergie
Ee, Ep...Teilchenenergien
me, mp...Teilchenmassen)

Sind jedoch die Teilchen verschieden, so ben�tigt man f�r jede Teilchenart eine eigene R�hre mit eigenen Magneten und eigenem Beschleunigungssystem, wobei die beiden R�hren sich nur in den Wechselwirkungspunkten kreuzen. Aus diesem Grund besitzt auch HERA, wo Elektronen und Protonen kollidieren, eine eigene Elektronen- und eine Protonenr�hre. Ein weiterer Nachteil von Collidern ist die geringe Sto�rate, die mit der Luminosit�t in Verbindung steht.
Da die Stabilit�t des Teilchenstrahles �u�erst wichtig ist, weil er nicht an der R�hrenwand "kratzen" darf, halten Korrekturspulen ihn auf seiner exakten Bahn, w�hrend Quadrupole und Sextupole f�r eine scharfe Fokussierung sorgen, die eine h�here Luminosit�t nach sich zieht.

3.5.3 Luminosit�t

Die Luminosit�t (L in der Einheit 1/cm�s oder 1/pb, wobei 1/pb = 10E+26 1/cm�s) ist eine sehr wichtige Kenngr��e eines Speicherringes. Sie gibt gewisserma�en die Teilchendichte am Wechselwirkungspunkt an. Zwischen der Reaktionsrate R, dem Wirkungsquerschnitt  f�r die jeweilige Reaktion und der Luminosit�t L besteht folgender Zusammenhang [BE91, PE90, LO92]:

Die sogenannte integrierte Luminosit�t ist die Gesamtsumme der gespeicherten Luminosit�t [CE95].
Bei H1 wurde gegen Ende des Jahres 1994 bereits eine Luminosit�t von bis zu 8,5�10E+4 1/pb erreicht, bei ZEUS betrug dieser Wert mit 4,7�10E-30 1/cm�s bereits etwa ein Drittel der Soll-Luminosit�t von HERA [DE95].

3.5.4 Klystrone / Hochfrequenzen

HF-Beschleunigung Durch Hochfrequenzen, welche in Hohlraumresonatoren oder Cavities an die Teilchen weitergegeben werden, werden sowohl die Teilchen beschleunigt, als auch die einzelnen Teilchenpakete verk�rzt. Die Sender�hren, Klystronr�hren genannt, senden elektromagnetische Wellen von etwa 50 bis 200 MHz aus, auf denen die Teilchen wie Surfer auf Wasserwellen "reiten" und beschleunigt werden. Wie in Abbildung 26 ersichtlich, erhalten Teilchen, die hinter der Sollbahn zur�ckbleiben, vermehrt Energie, wogegen zu schnelle Teilchen weniger Energie als Teilchen auf der Sollbahn erhalten. Dadurch gleichen sich alle Teilchen in etwa an die Sollbahn an, und der Teilchenbunch wird auf etwa 2,5 cm verk�rzt.
Die Beschleunigung durch Hochfrequenzen wird haupts�chlich in Elektronenr�hren eingesetzt, um die Verlust durch Synchrotronstrahlung wettzumachen. Im Elektronenring von HERA wurden 8 Helium-Kryostate (K�ltebeh�lter) mit jeweils 2 supraleitenden Niob-Cavities eingebaut, die eine Beschleunigungsspannung von 8 MV im Vergleich zu normalleitenden Cavities mit 1 MV besitzen [GE92, EX90, DE90].

3.5.5 Fokussierung

Quadrupol
In einem Speicherring kreisen zahlreiche Teilchenpakete (Bunches) derselben geladenen Teilchen. Da sich jedoch gleichnamige Ladungen absto�en, m�ssen die Teilchenstrahlen geb�ndelt werden. Dies geschieht durch Quadrupol- bzw. Sextupolmagneten, welche vier bzw. sechs magnetische Pole besitzen. Abbildung 27 zeigt einen Querschnitt durch einen Quadrupolmagneten, welcher den Teilchenstrahl vertikal fokussiert (durch die Pfeile angedeutet). Im Zentrum, wo der Teilchenstrahl durchtritt, ist das Feld null und nimmt sehr stark zu, wenn man sich nur ein wenig vom Zentrum wegbewegt, wodurch die Teilchen wieder auf ihre Sollbahn zur�ckgezwungen werden. Da solche Quadrupole jedoch immer nur entweder horizontal oder vertikal fokussieren k�nnen, sind bei Synchrotronen und Speicherringen jeweils horizontal und vertikal fokussierende Quadrupole hintereinander angeordnet. "Wie man sich an einem Lichtstrahl mit alternierenden Konkav- und Konvexlinsen klar machen kann, bekommt man insgesamt eine Fokussierung in beiden Richtungen." [PE90, S. 32]

