Luminosität

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Die Luminosität ist ein Begriff aus der Beschleuniger- bzw. der Hochenergiephysik; sie beschreibt die Anzahl der Teilchenbegegnungen pro Fläche und Zeit. Neben der Kollisionsenergie kennzeichnet die Luminosität die Leistungsfähigkeit eines Teilchenbeschleunigers.

Anwendung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Zahl der Streuereignisse pro Zeit , zum Beispiel in einem Detektor um den Kreuzungspunkt von zwei Teilchenstrahlen an einem Beschleuniger, ist das Produkt des Wirkungsquerschnittes mit der Luminosität . Beschränkt man sich bei den Ereignissen auf diejenigen in einem Bereich , so gibt entsprechend der differentielle Wirkungsquerschnitt mal der Luminosität die Ereignisrate pro Bereich .

Während der Wirkungsquerschnitt unabhängig vom Beschleuniger und Detektor eine physikalische Eigenschaft der miteinander stoßenden Teilchen ist, ist die Luminosität unabhängig von den physikalischen Eigenschaften der Teilchen charakteristisch für den Beschleuniger. Sie hängt von der Zahl der Teilchen in den Teilchenpaketen ab, von ihrer gemeinsamen Schnittfläche, von ihrer Anzahl und von der Häufigkeit, mit der sie kollidieren.

Definition[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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

[1]

Die Luminosität hat dieselbe Einheit wie die Teilchenstromdichte, nämlich cm−2s−1. In der Regel haben Strahlen keine gleichförmige Teilchendichte. Wenn die Teilchendichte einer Gaußverteilung mit den Breiten und folgt, ergibt sich eine Luminosität von

[2]

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 | Quelltext bearbeiten]

Am Beschleuniger LHC wurde eine Luminosität von 1,75·1034 cm−2s−1 erreicht,[3] während am Tevatron zuletzt Luminositäten von ca. 4·1032 cm−2s−1 erreicht wurden.[4] Der derzeitige Weltrekord wird vom Elektron/Positron-Beschleuniger KEKB in Japan gehalten und beträgt 2,11·1034 cm−2s−1 (7. Juni 2009).[5] 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.

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext 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. D. A. Edwards and M. J. Syphers: ACCELERATOR PHYSICS OF COLLIDERS. Particle Data Group, Juli 2011, abgerufen am 13. Februar 2017.
  3. Performance plots, abgerufen am 10. Oktober 2017
  4. fnal.gov: Tevatron Luminosity (Memento des Originals vom 23. März 2010 im Internet Archive)  Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/www.fnal.gov
  5. Tetsuo Abe et al.: Achievements of KEKB. In: Prog. Theor. Exp. Phys. 03A001, 2013, S. 1–18, doi:10.1093/ptep/pts102.