Mein Besuch am CERN

2009-09-15 Laurenz Widhalm

Maximilian Ruep, ein 14jähriger, vielseitig talentierter Schüler aus Wels, hatte einen großen Wunsch: einmal selbst das Forschungszentrum CERN zu besuchen, und vielleicht einen kleinen Blick hinter die Kulissen werfen zu können. Mit Unterstützung des Instituts für Hochenergiephysik (HEPHY) wurde dieser Wunsch Wirklichkeit - lesen Sie hier seinen ganz persönlichen Bericht:

Etwas müde, doch voller Erwartungen und Vorfreude betrete ich um ca. neun Uhr früh das Gebäude 33, die Rezeption, auf dem Cern-Gelände in Meyrin, sehr nahe der französich-schweizerischen Grenze. Es ist ein wahnsinns Gefühl.

Ich werfe noch einen Blick zurück. Draußen sieht man den Globe, die riesige Holzkugel, die man schon von weitem erkennen kann. Sie wird gerade renoviert, bekommt einen neuen Anstrich. Vor dem Globe steht ein blaues, 15 m langes Rohr mit zwei schwarzen, fassähnlichen Kappen am Ende. In weißen Lettern steht darauf geschrieben: „Cern Aimant Dipole Supraconducteur LHC“. Es handelt sich um einen der 1 232 supraleitenden Dipolmagnete, deren Aufgabe es ist, den Teilchenstrahl des Large Hadron Colliders auf seiner kreisförmigen, fast 27 km langen Bahn 100 Meter unterhalb des Erdbodens zu halten.

Ich kann es immer noch nicht fassen. Ich befinde mich auf dem Gelände der europäischen Organisation für Kernforschung, dort wo die größte Maschine der Welt überwacht, gesteuert, repariert, überprüft, getestet und schließlich in Betrieb genommen wird. Wo sich 1800 Physiker aus aller Welt Antworten auf ihre Fragen erhoffen. Und ich mitten drin.

Die Dame an der Rezeption ruft einen gewissen Herrn DI Dr. Michael Hoch für uns an. Er wird uns heute eine Zeit lang begleiten, uns das “Hauptquartier“ in Meyrin zeigen und uns wissenswertes über das gesamte Projekt erläutern. Nach wenigen Minuten des Wartens erscheint ein braun-gebrannter Physiker in der kleinen Halle der Rezeption, der Anfang der Führung.

Anmerkung: “supraleitend“ bedeutet, dass der Magnet fast auf den absoluten Nullpunkt (-273,15°C) abgekühlt wird, und bei so niedrigen Temperaturen keinen elektrischen Widerstand mehr hat. Somit kann man ein viel stärkeres Magnetfeld erzeugen, als mit einem “warmen“ Magneten.

Der LHC ist ein Teilchenbeschleuniger. Der Teilchenbeschleuniger! Der größte, und leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger der Welt.

Aber wozu braucht man bitte einen Teilchenbeschleuniger? Was kann man damit machen? Die Antwort: Verstehen. Lernen. Begreifen. Entwickeln. Entdecken. (So wurde zum Beispiel das World Wide Web entwickelt, um Physiker weltweit miteinander zu vernetzen.) Mit einem Teilchenbeschleuniger bekommt man einen Einblick in die Geheimnisse des Universums. Aber warum bekommt man einen Einblick, indem man Teilchen, die man sowieso schon kennt zusammenprallen lässt? Weil bei der Kollision neue Teilchen entstehen! Diese Tatsache ist in Einsteins Formel der speziellen Relativitätstheorie E=mc² festgelegt. Sie besagt, dass Masse und Energie äquivalent sind, dass man Masse in Energie umwandeln kann, und Energie in Masse. Genau das geschieht am LHC. Ein Teil der kinetischen Energie der Teilchen (Bewegungsenergie) wird beim Zusammenprall in neue Materie umgewandelt. Dieser Prozess findet bei allen Teilchenbeschleunigern statt, und ist nichts Neues, aber die verfügbare Energie, die in Masse umgewandelt werden kann, war noch nie so groß wie beim LHC. In den zwei unterirdischen Röhren werden Teilchenpakete auf 99,999999% der Lichtgeschwindigkeit (299 792 km/s) beschleunigt. Die umkreisenden Protonen erreichen dabei eine Energie von 14 Tera-Elektronenvolt (TeV), die Bleiionen (Schwerionen, Bleikerne) erreichen sogar eine Energie von 1146 TeV. Zum Vergleich: 1 TeV entspricht ungefähr der Bewegungsenergie eine Mücke.

