Hallo!
Schön, daß Sie diese Seite gefunden haben und etwas mehr darüber erfahren wollen, was wir Teilchenphysiker so machen!
Mein Name ist Silvia Schuh und ich arbeite als experimentelle Teilchenphysikerin am ATLAS Detektor (A Toroidal LHC ApparatuS), einem der vier Experimente am Large Hadron Collider (LHC), dem großen Beschleuniger, der gerade am europäischen Labor für Teilchenphysik, dem CERN, gebaut wird und 2007 erste Daten liefern wird.
Wir Teilchenphysiker suchen Antworten auf ganz fundamentale Fragen der Menschheit: woher kommen wir - war es wirklich ein Urknall ("Big Bang") aus dem unser Universum hervorgegangen ist und wie muß man sich die zeitliche Entwicklung nach dem Urknall genau vorstellen? Wie sieht unser Universum heute aus - warum gab es ganz kurz nach dem Urknall sowohl Materie und Antimaterie in gleichem Ausmaß und unser heutiges Universum besteht fast zur Gänze aus Materie? Was sind die Grundbausteine der Materie und wie wechselwirken sie miteinander? Warum haben die Elementarteilchen ihre speziellen Massen?
Die großen Forschungseinrichtungen am CERN - die Teilchenbeschleuniger mit den dazugehörigen Experimenten (auch Detektoren genannt) - erlauben uns, den obigen Fragen, mit immer größerer Genauigkeit nachzugehen. Seit den 70er Jahren haben wir ein theoretisches Modell - das "Standard Modell" - das die Teilchen, also die Bausteine der Materie wie z.B. das Elektron, und ihr Zusammenwirken mit vorher unerreichter Genauigkeit beschreibt.
Ein grundlegendes Element dieses Standardmodells - das Higgs Boson, das durch seine Wechselwirkung allen anderen Elementarteilchen ihre verschiedenen Massen gibt - konnten wir mit den bisherigen Experimenten nicht nachweisen. Bei LHC werden Protonen mit einer Energie von 7 TeV1 kollidieren und damit werden wir sowohl das Higgs-Boson entdecken als auch nach nicht vorhergesagter, neuer Physik suchen können. Außerdem: es wäre auch absolut sensationell, sollten wir das Higgs-Teilchen nicht entdecken (in dem Energiebereich, der uns mit dem LHC offen steht, muß es gefunden werden, oder das Standard Modell hat ganz grundlegende Probleme) - schlicht, weil das auf völlig unerwartete, neue Physik deuten würde, die unser globales Verständnis der Bausteine der Materie revolutionieren müsste!
Der ATLAS Detektor, oben im Bild, wurde von einer internationalen Kollaboration, die aus ca 1800 Physikern und Ingenieuren aus 152 Instituten in 34 Ländern besteht, während fast 15 Jahre konzipiert, gebaut und derzeit am CERN installiert. ATLAS hat bei einer Detektorlänge von 44m und einer Höhe von 22m rund hundert Millionen Auslesekanäle - ein Projekt von einer noch nie dagewesenen Komplexität! Da müssen in regelmäßigen Zusammenkünften und vielen Diskussionen gemeinsame Lösungsansätze am äußersten Limit der technologischen Möglichkeiten ausdiskutiert werden, richtige Übergänge zwischen unzähligen Projektkomponenten sichergestellt werden. Man würde denken, dass hauptsächlich Physiker in der Teilchenphysik arbeiten - aber weit gefehlt! Wir brauchen die Zusammenarbeit mit Informatikern, Elektrotechnikern, Maschinenbauern - ja sogar Vermessungswesen wird zur genauen Ausrichtung unserer Experimente benötigt!
Ich selbst arbeite am Bau des Myonspektrometers mit - im ATLAS Bild in blau gezeigt, das mit seinen 1200 Präzisionsdriftkammern (genau heißen sie Monitored Drift Tube (MDT) Chambers oder MDT Detektoren) den größten Teil des Volumens im ATLAS-Detektor ausmacht und den Impuls der Myonen mißt. Ein Myon mit typischerweise 1 TeV/c wird im 0.5 Tesla Magnetfeld rund 0.5mm von der geraden Flugbahn abgelenkt.Die Bestimmung der Bahnkrümmung erfolgt mittels dreier Messpunkte entlang der Myonspur, wobei jeder der drei Punkte eine Messgenauigkeit von zumindest 0.05mm haben muß. Dies erfordert neben dem äußerst raffinierten Detektor-Positions-Kontrollsystem (das vom letzten Kopf des Monats, Katharina Mair beschrieben wurde) eine äußerst genaue mechanische Konstruktion der Driftkammern.
Die grundlegenden Detektionselemente der MDTs sind im Prinzip Strohhalme mit 3cm Durchmesser, einer sehr dünnen Aluminiumwand, einem zentralen Golddraht in der Mitte und einer angelegten Hochspannung zwischen den beiden. Wenn ein Myon dieses gasgefüllte Rohr durchquert, ionisiert es die Gasmischung, wobei Elektronen zum positiven Anodendraht und Ionen zur Kathodenwand hingezogen werden und ein messbares, elektronisches Signal produzieren.
Um die mögliche Messgenauigkeit der MDTs nicht durch ungenaues Plazieren der Golddrähte zu verschlechtern, müssen die rund 350 Driftröhren per MDT Detektor in einem Volumen von bis zu 2m x 0.6m x 6m mit einer Genauigkeit von besser als 0.02mm platziert werden. Zum Vergleich - ein Haar hat einen Durchmesser von rund 0.08mm, also vier Mal so viel!
Solch genau Drahtpositionierung ist nicht leicht zu erreichen und muß daher unabhängig von der Konstruktion verifiziert werden. Zu diesem Zweck wurde ein Röntgentomograph mit nur wenigen Mikrometern Genauigkeit (1 Mikrometer ist ein Tausendstel Millimeter!) zur Messung der 2-dimensionalen Drahtpositionen im gebauten MDT Detektor gebaut. Das Foto unten zeigt diesen Röntgentomographen und eine der MDT Detektoren, die gerade zur Vermessung eingebaut wurde. Die von uns entwickelte Technologie, solch hohe Genauigkeit mit kleinem systematischen Fehler zu erreichen, könnte eventuell auch in anderen Bereichen der Forschung (Biologie) oder auch in der Medizin mögliche Anwendungen finden.
Nachdem wir über die letzten 5 Jahre rund 15% der 1200 in 13 Instituten weltweit produzierten Kammern vermessen haben, werden "meine" Kammern seit ein paar Monaten in den finalen ATLAS Detektor eingebaut und ich werde die nächsten 1.5 Jahren emsig an der Installierung und Inbetriebnahme der vielen ATLAS Detektorteile mitarbeiten. Es ist ein tolles Gefühl, dabeizusein, wenn nach Jahren der technischen Kleinarbeit, die oft losgelöst von unseren eigentlichen physikalischen Fragestellungen scheint, dieser Gigant von ATLAS vor unseren Augen Realität wird. Die Aufregung wird langsam aber sicher spürbar - die Erwartung auf erhoffte (und unerhoffte) Entdeckungen!
Kontakt: Silvia.Schuh@cern.ch
1Ein TeV ist die Energie-Einheit, die wir in der Teilchenphysik verwenden. 1TeV ist ungefähr die Bewegungsenergie einer fliegenden Mücke. Das LHC ist so außergewöhnlich, da es diese Energie von 1 TeV auf eine Größe um 1 Million Millionen kleiner als die Größe einer Fliege komprimiert.
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