Dipolmagnet
Dipolmagnete halten die Teilchen auf der Kreisbahn: Die Lorentzkraft lenkt sie ab, es gilt p ≈ 0,3 · B · r. Höhere Energie braucht ein stärkeres Feld oder einen größeren Ring. Der LHC hat 1232 supraleitende Dipole von je rund 15 m Länge, die bei 1,9 K ein Feld von 8,3 T erzeugen und Protonen von 7 TeV auf 27 km Umfang halten.
Das Upgrade „Magnetfeld“ stärkt die Dipole und legt ihnen Kupferspulen an. Alle 10 Strahlstufen bekommt der ganze Ring eine neue Ära.
HF-Kavität
In Hochfrequenz-Kavitäten schwingt ein elektrisches Feld im Takt der Teilchenpakete: Es beschleunigt sie bei jedem Umlauf ein Stück und hält sie in Paketen zusammen. Der LHC hat je Strahl acht supraleitende Kavitäten bei 400 MHz mit je etwa 2 MV, zusammen 16 MV pro Strahl.
Alle 6 Stufen Strahlenergie kommt ein weiteres HF-Modul dazu (höchstens 10).
Fokussier-Quadrupol
Quadrupolmagnete wirken wie Linsen: In einer Ebene fokussieren sie den Strahl, in der anderen defokussieren sie ihn – abwechselnd aufgestellt bündeln sie ihn insgesamt. Ein Triplett vor dem Detektor presst den Strahl auf rund 17 µm; je kleiner der Querschnitt, desto mehr Kollisionen.
Je zwei Stufen „Strahlfokus“ kommt ein Triplett je Seite des Detektors dazu (höchstens 6); der Fokus verbreitert zugleich das Treffer-Fenster.
Kryo-Tank
Supraleitende Magnete verlieren unterhalb einer kritischen Temperatur jeden elektrischen Widerstand. Der LHC kühlt sie mit rund 100 Tonnen flüssigem Helium auf 1,9 K – kälter als der leere Raum (2,7 K) – in der größten Kälteanlage der Welt.
Jede Stufe „Kryostat“ stellt einen weiteren Tank auf (höchstens 10) und verlängert den Offline-Betrieb.
Heliumleitung
Das flüssige Helium zirkuliert in einer Rohrleitung entlang der Magnete. Unterhalb von 2,17 K wird Helium superfluid: Es leitet Wärme extrem gut und hat praktisch keine Zähigkeit – ideal als Kühlmittel für die Magnete.
Die Leitung erscheint ab Stufe 2 des Upgrades „Kryostat“.
Strahl und Pakete
Die Protonen laufen nicht als gleichmäßiger Strom, sondern in Paketen. Der LHC fasst bis zu 2808 Pakete je Strahl mit je rund 10¹¹ Protonen, im Abstand von 25 ns. Zwei Strahlen laufen gegenläufig in getrennten Rohren und kreuzen sich nur an den Detektoren – bei jeder Kreuzung gibt es dutzende Kollisionen.
Du zündest im Takt der Kreuzung (Treffer-Fenster). Das Upgrade „Luminosität“ erhöht die Zahl der Kollisionen je Sekunde und schaltet die Automation frei.
Synchrotronlicht
Geladene Teilchen auf einer Kreisbahn strahlen tangential Licht ab. Die Leistung wächst mit E⁴ / (m⁴ · r²): Ein Elektron verliert bei gleicher Energie rund 10¹³-mal mehr als ein Proton. Darum nutzt der LHC Protonen, und beim Elektronenring LEP (104,5 GeV) war die Strahlung die Grenze.
Die Lichtfächer wachsen mit der Strahlstufe: je höher die Energie, desto heller und härter das Licht.