Mit Einsteins Formel wurden schon viele Teilchen auf diese Weise gefunden, doch das Standardmodell prognostiziert ein Teilchen, das zuvor noch von keinem Detektor aufgezeichnet wurde. Das sogenannte Higgs-Boson. Es soll der Ursprung der Masse sein. Wissenschaftler aus aller Welt fiebern der Entdeckung dieses Teilchen am Large Hadron Collider entgegen. Doch der Weg, bis die Teilchen zu Paketen zusammengeballt, fast bis zur Lichtgeschwindigkeit beschleunigt, zusammengeprallt und die Ergebnisse ausgewertet werden, ist aufwendig, lange und voller neuester Technologie.

Anmerkung: Der nachfolgende Text befasst sich mit der Erzeugung, Beschleunigung und Kollision der Protonen.

Von der Quelle zur Kollision:

Der erste Schritt ist die Gewinnung von Protonen. Dies erfolgt direkt am Startpunkt des Vorbeschleunigers Linac 2. Als Grundlage für die Protonen dient Wasserstoffgas Wenn man von einem Wasserstoffatom das Elektron mittels elektrischer Spannung entfernt, bleibt nur noch ein Proton übrig, das dann den Linac 2 durchläuft und beschleunigt wird. Die Beschleunigung der positiv geladenen Protonen erfolgt durch ein starkes Magnetfeld, dass genau im richtigen Zeitpunkt eingeschaltet wird. Dieses negative Magnetfeld stößt die positiv geladenen Protonen von sich weg. Um ein Proton durch das Magnetfeld in die richtige Richtung zu beschleunigen, müssen die Magnetfelder mit ständig neuen Frequenzen ein, und ausgeschaltet werden. Alleine das ist eine technische Meisterleistung, denn mit der Höchstgeschwindigkeit durchläuft so ein Proton den 26,659 km langen LHC-Ring ca. 11 245 mal in einer Sekunde! Nachdem die Protonen den Linac 2, den Booster und den PS (Proton Synchrotron) hinter sich gelassen haben, machen sie eine kurze Pause im SPS (Super Proton Synchrotron). In diesem Vorbeschleuniger müssen die Protonen warten, bis sie zu Pakete “verschnürt“ werden. Insgesamt durchlaufen nach diesem Prozess fast 6 000 Teilchenpakete den LHC, mit je ungefähr 100 Milliarden Teilchen. Diese Teilchenpakete teilen sich auf zwei Strahlen auf, die in entgegengesetzte Richtungen den Ring durchlaufen und schließlich an 4 Stellen kollidieren, den Experimenten. Durch die hohe Endgeschwindigkeit kreuzen sich die Teilchenstrahlen etwa 30 Millionen mal pro Sekunde. Trotzdem ist eine Kollision sehr unwahrscheinlich, denn die Protonen sind sehr klein. So kommt es bei einem Aufeinandertreffen von 2 Paketen (200 Milliarden Teilchen) nur zu 20 Kollisionen. Im gesamten LHC kommt es so zu “nur“ 600 Millionen Kollisionen pro Sekunde.

