LHC Start-up hautnah - von Dr. Verena Kain


Teilchenstrahlen mit einer gespeicherten Energie äquivalent zu 75 kg TNT, die mit Lichtgeschwindigkeit in 27 km langen unterirdischen Tunneln sausen, gelenkt von Magneten, die kälter sind als das Weltall. Science Fiction? Nein, eine von Menschenhand gebaute Riesenmaschine, die unser Verständnis der Welt bestätigen oder sogar erweitern soll. Eine Riesenmaschine, eine Weltmaschine, die nur zum Zweck der Erkenntnis erdacht und erbaut worden ist.
Dies ist die erste einer Serie von Geschichten von Dr. Verena Kain, die uns hautnah vom Geschehen rund um den LHC berichten kann.

Er ist in aller Munde. Die Rede ist vom Beschleuniger LHC, dem Large Hadron Collider am CERN, der am 10. September 2008 seine sensationelle Inbetriebnahme gefeiert hat. Ein historischer Moment für die Beschleunigerphysik, der Beginn einer neuen Ära für die Teilchenphysik. Ich bin Beschleunigerphysikerin in der LHC-Operationsgroupe am CERN und dort ein sogenannter LHC Engineer in Charge, verantwortlich für die Operation des LHC. Damit hatte ich das Glück und die Ehre, diesen 10. September hautnah mitzuerleben und mitzubestimmen.
Der LHC soll Antworten auf fundamentale Fragen liefern wie „Warum haben die verschiedenen Teilchen verschiedene Massen? Warum haben sie überhaupt eine Masse?", „Was hat es mit der Supersymmetrie auf sich? Ein mathematisches Konstrukt oder gibt es tatsächliche supersymmetrische Teilchen?“, „Was ist die sogenannte Dunkle Materie oder die Dunkle Energie?“ und viele andere. Der Ringbeschleuniger LHC wird Einblicke in diese ungeklärten Fragen bringen, indem er zwei kontrarotierende Strahlen auf große Energien beschleunigt und die Teilchen des Strahls dann in den großen Detektoren der Experimente ATLAS, CMS, Alice und LHCb kollidieren läßt. Dabei hofft man, dass die Energie zum Teil in unentdeckte Teilchen umgewandelt wird, die dann in den komplexen Detektoren ihre Signaturen hinterlassen sollen. Anfangs werden Protonenstrahlen beschleunigt werden, später will man auch mit Schwerionen arbeiten.

Abbildung 1: Der LHC Ringbeschleuniger, das neue Großprojekt am CERN, mit einem Umfang von 27 km im Grenzgebiet zwischen Frankreich und der Schweiz in der Nähe von Genf. Der LHC ist in 8 Sektoren eingeteilt. Ein Sektor ist ungefähr 3 km lang.

Um ein möglichst großes Entdeckungspotential zu haben, will man die geladenen Teilchen auf 7 TeV pro Ladung beschleunigen. Ein Faktor 7 über dem was bisher künstlich auf der Erde erreicht worden ist. Der LHC ist in den 27 km langen, kreisförmigen Tunnel des vorhergehenden Großbeschleunigers am CERN, des LEP Beschleunigers [5], eingebaut worden. Der vorgegebene Krümmungsradius des Tunnels und die Physikvorgabe von 7 TeV, bedeutet, dass die Hauptdipolmagnete ein Feld von 8.3 T liefern können müssen. Supraleitertechnologie für die Elektromagneten war die Lösung. Die Kabel für die Spulen wurden aus der Tieftemperatursupraleiterlegierung NbTi gefertigt und haben eine Betriebstemperatur von 1.9 K. Diese Temperatur wird gewährleistet durch ein Kühlbad aus supraflüssigem Helium, in dem sich die Magnete befinden. Beinahe der gesamte Umfang von 27 km muß auf dieser niedrigen Temperatur gehalten werden.

Abbildung 2: Die supraleitenden Spulen und Eisenjoch der LHC Hauptdipolmagnete.

Die Wahrscheinlichkeiten interessante Teilchen bei den Wechselwirkungen an den Interaktionspunkten zu erzeugen sind sehr gering. Daher ist eine große Kollisionsrate im LHC geplant. Die Kollisionsrate hängt natürlich vom Wirkunsquerschnitt der Teilchen mit den Teilchen des anderen Strahls für diese Energie ab. Zusätzlich gibt es noch einen beschleunigerspezifischen Beitrag, der sich Luminosität nennt. Die Anzahl der zirkulierenden Teilchen und die Größe des Strahls am Interaktionspunkt gehen in diesen Parameter ein. Der Strahl im LHC besteht aus Teilchenpaketen aufgrund der Art und Weise, den Strahl mit RF Kavitäten longitudinal zu beschleunigen. Die Anzahl der Teilchen (im Falle von Protonen) ist 1.5 × 1011 Protonen pro Teilchenpaket, und um den ganzen Ring wird man 2808 Pakete finden. Mit der Designoptik des LHCs wird man eine Luminosität von 1034 cm-2s1 erreichen können. Das entspricht einer Kollisionsrate von 600 × 106 s-1 (für inelastische Wechselwirkungen mit einem inelastischem Wirkungsquerschnitt für Proton-Proton von in = 60 mbarn bei 7 TeV). Also, ca. 19 inelastische Kollisionen pro Kreuzung von zwei Paketen. Wenn 2808 × 1.5 × 1011 Protonen je eine Energie von 7 TeV (1.12 × 10-6 J) haben, entspricht das einer gespeicherten Gesamtenergie im Strahl von 360 MJ. Mit dieser Energie würde sich ein 3200 kg schweres Auto mit 1700 km/h bewegen. Beziehungsweise kann man mit dieser Energie 500 kg Kupfer von 1.9 K aufwärmen und zum Schmelzen bringen. Man kann sich daher vorstellen, dass der LHC nicht nur eine technische Herausforderung ist aufgrund der Supraleiter und Riesenkühlsysteme, sondern auch eine operationelle. Denn geringer Strahlverlust bei LHC Operation kann schon unangenehme Konsequenzen haben.


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