Das ATLAS [1] Experiment ist eines von vier Grossexperimenten welche am europäischen Kernforschungsinstitut (CERN) in Genf derzeit vorbereitet werden. Ein Hauptziel ist es die Existenz des sogenannten Higgs Teilchens experimentel nachzuweisen. Dieses Teilchen wurde von dem theoretischen Physiker Peter Higgs in den 60er Jahren vorhergesagt und wird für die Masse aller Teilchen verantwortlich gemacht. Kernstück des ATLAS Experiments ist der Detektor. In ihm werden jene Teilchen gemessen die durch Proton-Proton Kollisionen innerhalb des Teilchenbeschleunigers, dem Large Hadron Collider (LHC), erzeugt werden.
Der LHC und der ATLAS Detektor befinden sich zur Zeit noch im Bau und sollen ab 2007 voll in Betrieb gehen. Der ATLAS Detektor wird dann der größte der vier LHC Detektoren sein (es gibt noch CMS, Alice und LHCb). Voll aufgebaut ist er 46 Meter lang, beträgt 22m im Durchmesser und weigt ca. 7000 Tonnen. Zur Veranschaulichung seiner Größe sieht man in der unteren Abbildung zwei Menschen neben dem Detektor stehen - genau hinsehen!.
Abb. 1: Schematische Darstellung des ATLAS Detektors.
An der Planung und am Bau des Detektors arbeiten in der ATLAS Kollaboration über 1000 Wissenschaftler und Ingenieure aus aller Welt zusammen. In Österreich ist das Institut für Astro- und Teilchenphysik der Universität Innsbruck am ATLAS Experiment beteiligt.
Das Zuhause des Detektors befindet sich ca. 100m unter der Erdoberfläche in einer riesigen Halle angeschlossen an den 27km langen LHC Ring. Die Halle wurde eigens für den ATLAS Detektor ausgehoben. Die Einzelteile des Detektors werden in vielen verschiedenen Ländern angefertigt, getestet und dann an das CERN geliefert. Mittels Krähnen werden sie in die Halle 100m in die Tiefe gelassen und dort fix installiert. Viel Spielraum zum maneuvrieren der Teile gibt es nicht da der Detektor in voll aufgebautem Zustand die gesamte Halle einnimmt. Somit benötigt schon alleine das Zusammenbauen des Detektors einen riesigen logistischen Aufwand, damit am Ende alles richtig an seinem Platz steht.
Abb. 2: Links: Schematische Darstellung des LHC Ringes und die Positionen der 4 Detektoren. Rechts: Die unteridische Halle in der der ATLAS Detektor aufgebaut wird.
Der Aufbau des ATLAS Detektors besteht von Innen nach Außen betrachtet aus dem Inneren Detektor, dem elektrischen und dem hadronischen Kalorimeter und dem Myonspektrometer.
Innerer Detektor
 | Der Innere Detektor ist etwa 7 Meter lang und 1m im Durchmesser. Er besteht aus drei Subdetektorsystemen und misst die Spuren der geladenen Teilchen die bei der Kollision der Protonen entstehen. Im Inneren Detektor befindet sich ein Magnetfeld von ca. 2 Tesla welches entlang der Strahlachse ausgerichtet ist. Durch dieses Magnetfeld krümmt sich die Bahn des Teilchens wodurch sich der (transversale) Impuls des Teilchens bestimmen läßt. Der Innere Detektor ist auch sehr wichtig zur Aufspürung des Ortes der ursprünglichen Protonenkollision (im Fachjargon "Primärvertexrekonstruktion" genannt). |
Kalorimeter
| Nachdem der Innere Detektor Spur und Impuls der geladenen Teilchen gemessen hat muss nun noch die Energie der Teilchen bestimmt werden. Dies geschieht in sogennanten Kalorimetern. Da sich die geladenen Teilchen in ihrer Masse (und damit in ihrer Interaktion mit dem Detektor) stark unterscheiden werden im ATLAS Detektor zwei Kalorimeter verwendet. Das erste ist das elektromagnetische Kalorimeter welches die Energie von Elektronen und Photonen (Lichtteilchen) misst. Das zweite ist das sogenannte Hadronkalorimeter. Es misst die Energie von Hadronen die bei der Kollision entstehen (Hadronen sind alle Teilchen die sich aus Quarks zusammensetzen). |  |