3.5.6 Ablenkmagnete

In Synchrotronen ist die Stabilit�t der Teilchenbahn sehr wichtig, und nur sehr geringe Abweichungen von der Sollbahn sind erlaubt. Um die Teilchen nun auf ihre exakte Bahn zu zwingen, werden Dipolmagnete verwendet, die wegen die hohen Feldst�rken bei Protonenr�hren meist supraleitend ausgef�hrt sind. Diese Dipole erzeugen ein Magnetfeld, das die (positiv oder negativ geladenen) Teilchen durch die Lorentzkraft

Q...Ladung
v...Teilchengeschwindigkeit
B...magnetische Feldst�rke)

auf eine Kreisbahn zwingt. Abbildung 28 zeigt einen typischen Ablenk-Dipol eines Synchrotrones in Grund-, Auf- und Kreuzri�.
Ablenk-Dipol

3.6 Detektoren und Detektorkomponenten

Detektoren sind oft sehr volumin�se Apparaturen, mit denen die Endprodukte einer Wechselwirkung nachgewiesen, identifiziert und ausgemessen werden. Aufgrund der hohen Reaktionsraten bei scharfer B�ndelung m�ssen die Signale sehr schnell ausgewertet werden. Dies geschieht durch das sogenannte Pipelining: Die Signale durchwandern eine kurze elektronische Verz�gerungsstrecke, w�hrend eine schnelle Elektronik irrelevante Ereignisse bereits verwirft. Die 5 bis 10 bei H1 und ZEUS ausgew�hlten aus den bis zu 10 Millionen anfallenden Ereignissen pro Minute werden schlie�lich auf Magnetband gespeichert und erst sp�ter n�her ausgewertet [GE92, GE94].
Der Wechselwirkungspunkt wird wie eine Zwiebel von mehreren Lagen von Nachweisapparaturen umgeben, welche die von einem Magneten gekr�mmten Teilchenspuren genau ermitteln. Folgend sei der grobe Aufbau von Detektoren kurz wiedergegeben, n�here Erl�uterungen zu den einzelnen Komponenten finden sich weiter unten: Direkt um das Strahlrohr, in dem die Prozesse ablaufen, sind meist Driftkammern angeordnet, in welchen mit Hilfe der Drift ionisierter Atome zu d�nnen Dr�hten die Teilchenspuren nachgewiesen werden. Daran schlie�en elektromagnetische und dann hadronische Kalorimeter an, welche alle Teilchen au�er Myonen und Neutrinos absorbieren und so deren Energie messen. Die Myonen, welche noch durch die Kalorimeter gelangen, werden schlie�lich durch einen riesigen Magneten, den Myonen-Toroiden, abgelenkt und ihre Spur mit Myon-Kammern verfolgt. [GE94]
An die Detektoren bei HERA werden zahlreiche Anforderungen gestellt: Neben einer m�glichst vollst�ndigen Erfassung der Teilchen ist eine exakte Trennung von R�cksto�elektron und Hadronenjet gefordert. Au�erdem sollte die Energieaufl�sung so gut wie m�glich sein, und auch hochenergetische Myonen noch sicher bestimmt werden [RU93]. Um dies alles zu erreichen mu�ten die vorhandenen Nachweistechnologien verbessert werden: Vor allem die Kalorimetrie wurde stark vorangetrieben.
Die Teilchen werden durch ihren Energieverlust und die Ionisation erfa�t, aber auch durch Kalorimetrie, wobei auch elektrisch neutrale Teilchen gemessen werden k�nnen und der Me�fehler bei 100 GeV-Teilchen nur wenige % betr�gt [DE92].
Der Gro�teil der Beschreibungen von Detektorkomponenten wurde aus [GR93] gewonnen, zus�tzlich wurden [BE91, WA91, PE90, JA92, F�93, GE94, SC93, SC93a] beigezogen.

