Hallo allerseits!
Mein Name ist Edmund Widl und ich bin - wie mein Name vermuten lässt - ein waschechter Wiener. Mittlerweile hat mich eines meiner größten Laster, meine Neugier, durch ein Physikstudium an der TU Wien bis hin zu meiner jetzigen Arbeit am HEPHY, dem Institut für Hochenergiephysik, geführt. Dort habe ich nun die Möglichkeit gefunden einen meiner Jugendträume zu verwirklichen, nämlich der aktiven Mitarbeit an einem der größen Experimente am CERN; zunächst im Rahmen einer Diplomarbeit und nun als Doktorant.
Ein Schwerpunkt des Instituts für Hochenergiephysik ist die Mitwirkung am CMS-Experiment. Dieses befindet sich derzeit in der Fertigstellung und wird bald als eines der vier Experimente am LHC-Beschleunigerring Physikdaten liefern, von denen man sich viele neue Aufschlüsse über die grundlegenden Vorgänge im Universum erhofft. CMS steht fuer "Compact Muon Solenoid" - ein Kunstname, der das zu Grunde liegende Design des Teilchendetektors, dem eigentlichen Herzstück des Experiments, veranschaulichen soll: "Compact", weil es vergleichsweise wenig Volumen für ein Instrument seiner Art beansprucht. "Muon", weil man sich vor allem durch die Messung sehr energiereicher Myonen, das sind im wesentlichen schwere Elektronen, ein klares Signal neuer, bisher nicht gesehener physikalischer Prozesse erhofft. Und schlieÃlich "Solenoid", weil die einzelnen Komponenten des Detektors um ein sogenanntes Solenoid, das ist Fachchinesisch für "Magnetspule", angeordnet sind.
Die Idee hinter einem solchen Experiment ist im Prinzip recht simpel: Man schieÃt Teilchen, deren Eigenschaften sehr genau bekannt sind, mit sehr hoher Geschwindigkeit aufeinander - im Falle des LHC-Beschleunigers sind das Protonen oder Bleiionen - und "sieht" mal zu was passiert. Im allgemeinen entstehen bei einer solchen Kollision eine recht groÃe Anzahl an weiteren Teilchen, die man physikalisch untersuchen kann. Interessante physikalische GröÃen sind dabei unter anderem die Masse, die Energie, die elektrische Ladung und der Impuls der Teilchen. Kennt man alle diese GröÃen, so hat man gute Chancen zu verstehen, was bei der eigentlichen Kollision so alles passiert ist: Sind die entstandenen Teilchen vielleicht nur Zerfallsprodukte eines anderen, extrem kurzlebigen und daher nicht direkt beobachtbaren Teilchens? Oder gibt es gewisse räumliche Symmetrien bei den Wechselwirkungen, die auf wiederum tieferliegende Phänomene hinweisen? Diese und andere Fragestellungen sind es letztlich, die den Bau von Teilchendetektoren erforderlich machen, also Instrumenten, welche die Messung der interessanten Teilcheneigenschaften überhaupt erst ermöglichen.
Teilchendetektoren der GröÃenordnung des CMS-Detektors zu bauen ist allerdings schon eine Wissenschaft für sich und birgt eine Unzahl an kniffligen Details. So bestehen sie beispielsweise immer aus vielen Subsystemen, die verschiedenste Aufgaben erfüllen und für sich allein genommen schon beachtlich komplex sind. Darunter findet man auch immer eine Vorrichtung, die es ermöglicht die Flugbahn von geladenen Teilchen (z.B. Protonen und Elektronen) zu messen, genannt "Tracker" (von engl. "Track", Spur). Im Fall von CMS besteht dieser Tracker aus etwa 16.000 einzelnen Sensoren, die in einem Volumen von mehreren Kubikmetern mehr oder weniger zwiebelschalenartig um den Kollisionspunkt angeordnet sind. Diese Sensoren sind im wesentlichen dünne Siliziumplatten (nicht dicker als ein halber Millimeter), die bei einem Treffer durch ein geladenes Teilchen einen Stromstoà erzeugen. Flitzt so ein Teilchen nun durch mehrere Sensoren, deren Position man kennt, hintereinander durch, kann man mit einigen gefinkelten Methoden die Spur des Teilchens rekonstruieren. Dadurch erhällt man zum Beispiel Aufschluss ueber seinen Impuls oder Entstehungsort.