Myon Spektrometer
 | Als letzte Schale umgibt den Atlas Detektor noch ein riesiges Myon Spektrometer welches die "alles durchdringenden" Myonen misst. Eine Besonderheit des Myonspektrometers ist allein seine beeindruckende Größe (alles was blau und orange in Abbildung 1 ist gehört zum Myonspektrometer!). Weiters verfügt es über ein separates Magnetfeld zur Ablenkung der geladenen Myonen. Dieses Magnetfeld ist nicht wie im Inneren Detektor parallel zum Protonenstrahl, sondern in konzentrischen Kreisen (toroidal) um die Strahlröhre des Beschleunigers ausgerichtet. Dadurch wird eine äußerst präzise Messung des Impulses der Myonen möglich. Zur Erzeugung dieses Magnetfeldes benötigt man riesige Spulen, die innerhalb des Detektors symmetrisch um die Strahlröhre angeordnet sind. |
Um den Detektor, während er in Betrieb ist, möglich "rauschfrei" von selbst erzeugter Untergrundstrahlung zu halten, muß er auf wenige Grad Kelvin[2] heruntergekühlt werden. Für das Magnetsystem ist dies auch nötig um den enormen Strom (21000 Ampere!!) ohne elektrischen Widerstand durch die Spule, die das Feld erzeugen, schicken zu können. Der LHC und die Detektoren werden ab 2007 somit zum kältesten Punkt im Universum!
 | Aber bis dahin gibt es noch viel zu tun! Parallel zur Konstruktion des echten Detektors wird dieser von dutzenden Physikern und Programmierern im Computer "nachgestellt". Dies ermöglicht den Wissenschaftlern schon vor den ersten Kollisionen Algorithmen und Programme zu entwerfen welche 2007 die echten Detektordaten auswerten und analysieren sollen. Die detailgetreue Simulation des Detektors und die spätere Analyse der Daten verschlingt sehr viel Rechenleistung[3]. Um dies bewältigen zu können wird weltweit an einem riesigen Verbund von tausenden Computern gearbeitet (dem sogenannten GRID) welche den Physikern genügend Leistung für ihre Berechnungen zur Verfügung stellt. |  |
Mit ATLAS und den anderen drei Grossexperimenten am Large Hadron Collider steht uns Physikern und der ganzen Welt eine spannende Zeit bevor. Als teilchen.at Leser stehen Sie mit uns natürlich an vorderster Front!
Weiterführende Links
- Für Interessierte: Die Konstruktion des ATLAS Detektors lässt sich "Life und in Farbe" im Internet beobachten. Dafür wurden in den oberen Ecken der unterirdischen Halle zwei Webcams installiert die regelmässig upgedated werden.
- Für ganz Interessierte: Sehr viele Bilder, Beschreibungen zum Experiment und zum Detektor so wie weiterführende Informationen findet man auf der öffentlichen Homepage des ATLAS Experiments (leider nur in englisch).
- Und noch für die, die das Alles ganz nah erleben wollen: Es ist möglich verschiedene Anlagen des Europäischen Kernforschungsinstitutes (darunter auch den ATLAS Detektor) vor Ort zu besichtigen. Führungen werden das ganze Jahr über kostenlos angeboten. Nähere Informationen, wieder auf englisch, gibt es hier.
[1] Das Akronym ATLAS steht für: A Toroidal Lhc ApparatuS. Das toroidal beschreibt die Form des speziellen Magnetfeldes welches im Myonspektormeter verwendet wird. Mein Tip: Das Akronym ATLAS war zuerst da - und dann gab man ihm eine Bedeutung :-)
[2] Der theoretische Nullpunkt liegt bei 0 Grad Kelvin was ungefähr -273 Grad Celsius entspricht.
[3] Die Simulation der Teilchen die nach einer einzigen Proton-Proton Kollision durch den ATLAS Detektor fliegen benötigt mehrere Minuten (auf einem standard 2 GHZ Pentium IV Prozessor).
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