Detektoren so groß wie Gebäude

6. September 2008, 17:40
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Vier riesige Nachweis­geräte suchen nach den allerkleinsten Partikeln - An zwei Experimenten sind auch österreichische Forscherer beteiligt

Wien/Genf - Wenn am europäischen Kernforschungszentrum CERN der neue Teilchenbeschleuniger Large Hadron Collider in Vollbetrieb läuft und Protonen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aufeinandertreffen lässt, werden pro Sekunde bis zu einer Milliarde Wasserstoff-Kerne kollidieren. Bei diesen energiereichen Zusammenstößen entsteht eine Fülle neuer Teilchen, wenn sich die Energie in Materie umwandelt. Registriert werden diese neuen Teilchen von vier riesigen Detektoren, die entlang des 27 Kilometer langen Beschleunigerrings angeordnet sind. An zweien davon sind auch österreichische Wissenschafter beteiligt.

Compact Muon Solenoid

Es sind gewaltige Geräte, die für den Nachweis der winzigen Teilchen gebaut wurden: CMS (Compact Muon Solenoid) etwa ist 21 Meter lang, hat 16 Meter im Durchmesser und wiegt 12.500 Tonnen. Für das Experiment wurde eine Flugzeughangar-große unterirdische Kaverne ausgehoben. Mehr als 2.000 Personen aus rund 180 wissenschaftlichen Instituten aus 38 Ländern waren und sind an seiner Entwicklung, Bau und Betrieb beteiligt. An diesem Experiment wirken maßgeblich die Wissenschafter des Instituts für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) mit, während am ähnlich imposanten ATLAS-Experiment Forscher des Instituts für Astro- und Teilchenphysik der Universität Innsbruck beteiligt sind.

In verschiedenen, zwiebelartig aufgebauten Schichten des Detektors werden die unterschiedlichen Eigenschaften der neu erzeugten Teilchen gemessen. "Wir wollen wissen, in welche Richtung sie fliegen, welchen Impuls und welche Energie sie haben, und können mit diesen Daten feststellen, um welche Teilchenart es sich handelt", erklärte Manfred Krammer, vom Institut für Hochenergiephysik der ÖAW. Ganz im Inneren des Gerätes ist etwa ein "Spurdetektor", der die Spuren der Teilchen rekonstruiert.

Von Photonen bis Myonen

Die Kollisionen finden in einem starken Magnetfeld statt, so dass die geladenen Partikel unter den neuen Teilchen abgelenkt werden. Aus der Krümmung ihrer Flugbahn lässt sich dann der Impuls des Teilchens berechnen. Weiter außen im Detektor messen "Kalorimeter" die Energie von Teilchen, etwa indem die Energie eines "einschlagenden" Teilchens in Licht umgewandelt wird und aus der Lichtmenge auf die Energie des Partikels zurückgeschlossen werden kann. Da gibt es eine Lage für die Messung der Energie von Photonen und Elektronen, eine andere für Hadronen. Noch weiter außen werden schließlich Myonen (schwere, elektronenartige Teilchen) in "Myonkammern" registriert.

Diese gewaltige Nachweismaschine schafft es dennoch nicht, alle Teilchen nachzuweisen. Neutrinos etwa oder mögliche supersymmetrische Teilchen, die alle nur sehr wenig mit ihrer Umgebung wechselwirken, fliegen einfach nach außen, ohne irgendeine Spur zu hinterlassen. Solche Partikel lassen sich dann nur rechnerisch nachweisen. Auch das vielgesuchte Higgs-Boson "werden wir nie sehen, dazu lebt es viel zu kurz", so Krammer. Wenn es aus einer Kollision entsteht, wird es innerhalb kürzester Zeit - noch bevor es das Strahlrohr verlässt - in bekannte andere Teilchen zerfallen sein. Aus deren Zusammensetzung "können wir aber schlussfolgern, dass ein Higgs-Teilchen entstanden ist", betonte der Physiker.

Je schwerer ein Teilchen sei, desto schneller zerfalle es auch, "deswegen sind nur die leichtesten Teilchen im Universum übergeblieben und bauen unsere Welt auf. Alle schweren sind bereits zerfallen", so Krammer. Diese schweren Partikel gab es nur, als die Energiedichte nach dem Urknall noch extrem hoch war - so hoch, wie sie nun am LHC wieder simuliert wird.

Silizium-Detektoren

Die CMS-Gruppe am ÖAW-Institut für Hochenergiephysik umfasst rund 40 Physiker, Ingenieure, Techniker und Studenten. Sie haben für CMS einen Teil des Trigger-Systems und Komponenten für den sogenannten Inner-Tracker geliefert. Letzteren bilden Silizium-Detektoren, bestehend aus hauchdünnen Siliziumschichten, in die durch Einbringen von Fremdatomen feinste Strukturen erzeugt wurden. In diesem Inner-Tracker wurden 25.000 solcher Module eingebaut und mit nur mikroskopisch sichtbaren Drähte mit der Elektronik verbunden. Jedes entstehende Teilchen muss auf seinem Weg nach außen durch mindestens zehn solcher Schichten fliegen und hinterlässt dabei in jeder Schicht ein winziges elektrisches Signal, mit deren Hilfe sein Weg rekonstruiert werden kann.

Ein wesentlicher Teil des CMS-Experiments ist der in Wien entwickelte und gebaute "Trigger": Von den jede Sekunde stattfindenden eine Milliarde Protonen-Kollisionen "bringt der Großteil nichts Neues", erklärte die für den "Trigger" verantwortliche Claudia Wulz vom Institut für Hochenergiephysik. Der "First Level Trigger" schaut sich all diese Zusammenstöße an und entscheidet in Sekundenbruchteilen, ob ein Ereignis interessant sein könnte.

Diese interessanten Ereignisse werden an einen High-Level-Trigger weitergeleitet, alle anderen gleich wieder gelöscht. Die Wissenschafter rechnen damit, dass von den bis zu einer Milliarde Kollisionen pro Sekunde nur etwa 100.000 Ereignisse so interessant sind, dass sie dann vom High-Level-Trigger genauer analysiert werden. Über bleiben schließlich 100 Ereignisse, die wirklich neue Physik enthalten könnten und gespeichert werden.

Trotz dieser gewaltigen Reduktion der Daten, müssen am LHC enorme Datenmengen gespeichert werden - jährlich werden es rund 15 Petabyte sein, auf CD gebrannt ergäbe dies einen Turm von 20 Kilometern Höhe. Um diese Daten überhaupt analysieren zu können wurde am CERN das "LHC Computing Grid" entwickelt, bei dem die Computer aus 140 Einrichtungen in 33 Ländern zusammenarbeiten. (APA/red)

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    Der Kern des CMS (Compact Muon Solenoid) hat einen Durchmesser von 16 Meter und eine Länge von 21 Meter. Das Gerät wiegt insgesamt 12.500 Tonnen.

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