Die Detektoren

Die Auffindung und die Zuordnung der neuen Teilchen ist eine schwierige Aufgabe. Extra hierfür wurden die Detektoren entwickelt. Die Detektoren sind riesige Apparaturen, deren Entwicklung mehrere Jahre in Anspruch genommen hat. Sie haben das Ziel unsere fundamentalen Fragen zu beantworten, wobei jeder der 4 großen Detektoren, oder Experimente auf einen eigenen Teilbereich spezialisiert ist, um möglichst vielen Geheimnissen des Universums auf die Spur zu kommen. Diese Experimente heißen:

Alice-A Large Ion Collider Experiment

Der Detektor Alice hat eine Länge von knapp 26 Metern, ist 16 Meter breit, hat ein Gewicht von 10 000 Tonnen, und befindet sich in St Genis-Pouilly, Frankreich. Die Hauptaufgabe besteht darin, die Materie kurz nach dem Urknall zu erzeugen. Zu diesem Zeitpunkt war das Universum sehr dicht und heiß, ein sogenanntes Quark-Gluon-Plasma. Diese Situation möchte man nachstellen. Durch die Kollision von Bleikernen möchte man dieses Plasma kurzzeitig erzeugen. Dabei entstehen Temperaturen 100 000 mal heißer als im Inneren der Sonne!

LHCb-Large Hadron Collider beauty

LHCb ist 21 Meter lang, 10 Meter hoch, 13 Meter breit, und hat ein Gewicht von 5 600 Tonnen. Der Detektor befindet sich in Ferney-Voltaire, Frankreich. Er geht dem Geheimnis auf die Spur, warum das Universum hauptsächlich aus Materie entsteht. Wo ist also die Antimaterie hin? Beim Urknall müsste eigentlich genau soviel Materie wie Antimaterie entstanden sein, die sich dann gegenseitig auslöschen hätte müssen. Um eine Antwort auf diese Frage zu erhalten untersucht LHCb die beauty- oder b-quarks (Name).

ATLAS-A Toroidal LHC ApparatuS

Atlas ist mit seinen 46 Metern Länge, 25 Metern Breite, und 25 Metern Höhe der größte Teilchendetektor der jemals gebaut wurde. Er ist halb so groß wie die Notre-Dame de Pari, und wiegt “nur“ 7 000 Tonnen. Atlas macht sich auf die Suche nach dem Higgs-Boson, Teilchen, aus denen Dunkle Materie besteht und neuen Dimensionen. Trotz der Unterschiede zu CMS, wie etwa dem anders geformten Magnetfeld, gehen die beiden teilweise den selben Fragen nach, und können so ihre Ergebnisse gegenseitig überprüfen.

CMS-Compact Muon Solenoid

Nach diesem sehr interessanten Überblick über die Physik am LHC und die Funktionsweise des Beschleunigers im Allgemeinen, zeigt uns Herr DI Dr. Hoch den ersten der beiden Kontrollräume des wohl wichtigsten Experiments für Österreich. Der Kontrollraum des CMS in Meyrin. An diesem Detektor ist das Institut für Hochenergiephysik (Hephy) in Wien beteilig und trägt einen entscheidenden Beitrag zu den verschiedenen Detektorschichten bei.

Wenn man mit der Karte des LHCs vergleicht (das Hauptgelände in Meyrin ist das untere mit den Vorbeschleunigern), dann erkennt man, dass der Detektor am weitesten vom Hauptgelände entfernt ist. Genau am anderen Ende des Beschleunigers. Deshalb hat er zwei Kontrollräume. Einer befindet sich auf dem Gelände in Meyrin. Dieser Kontrollraum befindet sich in unmittelbarer Nähe zum Linac 2. Er ist in direkter Verbindung mit dem zweiten Kontrollraum, und vielen anderen Einrichtungen. Natürlich ist diese Steuerzentrale ausgestattet mit der neuesten Technologie. Auf den Bildschirmen sah man einen Querschnitt durch den Detektor, alle paar Sekunden flitzte ein Teilchen durch und wurde von den einzelnen Bestandteilen erkannt. Ein Testdurchlauf mit kosmischen Myonen, was sehr praktisch ist, denn so kann man vor einer Kollision des LHCs herausfinden ob alles so funktioniert, wie es soll, und muss dann nicht ewig warten, bis man eine Reparatur vornehmen kann, denn wenn der LHC erst einmal in Betrieb ist, kann kein Experiment sagen, dass man den Teilchenstrom umleiten möge, das ist unmöglich. Deshalb muss alles getestet werden, damit man während eines Durchlaufes keine bösen Überraschungen erlebt.