3.6.1 ZEUS bei HERA

Der Detektor ZEUS, aufgestellt in der Halle S�d von HERA, ist mit Ausma�en von 12 x 10 x 19 m und einer Masse von 3600 t etwas gr��er als H1, sein Aufbau ist ebenfalls asymmetrisch. Die Hauptaufgabe von ZEUS ist die genaue Vermessung der bei der Reaktion erzeugten Jets.
Der Detektor ZEUS Um eine Driftkammer als Vertexdetektor (VXD) mit einer Aufl�sung von 32-70 Mikro-m ist eine weitere Driftkammer als zentraler Spurdetektor (CTD) angeordnet. F�r den Vorw�rts-(FTD) und R�ckw�rtsbereich (RTD) werden ebene Driftkammern eingesetzt. Die supraleitende Spule (SOLENOID) aus einer Niob-Titan-Legierung, welche sich zwischen den zentralen Spurkammern und den Kalorimetern befindet, erzeugt ein Magnetfeld von 1,8 Tesla, das die geladenen Teilchen f�r die Impulsbestimmung ablenkt. Das hochaufl�sende Uran-Szintillator-Kalorimeter bildet sozusagen das Herz von ZEUS. Es umschlie�t den gesamten inneren Detektor und mi�t so nahezu alle entstandenen Teilchen mit hervorragender Winkelaufl�sung von weniger als 10 mrad und einer Energiegenauigkeit von etwa 1%. Das Kalorimeter l��t sich wieder in ein zentrales, ein Vorw�rts-(FCAL) und ein R�ckw�rtskalorimeter (RCAL) einteilen. Die Spurkammern und die Kalorimeter werden vom Eisenjoch (YOKE) umschlossen, welches neben der R�ckf�hrung des magnetischen Flusses auch die �brigen Detektorkomponenten st�tzt. Die Energie, die nicht vom Uran-Kalorimeter absorbiert wird, wird schlie�lich im Backing-Kalorimeter (BAC) gemessen, welches in das Eisenjoch eingebaut ist. Das Myonennachweissystem besteht aus dem Vorw�rts-Myonspektrometer (FMYON), den Zentral-(BMYON) und den R�ckw�rts-Myonen-Kammern, wobei die Myonen durch den Vergleich ihrer Spurkr�mmung vor und nach dem Eisenjoch identifiziert werden. Die Messung der Luminosit�t erfolgt durch einen Elektronendetektor, 33,4 m vor dem Wechselwirkungspunkt positioniert, und einen Photonendetektor, welcher sich 102,9 m davor befindet.
Um Hintergrundereignisse unterdr�cken zu k�nnen, befindet sich in Protonenrichtung gesehen etwa 7,5 m vor dem Detektor eine Eisenwand, die sogenannte Vetowand (VETOWALL), welche mit Szintillatoren best�ckt ist. Untergrundteilchen treffen dort etwa 30 ns vor den Teilchen aus der Wechselwirkung ein und k�nnen so unterdr�ckt werden.
Ein Vorteil des ZEUS-Detektors gegen�ber H1 ist, da� bei ZEUS die Spule direkt im Detektorinneren lokalisiert ist, was zu einer besseren Impulsaufl�sung f�hrt.
(aus [INZE, DE95, F�93])

3.6.2 H1 bei HERA

Der Detektor H1, welcher in der Halle Nord bei HERA positioniert ist, hat die Aufgabe, die Reaktionen der tiefinelastischen Elektron-Proton-Streuung und insbesondere die R�cksto�-Elektronen genau zu vermessen, wobei der kinematische Bereich optimal gen�tzt werden soll. Seine Ma�e betragen 12 x 15 x 10 m�, insgesamt wiegt er 2800 Tonnen. Das Experiment ist in Vorw�rtsrichtung (=Protonenrichtung) aufwendiger best�ckt, da der Gesamtimpuls bei einer Reaktion in diese Richtung weist.
Der Detektor H1
Bei der zentralen Spurkammer ist eine grobe Unterteilung in 3 Bereiche m�glich: die zentrale Jetkammer (2), mit welcher eine Ortsaufl�sung von 150-170 Mikro-m normal zur Strahlachse und von 3 mm in Richtung des Teilchenstrahles m�glich ist, das Vorw�rts-(3) und das R�ckw�rtsspektrometer. Den Hauptteil des anschlie�enden, mit Fl�ssig-Argon gek�hlten Kalorimeters bildet das elektromagnetische (4) und das hadronische (5) Kalorimeter, vervollst�ndigt durch das rein elektronische R�ckw�rts-Kalorimeter (12), welches die Aufgabe besitzt, R�cksto�-Elektronen zu messen, und dem Vorw�rts-Plug-Kalorimeter (13). Der elektromagnetische Teil ist im Gegensatz zum Uran-Szintillator-Kalorimeter von ZEUS, welches eine bessere Energieaufl�sung erlaubt, aus Blei, der hadronische Teil aus Eisen ausgef�hrt. Teilchen, die das Kalorimeter durchdringen, werden schlie�lich im Eisenjoch (10) nachgewiesen, welches als letzte Absorberschicht oder "Tail Catcher" wirkt. Dieses Eisenjoch, mit Streamerr�hren und Myon-Kammern f�r die Myon-Detektion instrumentiert, hat auch die Aufgabe, den magnetischen Flu� der Spule (6) r�ckzuf�hren. Au�erdem ist der Myonen-Toroid (11) mit weiteren Myon-Kammern best�ckt. Ein Vorteil von H1 gegen�ber ZEUS ist die bessere Abdeckung des Vorw�rts-Bereich. Die Luminosit�t wird auf die selbe Art bestimmt wie bei ZEUS.
(aus [DESY, DE95, EX90, GE94, INH1, RU93, SC93, SC93a])

