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LHC@home

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LHC@home
LHC@home
Ziel:Verbessere die Qualität der Teilchenstrahlen im LHC
Kategorie:Physik
Homepage:https://lhcathome.cern.ch/lhcathome/
Betreiber:CERN Europäische Union
Status:produktiv
Projektadressen
Serverstatus:LHC@home
Forum:LHC@home Forum
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Team-Statistik:LHC@home
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Bildschirmschoner:Nicht vorhanden
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Laufzeit einer WU: 1 Minute bis mehrere Stunden.

LHC@home simuliert die Bahnen von Teilchen in Teilchenbeschleunigern. Die Ergebnisse halfen und helfen bei Bau, Projektierung und Betrieb des weltgrößten Teilchenbeschleunigers LHC.


Das Projekt

Die wichtigsten Parameter eines Teilchenbeschleunigers sind die Energie und die Luminosität, welche ein Maß für die Anzahl der Teilchenkollisionen pro Zeitintervall ist. Verschiedene Effekte können die Leistungsfähigkeit eines Teilchenbeschleunigers verringern:

  • nichtlineare Anteile der Magnetfelder, welche die Teilchenstrahlen auf ihrer Bahn halten und fokussieren, können zu chaotischer Bewegung der Teilchen führen
  • beim Aufeinandertreffen zweier Teilchenstrahlen kommt es nicht in allen Fällen zu den gewünschten Kollisionen, sondern oft zur Ablenkung der Teilchen durch das elektrische Feld des anderen Strahls
  • ein Teilchenpaket erzeugt ein Feld, welches die folgenden Teilchenpakete stört
  • verlorene Teilchen treffen auf das Umgebungsmaterial und erwärmen es, was die auf Supraleitung basierenden Magnete womöglich für längere Zeit unbrauchbar machen kann

Die Anwendung Sixtrack verfolgt die Bewegung von wenigen Teilchen im vollen sechsdimensionalen Phasenraum (drei Orts- und drei Impulskoordinaten) während einiger Umläufe im Teilchenbeschleuniger. Üblicherweise werden 100000 oder 1 Million Umläufe simuliert, was zwar nur einer relativ kurzen Zeit entspricht (die Teilchen durchlaufen den kompletten Ringbeschleuniger mehr als 10000 Mal pro Sekunde), aber trotzdem eine Aussage zur Stabilität der Teilchenstrahlen über längere Zeit zulässt.


Geschichte

Sixtrack entstand im Jahr 2003 als hausinterner Bildschirmschoner am CERN. Nachdem Anfang 2004 Kontakte zu den BOINC-Entwicklern hergestellt worden waren, wurde die Anwendung im Jahr 2004 auf BOINC portiert und das Projekt LHC@home konnte passend zum 50-jährigen Jubiläum des CERN im September 2004 offiziell starten, um der Öffentlichkeit einen Eindruck über die für den LHC notwendigen Berechnungen zu vermitteln.

Nach einer Pause wurde das Projekt im Rahmen des Jahres der Physik 2005 wiederbelebt und lieferte wichtige Erkenntnisse für den genauen Aufbau des LHC. Die Inbetriebnahme des LHC im Sommer 2008 erlebte das Projekt nach einer längeren Umzugspause in der ersten Jahreshälfte 2007 an der Queen Mary, University of London. Seit August 2011 ist das Projekt wieder am CERN beheimatet und leistet durch weitere Berechnungen einen Beitrag zu geplanten Verbesserungen des LHC.


Ergebnisse

Physik der Teilchenstrahlen

Die ersten umfangreichen Simulationen der Stabilität von Protonenstrahlen hatten Einfluss auf den endgültigen Aufbau des LHC, insbesondere bei den Bereichen, in denen die Teilchenstrahlen gekreuzt werden, um Kollisionen herbeizuführen. Durch genaue Messungen bei Tests der Einzelteile des LHC konnten die Simulationen verbessert werden, um wiederum weitere Optimierungsmöglichkeiten für den Teilchenbeschleuniger zu finden. Ein Schwerpunkt war dabei das Magnet-Triplett, welches die Strahlen für möglichst effektive Kollisionen fokussiert.

Nach Inbetriebnahme des LHC konnten gezielt weitere Simulationen zur Stabilität der Protonenstrahlen durchgeführt werden, aus denen wiederum Verbesserungsmöglichkeiten im Rahmen von Upgrades des Teilchenbeschleunigers folgten.

Eine Auswahl von Publikationen:


Probleme mit Gleitkomma-Arithmetik

Aufgrund der möglicherweise chaotischen Teilchenbewegung können bereits kleinste Abweichungen durch Rundungsfehler zu völlig verschiedenen Ergebnissen nach einer großen Zahl simulierter Umläufe führen. Einige elementare mathematische Funktionen wie der Logarithmus oder die Exponentialfunktion werden im Standard IEEE 754 nicht definiert und tatsächlich je nach Hardware, Betriebssystem und Compiler unterschiedlich umgesetzt. Mit Sixtrack können fehlerhafte Umsetzungen und auch mögliche Hardwareprobleme gefunden werden.


Weblinks

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