Der zweite Kontrollraum befindet sich ca. 20 Autominuten von Meyrin entfernt am Point 5 in Cessy, Frankreich 100 Meter direkt über dem Detektor. Gemeinsam mit Herrn DI Dr. Hoch fahren wir dort hin, wo er uns an seinen Kollegen Herrn Doz. MMag. Dr. Manfred Jeitler übergibt. Dieser Kontrollraum hier ist mindestens genauso interessant wie der in Meyrin, denn hier ist mehr los. Es gibt mehr Computer, mehr Elektronik und natürlich einen Stahlkoloss in der Nähe, und genau zu diesem Stahlkoloss fahren wir in einem Lift hinunter. 100 Meter! Doch leider ist die Halle in der der Detektor steht nicht mehr zugänglich. Der riesige Solenoid-Magnet ist eingeschaltet, und auch den Tunnel, in dem die Teilchenpakete herum rasen ist nicht mehr offen. Die Magnete werden bereits mit flüssigem Helium gekühlt, und der Zugang ist nur speziell Berechtigten gestattet. Dafür bekommen wir einen Raum voller Computer zu Gesicht. Er ist durch eine dicke Wand vom Detektor getrennt, damit das Magnetfeld die Leistung nicht beeinträchtigt. Es gibt auch einen guten Grund warum die Computer hier 100 Meter unter der Erde stehen, denn man möchte die Kabeln möglichst kurz halten. Kabeln bedeuten einen möglichen Fehler in den gesendeten Daten, darum werden die ausgewerteten Informationen mit Licht und Glasfaserkabeln nach Meyrin geschickt.

CMS-Der Aufbau

Der Detektor ist etwa 21 Meter lang und hat einen Durchmesser von ca. 15 Metern. Er wiegt 12 500 Tonnen. Der Name beschreibt die drei wichtigsten Eigenschaften des Experiments.

  1. Compact -> der Detektor wiegt etwas mehr als der Eiffelturm, hat aber verhältnismäßig kleine Ausmaße.
  2. Muon -> das Myon ist ein Elementarteilchen, vergleichbar mit einem Elektron, aber 200 mal schwerer. Muon weist darauf hin, dass die Myonenkammern einen wichtigen Beitrag zum Trigger liefern.
  3. Solenoid -> weist auf den stärksten und größten supraleitenden Solenoid-Magneten der Welt hin.

Das Bild rechts zeigt einen Ausschnitt des CMS.

Die Kreise bzw. die Kreisausschnitte auf der linken Seite der Abbildung zeigen die Silizium-Tracker, die Spurdetektoren. Es gibt zwei Arten von Spurdetektoren: Pixel- und Streifendetektoren. Ihre Aufgabe ist es, herauszufinden, wohin die entstandenen Teilchen geflogen sind, doch das ist nicht alles. Durch die Krümmung ihrer Bahn kann man Rückschlüsse ziehen, welche Ladung und welchen Impuls (Impuls = Masse mal Geschwindigkeit) das Teilchen hatte. Die Spurdetektoren, besonders die Streifendetektoren, gehören zu den Aufgaben des Hephy in Wien.

Die genaue Funktionsweise eines Streifendetektors ist wie folgt: Der Tracker besteht aus einer Silizium Platte, in die feine Streifen hinein geätzt wurden. Diese Streifen funktionieren wie eine Diode. Wenn ein Teilchen durch so einen Streifen hindurch fliegt, gibt es auf einmal einen Ladungsträger, und es fließt Strom. Dieses Signal wird von einem Computer erfasst, und gespeichert. So kann man feststellen, wo sich das Teilchen befand, und welche Flugbahn es hatte. Der grüne, und der gelbe Kreisausschnitt zeigen die Kalorimeter. Diese Bauteile sollen die Energie der durchfliegenden Teilchen bestimmen, indem sie sie abbremsen. Mithilfe der Energie (Energie = Masse mal Geschwindigkeit zum Quadrat durch 2) und dem Impuls, kann man Masse und Geschwindigkeit des Teilchens berechnen. Jedoch werden nicht alle Teilchen abgebremst. Das Myon ist so reaktionsschwach, dass es beinahe nie in Wechselwirkungen mit den Kalorimetern tritt, deshalb fliegt es ungebremst weiter.