3.6.3 Charakteristische Gr��en von Detektoren

Teilchendetektoren basieren gro�teils auf dem Prinzip der Sto�-Ionisation: Fliegt ein geladenes Teilchen durch eine Anzahl von Atomen hindurch, so rei�t es auf seinem Flug hin und wieder ein Elektron aus dem Atomverband heraus. Solche ionisierten Atome lassen sich dann leicht erkennen.
Da Detektoren nicht so konzipiert werden k�nnen, da� sie jede Gr��e mit h�chster Genauigkeit messen, gibt es verschiedene Arten von Detektorkomponenten. Die einen sind vor allem f�r genaue Orts-, andere f�r genaue Impuls-, wiederum andere f�r genaue Zeitbestimmung ausgelegt.
"Die Qualit�t eines Detektors wird durch das Aufl�sungsverm�gen f�r Zeit, Ort, Energie und andere Teilchenparameter charakterisiert. Ortsaufl�sungen von 10-20 Mikro-m sind in Silizium-Streifenz�hlern und kleinen Driftkammern erreichbar, Zeitaufl�sungen im Subnanosekundenbereich kann man mit planaren Funkenz�hlern erzielen, und Energieaufl�sungen im eV-Bereich sind mit kryogenischen (bei extremer Tieftemperatur betriebenen) Kalorimetern erreichbar." [GR93, S. 399]
Neben den Aufl�sungen ist aber auch das Ansprechverm�gen Epsilon von gro�er Wichtigkeit, das angibt, mit welcher Wahrscheinlichkeit ein durchlaufendes Teilchen registriert wird.

3.6.4 Energieverlust durch Ionisation

Auf ihrem Weg durch das Z�hlgas im Detektor verlieren geladene Teilchen durch Ionisation Energie. Der Energieverlust -dE/dx h�ngt ab von Ladung, Energie und Geschwindigkeit des einfallenden Teilchens und von den Eigenschaften des Absorbermaterials. Die Formel zur Ermittlung des Energieverlustes, genannt Bethe-Bloch-Formel, lautet [GR93, KO94]:

NA...Avogadrokonstante (6,022 � 10E+23 Teilchen / Mol)
re...klassischer Elektronenradius (re=2,81 � 10E-13 cm)
me...Elektronenmasse
c...Lichtgeschwindigkeit
z...Ladung des einfallenden Teilchens (in Einheiten der Elementarladung)
Z, A...Kernladungs- und Massenzahl des Absorbermaterials
Beta...Geschwindigkeit (=v/c)
I...charakteristische Ionisationskonstante
klein Delta...Korrektur des "Dichte-Effektes", spielt bei Gasen kaum eine Rolle

3.6.5 Vertexdetektor

Der direkt um das Vakuumrohr, wo die Wechselwirkungen stattfinden, gelegte Vertexdetektor (vertex,-icis = lat. Scheitel) dient dazu, den Hauptwechselwirkungspunkt und die Nebenwechselwirkungspunkte, die von Wechselwirkungen von Teilchen stammen, welche erst bei der Teilchenkollision produziert wurden, m�glichst genau zu bestimmen. Zumeist besteht er aus einer Driftkammer oder einem zweilagigen Silizium-Streifenz�hler, der Ortsaufl�sungen von nur 10-20 Mikro-m erlaubt. In derartigen Silizium-Streifenz�hlern erzeugen die durchgehenden Teilchen Elektron-Loch-Paare im Halbleitermaterial (Silizium o.�.), wobei die Elektronen abgesaugt und gemessen werden. Streifenz�hler sind aus winzigen Auslesestreifen auf dem Halbleitermaterial aufgebaut, die eine Raumdimension messen k�nnen. Wird noch eine zweite Lage (orthodiagonal zur ersten) verwendet, erh�lt man eine 2-dimensionale Darstellung, woraus man die genauen Wechselwirkungspunkte rekonstruieren kann.