Will man solche Messungen mit hoher Genauigkeit erzielen, ist es allerdings von höchster Wichtigkeit, die Position der Sensoren mit höchst möglicher Genauigkeit zu wissen - also genauer als ein hundertstel eines Millimeters. Das ist aber nicht so leicht, denn auch wenn man den Tracker mit der gewünschten Präzision zusammenbauen könnte, würden die unmittelbaren Verhältnisse beim Betrieb des Detektors dazu führen, dass es zu Abweichungen von der idealen Detektorgeometrie kommt: Das gesammte Gerät muss z.B. auf unter -10 Grad Celsius abgekühlt werden, um eine messbare Signalstärke zu garantieren, was unweigerlich zu thermischen Verformungen führt. AuÃerdem sind, obwohl nichtmagnetische Materialien für den Bau verwendet werden, aufgrund des extrem hohen Magnetfeldes zusätzliche Deformationen zu erwarten. Diese Effekte können leider nicht im voraus berechnet werden, sondern müssen mit viel Aufwand gemessen werden.
Die genauesten Methoden zur Messung dieser Abweichungen von der idealen Detektorgeometrie, im Fachjargon "Misalignment" (engl., Fehlausrichtung) genannt, bedienen sich der Beobachtung von Teilchenspuren. Im Prinzip erhält man die gesuchten Abweichungen, indem man den Unterschied zwischen den gemessenen und den rekonstruierten Spuren betrachtet. Allerdings stößt man hierbei auf einige Probleme: Jede Messapparatur ist prinzipiell mit einem Messfehler behaftet. Im Falle eines Trackers ist dieser Messfehler sogar größer als die Genauigkeit mit der man das Misalignment bestimmen will. Außerdem stammen die rekonstruierten Spuren von Messungen, bei denen man das tatsächliche Misalignment nicht kennt - sie enthalten daher systematische Fehler. Um diese Probleme zu umgehen bedient man sich einiger Tricks, die man sich aus der statistischen Mathematik entlehnt, was zumindest im Prinzip das Problem löst. Nur kommt im Falle des CMS-Trackers ein zusätzliches Problem dazu: Die große Anzahl an Sensoren führt dazu, dass man eine verhältnismäßig große Anzahl an Parametern benötigt (etwa 100.000), um das Misalignment mathematisch zu beschreiben. Das wiederum führt dazu, dass es bei den bisher gebräuchlichen Methoden zu ernsten Problemen kommt. Manche Mehoden werden numerisch instabil (d.h. die berechneten Werte sind nicht mehr aussagekräftig) während andere einfach viel zu lange für die Berechnung benötigen (bis zu etwa einem Jahr Rechenzeit auf einem herkömmlichen PC).
Und hier komme ich ins Spiel: Seit mittlerweile knapp zwei Jahren arbeite ich zusammen mit meinem Dissertationsbetreuer Rudi Frühwirth an einem Algorithmus, der diese Probleme umgeht. Er basiert auf einem iterativen statistischen Filter, einem sogenannten Kalman-Filter, der eine verbesserte Berechnung der Parameter (Aktualisierung) nach jeder betrachteten Spur erlaubt. Das bringt einen Vorteil gegenüber allen anderen Methoden, die zuerst die Informationen aller Spuren kummulieren und dann oft ein sehr großes Gleichungssystem lösen müssen. Auch können (geometrische) Korrelationen zwischen verschiedenen Sensoren mitberücksichtigt werden, die es erlauben auch die Parameter nicht direkt getroffener Sensoren zu aktualisieren. Natürlich liegt auch hier die Tücke im Detail, aber die bisherige Entwicklung ist vielverprechend. Die momentanen Bemühungen gehen dahin, von den bisherigen Studien ausgehend, die vor allem die prinzipielle Funktionalität demonstriert haben, zu zeigen, dass dieses Konzept auch auf ein derart großes System wie den CMS-Tracker ausgeweitet werden kann.
In knapp zwei Jahren wird das CMS-Experiment mit der Datenname im großen Stil beginnen. Bis dahin bleibt also noch ein wenig Zeit diesen neuen Ansatz soweit zu verfeinern und auch zu implementieren, um ihn dann erfolgreich zur Anwedung zu bringen. Es liegt also noch ein in vielerlei Hinsicht schönes Stück Arbeit vor mir, das sich aber gewiss lohnen wird.
Ein weiteres nicht allzu schmeichelhaftes Foto - aber man erahnt die Dimensionen des im Bau befindlichen Trackers im Hintergrund.
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