Die nächste “Schale“ bildet der supraleitende Solenoid-Magnet. Sein Magnetfeld ist dafür verantwortlich, dass die Bahn der Teilchen gekrümmt wird, je nach Ladung. Wenn man sich die Bahn eines Myons ansieht, erkennt man, dass sich die Bahn des Teilchen nach passieren des Magneten in die andere Richtung krümmt. Das liegt daran, dass das Magnetfeld auf der Außenseite in die andere Richtung geht als auf der Innenseite.

Die nächste Schicht besteht aus zwei Komponenten. Dem eisernen Rückführjoch (rot), und den Myonenkammern (hellrot bzw. blau). Das Rückführjoch ist für die Formung des Magnetfeldes zuständig. Die Myonenkammern sind ein wichtiger Bestandteil des Triggers, und ebenfalls ein Aufgabengebiet des Hephy.

Der Trigger ist ein wichtiger Bestandteil der Elektronik, die die Kollisionen auswertet, vielleicht der wichtigste Bestandteil des ganzen Experiments. Der Trigger ist ein Computerprogramm, das mithilfe von komplizierten mathematischen Verfahren bestimmt, welche Kollisionen die sich im CMS ereignen, gespeichert bzw. verschickt werden, und welche nicht aufgezeichnet werden, und somit für immer verloren gehen. Denn nicht alle Kollisionen die sich ereignen sind auch wirklich interessant und auch wenn sie es wären, wäre es unmöglich alle Kollisionen abzuspeichern, oder zu verschicken. So reduziert dieses Programm die 600 Millionen Kollisionen pro Sekunde auf wenige Hunderte. Die Informationen liefern verschiedene Daten beispielsweise aus den Myonenkammern.

Dies und Das…

Für alle die noch ein paar interessante Dinge über den LHC erfahren möchten:

Der Large Hadron Collider besteht aus insgesamt 9 300 supraleitenden Magnete, die alle mit flüssigem Helium gekühlt werden. Für diese Menge beanspruchte der LHC mehrere Jahre lang das gesamte Helium, das weltweit produziert wurde.

Eigentlich sollte der Teilchenbeschleuniger schon vor einem Jahr, 2008, in Betrieb genommen werden. Er funktionierte auch, aber nicht sehr lange. Grund für die Verzögerung war eine Art Explosion. Durch die gewaltige Stromstärke, die die supraleitenden Magnete betreibt, reichte ein winziger Widerstand an einer Schweißnaht von ca. 12 Milli-Ohm um eine Katastrophe auszulösen. Durch die gewaltige Hitzeentwicklung schmolz im Umkreis alles weg. Durch diese Hitze und den Druckverlust begann das Gas zu kochen, dehnte sich aus und beschädigte die umliegenden Magnete sehr schwer.

Danke

An dieser Stelle möchte ich nun meinen Dank aussprechen. Er gebührt einigen Menschen, die es mir letztendlich ermöglicht haben diesen großartigen Tag am Cern zu verbringen.

Ich danke meinem Deutschprofessor, der sich dafür eingesetzt hat, dass mir dieser Besuch ermöglicht wurde, und alle möglichen Hebel in Bewegung gesetzt hat.

Dann danke ich dem Direktor meiner Schule, durch dessen Kontakte ich dem Institut für Hochenergiephysik vermittelt wurde.

Besonderen Dank gebührt Herrn DI Dr. Laurenz Widhalm und Herrn DI Marko Dragicevic, vom Hephy in Wien, die mich dort auf meinen Besuch am LHC vorbereitet haben.

Ich danke Herrn DI Wolfgang Adam dafür, dass er sich dafür gekümmert hat, dass wir hinter die Kulissen des LHCs schauen durften, und selber leider nicht bei der Führung dabei sein konnte.

Und schließlich herzlichen Dank an Herrn DI Dr. Michael Hoch und Herrn Doz. MMag. Dr. Manfred Jeitler, die ihre kostbare Zeit geopfert haben einen interessierten jungen Schüler seine Fragen zu beantworten.

(Maximilian Ruep, 14)


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