3.6.6 (zentrale) Spurkammern

Die zentrale Spurkammer ist das Kernst�ck der gro�en Detektoren. Sie befindet sich um den Vertexdetektor und dient dazu, den Impuls der Teilchen m�glichst genau zu bestimmen. Die Spurkammern bestehen meist aus Jet-Driftkammern (s. 3.6.7), Vieldraht-Proportionalkammern (s. 3.6.9) oder aus Zeit-Projektions-Kammern (Time Projection Chambers - TPCs, s. 3.6.8). In den Spurkammern wird au�er dem Impuls auch noch das Ionisationsverm�gen f�r die Teilchenidentifizierung gemessen.

3.6.7 Jet-Driftkammern

Normale Driftkammern bestehen aus einer gro�en Anzahl von gespannten Dr�hten, an denen Hochspannung angelegt ist. Wenn nun ein Teilchen durch den Detektor tritt, ionisiert es das Gas in der Driftkammer, und die Ionen "driften" zum n�chstgelegenen Draht. So mi�t man nicht nur den (ungef�hren) Durchtrittsort des Teilchens und die Geschwindigkeit, sondern auch den genauen Impuls mit Hilfe des Energieverlustes im Gas. Da die Masse m mit dem Impuls p �ber die Formel

p...Impuls
m0...Ruhemasse
m...relativistische Masse
Gamma...Lorentzfaktor 
Beta...Geschwindigkeit (=v/c)

Ein Driftkammer-Segment
verkn�pft ist, kann man nun, da man den Impuls kennt, die genaue Masse und damit die Art des Teilchens bestimmen.
In Jet-Driftkammern, die haupts�chlich in den zentralen Spurkammern eingesetzt werden, wird der Energieverlust durch Ionisation m�glichst genau gemessen, wof�r man eine gr��ere Anzahl von Anodendr�hten ben�tigt. Abbildung 31 zeigt einen Querschnitt durch ein Segment des JADE-Detektors, der vor der Inbetriebnahme von HERA bei PETRA stand. Die Jet-Driftkammer dieses Detektors besteht aus 24 derartigen Segmenten, die jeweils in 4 Drift-Abschnitte � 16 Anodendr�hte unterteilt sind (wegen der �bersichtlichkeit sind in der Abbildung nur 5 bzw. 6 Anodendr�hte dargestellt). Die feldformenden Kathodenstreifen sind nur auf einer Seite des Segments angedeutet, befinden sich allerdings auf beiden Seiten jedes Abschnittes.

3.6.8 TPCs (Time Projection Chambers)

Aufbau einer TPC Zeit-Projektions-Kammern sind verbesserte Versionen von zylindrischen Driftkammern. Bei TPCs sind keine Dr�hte durch den Zylinder gespannt, er enth�lt au�er dem Z�hlgas und der Elektrode in der Kammermitte keine weiteren Bauelemente und stellt so ein H�chstma� an Minimalisierung dar. Eine Seitenansicht des prinzipiellen Aufbaus zeigt Abbildung 32. Die vom geladenen Teilchen erzeugten Ionen driften im elektrischen Feld, das parallel zum Zylinder orientiert ist, zu den Endplatten der Kammer. Dort kann eine zweidimensionale Rekonstruktion (r, phi) des Teilchenweges gemessen werden, aus der Driftzeit wird die dritte Koordinate (z, parallel zum Zylinder) berechnet. Au�erdem wird aus den analogen Signalen an den Elektroden an den Kammerenden der Energieverlust dE/dx berechnet und damit das Teilchen identifiziert.

3.6.9 (Vieldraht-) Proportionalkammern

Teilchendurchgang durch eine Proportionalkammer Eine Vieldraht-Proportionalkammer besteht aus mehreren Lagen von unter Hochspannung stehenden Dr�hten, die normal und diagonal zueinander angeordnet sind. Tritt nun ein Teilchen durch dieses "Drahtgitter" hindurch, erh�lt es durch die Hochspannung gen�gend Energie, um eine Teilchenlawine durch Ionisation auszul�sen, die haupts�chlich an den Anodendr�hten Signale hervorruft, mit deren Hilfe der genaue Durchgangspunkt berechnet werden kann. Abbildung 33 zeigt solch ein Drahtgitter, durch das zwei Teilchen getreten sind.
Die meisten Kammern nutzen nicht die M�glichkeit, die analogen Informationen der Dr�hte zu verarbeiten, sondern es werden meist Schwellen f�r ankommende Signale gesetzt. In diesem Betriebsmodus wird die Vieldraht-Proportionalkammer lediglich als Ortsdetektor eingesetzt.

