Luminosität

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Die Luminosität L ist ein Begriff aus der Beschleuniger- bzw. der Hochenergiephysik, sie beschreibt die Anzahl der Teilchenbegegnungen pro Zeit und Fläche. Damit wird, neben der Angabe der Kollisionsenergie, die Leistungsfähigkeit eines Teilchenbeschleunigers gekennzeichnet.

Anwendung[Bearbeiten]

Mit Hilfe der Luminosität kann die zu erwartende Ereignisrate \dot{N} bzw. der differentielle Wirkungsquerschnitt \frac{d \sigma_\mathrm{p}}{d \Omega} eines Experiments an einem Ringbeschleuniger mit zwei gegenläufigen Teilchenstrahlen ermittelt werden:

\dot{N} = \sigma_\mathrm{p} \cdot L \Leftrightarrow \sigma_\mathrm{p} = \frac{1}{L} \frac{dN}{dt}
\Rightarrow \frac{d \sigma_\mathrm{p}}{d \Omega} = \frac{1}{L} \frac{d^2N}{d \Omega \cdot dt}.

Dabei ist die Ereignisrate \dot{N} die Anzahl zu erwartender Ereignisse pro Zeiteinheit in einem Detektor, der in einem Kreuzungspunkt der beiden Teilchenstrahlen im Beschleuniger installiert ist.

Definition[Bearbeiten]

Die Luminosität eines Speicherrings ergibt sich aus den Anzahlen N_1 und N_2 der Teilchen in den aufeinandertreffenden Paketen (engl. bunches) und der Anzahl n der Bunches, die mit der Wiederholfrequenz f zur Kollision gebracht werden; die Teilchenpakete haben die Querschnittsfläche A:

L = \frac{n \cdot N_1 \cdot N_2 \cdot f}{A}.[1]

Die Luminosität hat dieselbe Einheit wie die Teilchenstromdichte, nämlich cm-2s-1.

Will man einen Prozess möglichst exakt untersuchen, d. h. mit hoher statistischer Signifikanz, ist eine hohe Luminosität notwendig. Diese ist von der Struktur des Beschleunigers und der Qualität der Teilchenstrahlen im Beschleuniger abhängig.

Rekorde[Bearbeiten]

Am Großbeschleuniger LHC soll eine Luminosität von ungefähr 1034 cm-2s-1 erreicht werden, während am Tevatron zuletzt Luminositäten von ca. 4·1032 cm-2s-1 erreicht wurden.[2] Der derzeitige Weltrekord wird vom Elektron/Positron-Beschleuniger KEKB in Japan gehalten und beträgt 2,11·1034 cm-2s-1 (7. Juni 2009).[3]

Allerdings sind die verschiedenen Beschleuniger aufgrund ihrer unterschiedlichen Bauweisen und Art der beschleunigten Teilchen nur schwer vergleichbar: Den Weltrekord bei Protonen-Beschleunigern hält der LHC mit 7,73·1033 cm-2s-1 (Stand: 10. Februar 2014).[4]

Weblinks[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Bogdan Povh, Klaus Rith, Christoph Scholz, Frank Zetsche: Teilchen und Kerne („Particles and nuclei“). 5. Aufl. Springer, Berlin 2006, ISBN 978-3-540-36683-6
  2. fnal.gov: Tevatron Luminosity
  3. Tetsuo Abe et al.: Achievements of KEKB. In: Prog. Theor. Exp. Phys. 03A001, 2013, S. 1–18, doi:10.1093/ptep/pts102.
  4. cern.ch: LHC Performance and Statistics