3.6.10 Flugzeitz�hler

Aufbau eines Szinzillators
Um die zentrale Spurkammer befinden sich zumeist die Flugzeitz�hler. Ein Flugzeitz�hler besteht aus zwei hintereinandergeschalteten Szintillatoren (Abbildung 34), die bei einem Teilchendurchgang je einen Lichtblitz erzeugen. Die Flugzeit f�r die Strecke L ist ein Ma� f�r die Geschwindigkeit v und daraus folgend bei bekannter Teilchenmasse m auch f�r die kinetische Energie Ek des Teilchens [MU88]:

F�r hochrelativistische Teilchen geht die Flugzeitdifferenz jedoch gegen null. Damit ist die Anwendung der Flugzeitmessung auf solche Teilchen beschr�nkt, deren Geschwindigkeit Beta�c sich noch me�bar von c unterscheidet.

3.6.11 Kalorimeter

Kalorimeter, welche meist die zentrale Spurkammer und die Flugzeitz�hler in vollem Umfang umgeben, dienen dazu, die gesamte Energie eines Teilchens zu messen und sie auch zu absorbieren. Lediglich Myonen und Neutrinos k�nnen nicht nachgewiesen werden, da diese Teilchen mit dem Kalorimetermaterial (meist Uran oder Blei, mit fl�ssigem Argon gek�hlt) nur �u�erst selten in Wechselwirkung treten. Man mu� zwischen zwei verschiedenen Arten von Kalorimetern unterscheiden, den Hadronenkalorimetern und den Elektronenkalorimetern, welche einen etwas unterschiedlichen Aufbau besitzen.
Um einen Teilchendurchgang zu identifizieren, legt man verschiedene Lagen von Metall �bereinander, dazwischen werden Szintillationsz�hler, Draht- oder Ionisationskammern eingebaut. Tritt ein Teilchen in das Kalorimeter ein, l�st es eine Teilchenkaskade aus Elektron-Positron-Paaren und Bremsstrahlungsphotonen aus, sie sich jedoch verl�uft, wenn die Energie der Teilchens zu gering wird, um ein Bremsstrahlungsphoton abzustrahlen [GR93]:
Kalorimeter 

E0...Energie des einfallenden Teilchens
N...Zahl der Schauerteilchen (=2^t, t...Tiefe)
Ec...kritische Energie in einem Material, bei der sich ein Schauer bildet.)

In einer Tiefe dmax erreicht die Lawine ihr Maximum [GR93, BE91]:

E0...Energie des einfallenden Teilchens
Ec...Kritische Energie, unter der keine Photonerzeugung mehr auftritt.

Teilchendurchgang durch ein Kalorimeter
In Abbildung 35 ist dieser Proze� skizziert. Man sieht auf dieser Abbildung, wie sich die Energie auf die einzelnen Elektronen, die aus dem Atom herausgeschlagen wurden, aufteilt. Abbildung 36 stellt das Messergebnis eines Teilchendurchtrittes durch das Kalorimeter dar. Sehr sch�n zu sehen ist hier der plattenf�rmige Aufbau des Kalorimeters.
Ein Me�fehler in Kalorimetern wird dadurch hervorgerufen, da� h�ufig Pionen entstehen, die bald in ein Photonenpaar zerfallen. Fliegt nun ein solches Photon an einem Atomkern vorbei, kann sich ein Elektron-Positron-Paar bilden, das wiederum eine Lawine aus Photonen, Elektronen und Positronen ausl�st. Diese "elektromagnetischen Schauer" verursachen eine etwas h�here Ionisation, als sie durch die urspr�nglichen Teilchen verursacht wurde.

3.6.12 Myon-Kammern und Myonen-Toroide

Da Myonen nur wenig mit Materie wechselwirken und deshalb die Kalorimeter ungehindert passieren, benutzt man Myon-Kammern, um diese Teilchen aufzusp�ren. Sie sind aus mehreren Lagen von Proportionalz�hlrohren aufgebaut, in denen ein elektromagnetisches Feld aufgebaut ist, welches die Energie des einfallenden Teilchens vergr��ert. Dadurch baut sich ab der Ionisationsenergie des Gases eine Lawine auf, deren St�rke mit einem zentralen Draht gemessen wird.
Bei ZEUS und H1 an HERA ist an einem Ende der Apparatur noch ein riesiger magnetisierter Eisenblock, der Myonentoroid, aufgestellt, welcher die Bahn der Myonen leicht ablenkt. Mit riesigen Myonenkammern vor und hinter dem Toroiden wird nun die Ablenkung gemessen, aus der die Energie, vor allem aber das Vorzeichen der elektrischen Ladung bestimmt werden kann.

3.6.13 Andere Detektorkomponenten

Kryostate und supraleitende Spulen

Kryostate sind isolierende Tieftemperaturbeh�lter (eine Art "Thermosflasche"), in denen sich supraleitende Spulen, aber auch kryogenische Kalorimeter (z.B. Fl�ssig-Argon-Kalorimeter bei H1 und ZEUS) befinden.
Die supraleitende Spule, die sich im Kryostat befindet, erzeugt in einem Detektor ein Magnetfeld, in dem positiv und negativ geladene Teilchen in unterschiedliche Richtungen abgelenkt werden. Aus der Richtung der Ablenkung kann man auf das Vorzeichen der elektrischen Ladung, aus der St�rke der Ablenkung auf die Masse des Teilchens schlie�en.

Eisenjoch

Das Eisenjoch, meist um alle inneren Detektorkomponenten gelegt, dient dazu, alle Teilchen au�er den Myonen und den Neutrinos, die nur sehr selten mit Materie wechselwirken, abzubremsen und damit auszusieben. Es ist meist mit vielen kleinen Apparaturen wie Streamerkammern o.�. best�ckt, um alle Teilchen genauestens zu vermessen. Au�erdem dient das Eisenjoch dazu, den magnetischen Flu� der Spule r�ckzuf�hren. Au�erhalb des Eisenjochs befinden sich noch Myon-Detektoren.

Kompensationsmagneten

Kompensationsmagneten werden zur Fokussierung des Teilchenstrahles vor dem Wechselwirkungspunkt eingesetzt. Zumeist werden Quadrupole oder Sextupole verwendet.

3.6.14 Datenverarbeitung

Bei ZEUS und H1 an HERA besitzt jede der 14 Detektorkomponenten ihren eigenen Rechner (meist VAX, My-VAX oder Silicon Graphics Arbeitsstationen), der die Auslese der Elektronik und die Funktion der jeweiligen Komponente steuert. Die Daten werden dann in den Ereignisbauer geschickt, der alle Daten desselben Ereignisses zusammenfa�t und die sortierten Ergebnisse an einen Prozessor in der Prozessorfarm weitergibt.
Die Rekonstruktion des Ereignisses findet im IBM-Gro�rechner des Rechenzentrums bzw. in einer daran angeschlossenen Prozessorfarm statt, die Auswertung der Ereignisse geschieht auf dem IBM-Rechner und anderen schnellen Arbeitsstationen.[F�93]

3.7 DIE VAKUUMR�HRE UND VAKUUMPUMPEN

3.7.1 Die Vakuumr�hre

Damit die Teilchen in den Beschleunigerringen nicht andauernd mit Restgasmolek�len kollidieren, m�ssen sie in einer R�hre mit Ultra-Hoch-Vakuum kreisen. Bei HERA ist diese Vakuumr�hre aus Kupfer gebaut, nicht aus Aluminium wie noch bei PETRA. Dadurch konnte die H�he der R�hre um 20 Prozent auf 4,8 cm verringert werden, was die Magnetkosten sehr stark senkte. Abbildung 37 zeigt den Querschnitt durch das Vakuumrohr von HERA. Die Ionengetterpumpen befinden sich an der einen Seite der R�hre, w�hrend die andere f�r die K�hlung der R�hre ben�tigt wird.
Die Vakuumr�hre von HERA Besonders langwierig gestaltet sich die Lecksuche an einer Ultrahoch-Vakuumr�hre: Man bespr�ht die R�hre au�en an einigen Stellen mit suprafluidem Helium, welches selbst kleine Undichtheiten zu durchdringen vermag. Nun pumpt man alles Gas aus der R�hre (keinesfalls mit den besseren Pumpen, die man dabei nur verschmutzen w�rde) und analysiert es. Findet man darin Spuren von Helium, dann hat man die Undichtheit in etwa lokalisiert.
Bei Normaldruck befinden sich rund 27 Trillionen Gasmolek�le in 1 cm�. Zur Erzeugung von Ultra-Hoch-Vakuum k�nnen zu Beginn nur die konventionellen Rotations- oder Drehschieberpumpen und danach Turbomolekularpumpen, welche die Molek�le einfach nach au�en blasen, angewendet werden, womit ein Druck von 1/100 mbar (10 Bio. Molek�le/cm�) bzw. 10E-5 mbar (10 Mrd. Molek�le/cm�) erreicht wird. Danach kann man mit Ionengetterpumpen die Anzahl auf etwa 100 Mio. Molek�le/cm� herabsetzen. Nur ausnahmsweise ist es noch notwendig, danach Titan-Sublimationspumpen einzusetzen, da man die Restgase meist ausfriert. Dabei wird einfach die Vakuumr�hre bis nahe an den absoluten Nullpunkt abgek�hlt (bei HERA mit Fl�ssig-Helium konstant auf etwa -269�C bzw. 4,7 K), wobei die Restgasmolek�le an den R�hrenw�nden festfrieren [BESU, WA91]. Von Zeit zu Zeit m�ssen diese Bel�ge jedoch aufgetaut und abgesaugt werden. "Kratzt" einmal der Teilchenstrahl in der Vakuumr�hre an deren W�nden, so erw�rmen sich diese ebenfalls und geben sehr viele Molek�le ab.
Bei normalem Betrieb befinden sich in der Elektronenr�hre nur noch etwa 100.000 Gasmolek�le/cm� (10E-10 mbar), was dem Druck auf der Nachtseite des Mondes entspricht, in der Protonenr�hre ist der Druck gar nicht mehr me�bar (<10E-13 mbar). (aus [WA91])

3.7.2 Drehschieber- und Turbomolekularpumpe

Turbomolekularpumpe Drehschieberpumpe Das Prinzip einer Drehschieberpumpe findet sich schon auf Zeichnungen von Agostino Ramelli aus dem Jahr 1585 als Wasserpumpe. Mit "hochgez�chteten" Exemplaren davon wird etwa 1/100000 des atmosph�rischen Druckes, also etwa 1/100 mbar (10 Bio. Gasmolek�le/cm�), erreicht. Eine bessere Saugwirkung erreichen die Turbomolekularpumpen, die wie die Schaufelr�der von Turbinen wirken: Sie blasen einfach die Molek�le nach au�en. Abbildung 39 zeigt den Aufbau einer Drehschieberpumpe, Abbildung 38 den einer Turbomolekularpumpe.
Im HERA-Ring befinden sich insgesamt 100 W�gelchen mit Rotations-Drehschieberpumpen und Turbomolekularpumpen. [WA91]

3.7.3 Ionengetterpumpe

Ionengetterpumpe In Abbildung 40 ist ein Querschnitt durch eine Ionengetterpumpe dargestellt. Deutlich zu sehen sind hier die vielen R�hrchen, welche sich in einem Magnetfeld befinden. Bei Pumpbetrieb einer Ionengetterpumpe wird zwischen den R�hrchen und den beiden Platten an den Enden eine Spannung von etwa 7000 Volt angelegt. Dadurch werden die Ionen des Restgases von den beiden Elektroden angezogen und bewegen sich aufgrund des Magnetfeldes (Lorentzkraft) auf einer Spiralbahn dorthin. Schlie�lich bohren sie sich mit hoher Geschwindigkeit in das Titanblech und legen dort frisches Titan frei, das die Restgasmolek�le wie bei Titan-Sublimationspumpen binden kann. Dies nennt man auch Titanzerst�ubung, weshalb diese Pumpenart manchmal Titan-Zerst�uber genannt wird. Mit Ionengetterpumpen kann man ein Vakuum von bis zu 10E-10 mbar erzeugen. [WA91]

3.7.4 Titan-Sublimationspumpe

Titan-Sublimations-Pumpe Das Metall Titan kann auf verschiedene Art Gasmolek�le binden und wirkt so wie eine klebrige Fliegenfalle. F�r den Einsatz von Titan-Sublimationspumpen mu� zuvor schon Hochvakuum vorhanden sein, damit die Pumpe nicht zu stark belastet und damit abgen�tzt wird. Ein dicker Draht aus einer Titan-Molybd�n-Legierung wird im Inneren eines Metallzylinders durch starken Strom eine Zeitlang auf Wei�glut erhitzt. Dabei verdampft der Titananteil des Drahtes teilweise, was man auch "Sublimation" nennt. Der Dampf schl�gt sich als extrem d�nner Film an den k�lteren Oberfl�chen der �u�eren Metallzylinders nieder und hat genau die erw�nschten Gasbindungseffekte. Nach einiger Zeit ist der Bindungseffekt ersch�pft, und es wird eine neue Schicht aufgedampft. Abbildung 41 zeigt den schematischen Aufbau einer Titan-Sublimationspumpe. [WA91]


Inhalt | Einleitung | theoretische Grundlagen | Das Institut DESY | Vergleich mit CERN | Anhang 

DESY aus: 
Mit HERA und ZEUS durch die G�tterwelt der Teilchenphysik 
Moderne Beschleuniger- und Detektortechnik am Beispiel 
des Deutschen Elektronen-Synchrotrons

Fachbereichsarbeit aus Physik, vorgelegt von: Reinhold Kainhofer, Februar 1996