Die Forschungsschwerpunkte der Teilchenphysik beschäftigen
sich mit der Erforschung der
grundlegenden physikalischen Gesetze, die über die elementaren
Bausteine der Materie und der Struktur von Raum und Zeit herrschen. Die
Inbetriebnahme des LHC, dem Large Hadron Collider, eines der grössten
und globalen wissenschaftlichen Projekte aller Zeiten, markiert einen
Wendepunkt in der Teilchenphysik. Proton-Proton und
Bleiionen Zusammenstösse mit einer noch nie dagewesenen Energie,
könnten in den kommenden Jahren ganz neue Einblicke eröffnen und
möglicherweise einige der fundamentalen Fragen der modernen Physik
beantworten, wie z.B. den Ursprung der Materie, die einheitliche
Behandlung der fundamentalen Kräfte, neue Formen der Materie und
zusätzliche Dimensionen von Raum und Zeit.
Zu Beginn des 20.
Jahrhunderts waren die Wissenschaftler der Meinung, die meisten
fundamentalen Prinzipien der Natur verstanden zu haben. Jedoch
beginnend mit Einsteins Relativitätstheorie, welche die Newtonsche
Mechanik ersetzte, wurde den Wissenschaftlern klar, dass ihr
Wissen weit von jeglicher Vollständigkeit entfernt war. Das spezielle
Interesse galt dem wachsenden Bereich der Quantenmechanik, die die
Grundlagen der Physik vollständig veränderte. Mit Beginn der ersten
Kollisionsexperimente fand man heraus, dass Atome bei weitem nicht als
elementare Bausteine der Natur verstanden werden konnten, sondern dass
sie aus noch kleineren Bestandteilen bestehen. Ein ganzer Teilchen-Zoo wurde durch die Kollisionsphysik entdeckt. Die Gesetzmässigkeiten dieser Teilchen blieb den Physikern aber lange Zeit ein Rätsel.
Mit der Quark-Theorie von M. Gell-Mann und
G. Zweig konnten nicht nur die Gesetzmässigkeiten in diesem
Teilchen-Zoo beschrieben werden, sondern auch sehr viele bis dato
unbekannte Teilchen vorhergesagt werden, welche in späteren
Beschleunigerexperimenten nachgewiesen werden konnten. Seit nunmehr über 30
Jahren ist dadurch schrittweise eine Theorie entstanden, die auf den
Gesetzen der speziellen Relativitätstheorie und der Quantentheorie
basiert, und heute als das "Standardmodell der Teilchen und
Wechselwirkungen" bezeichnet wird.
Doch obwohl das Standardmodell (SM)
nahezu alle bisherigen teilchenphysikalischen Beobachtungen
erklären kann, reicht es nicht aus, um unsere Welt vollständig zu
beschreiben. So ist es weder in der Lage die gravitative Wechselwirkung zu
beschreiben, noch die drei anderen Grundkräfte (starke Wechselwirkung, schwache Wechselwirkung, elektromagnetische Kraft) in einer
einzigen Theorie zu vereinen. Ausserdem folgen bestimmte freie
Parameter nicht aus der Theorie selbst, sondern müssen experimentell
bestimmt werden. Ein weiteres Problem des Standardmodells ist, dass die Teilchen, welche die Theorie bisher vorhergesagt hat, eigentlich keine Masse
haben dürften. Dies deckt sich aber in keinster Weise mit der Beobachtung. Alleine die Masse des Top-Quarks, entspricht fast derjenigen eines Goldatoms. Dieses schwerwiegende Problem könnte durch den
Higgs-Mechanismus gelöst werden, aus dem ein weiteres hypothetisches
Teilchen hervorgeht - das Higgs-Boson. Dessen genaue Masse geht
allerdings nicht aus der Theorie hervor, sondern entspricht ebenfalls
einem freien Parameter, welcher experimentell gemessen werden muss.
Heute existieren viele alternative Modelle, die auf dem mathematischen
Fundament des Standardmodells basieren, es aber derart erweitern, dass
dadurch eine Vereinigung der 3 Grundkräfte möglich wird (Grand
Unification Theory). Andere Modelle unterscheiden sich, durch die Annahme zusätzlicher Dimensionen, fundamental von
der Mathematik des Standardmodells, so z.B. die Stringtheorie. Doch
welches Modell beschreibt die Natur am besten?
Um diese Frage zu
beantworten, müssen aus einer Theorie Vorhersagen hervorgehen, welche
experimentell gemessen werden können. Das Problem - viele Theorien der
heutigen Teilchenphysik liefern Vorhersagen, die ausserhalb des
Energiebereichs bisheriger Teilchenbeschleuniger liegen. Mit dem LHC
wurde ein Beschleuniger entwickelt, mit dem die Physiker Zugang zu
diesem unbekannten Energiebereich erhalten und dadurch viele Theorien
bestätigt oder widerlegt werden könnten.
Was immer mit dem LHC
entdeckt werden wird, die Teilchenphysik hält noch Überraschungen und
neue Fragen bereit. Diese Erkenntnisse werden auch in das noch junge Gebiet der
Astroteilchenphysik miteinfliessen. Die
mikroskopische Welt der Moleküle, Atome und Quarks trifft auf die
makroskopische Welt der Planeten, Sterne und Galaxien. Der Kreis ist
dabei sich zu schliessen.
Das Unverständlichste am Universum ist im
Grunde, daß wir es verstehen können.
Albert Einstein
Das LHC-Projekt
Der Large Hadron Collider (zu Deutsch; Grosser Hadronen
Speicherring) ist ein knapp 27 Kilometer langer
Teilchenbeschleuniger des europäischen Kernforschungszentrum
CERN bei Genf, in der Schweiz. Der LHC beschleunigt Hadronen (wie
z.B. Protonen) auf beinahe Lichtgeschwindigkeit und bringt diese an
vier Stellen zum Zusammenstoß. An diesen vier Kollisionspunkten
befinden sich Detektoren (ATLAS, CMS, LHCb, ALICE, TOTEM, LHCf) um die Wechselwirkungen der
entstehenden Teilchenschauer zu untersuchen.
Der LHC Speicherring wurde in dem ca. 27 Kilometer langen Tunnel
errichtet, in welchem sich bis zum Jahr 2000 der Beschleuniger LEP
(Large Electron-Positron Collider) befand. Der Tunnel verläuft
unter der schweiz-französischen Grenze, in einer Tiefe von 50
bis 175 Metern, wobei sich der Grossteil der Anlage auf
französischem Staatsgebiet befindet.
Das CERN Gelände bei Genf und die
Lage des LHC Speicherringes (roter Kreis)
Quelle: CERN
Animation LHC
Quelle: CERN
Protonenmodus und Blei-Ionenmodus
Der LHC wurde für zwei Betriebsmoden ausgelegt. Zum
einen können einfach, positiv geladene Protonen und zum
anderen, 82-fach, positiv geladene Bleiionen beschleunigt werden.
Eine Protonenfüllung besteht dabei aus 2808 Protonenpaketen
(115 Milliarden Protonen pro Paket), eine Füllung mit Bleiionen
aus 592 Paketen (70 Millionen Ionen pro Paket). Die Teilchenpakete
werden, je nach Experiment, am Kollisionspunkt auf bis zu 16 µm im
Durchmesser (Durchmesser eines menschlichen Haares: 50 µm) und einer
Länge von 8 cm fokussiert. Dabei kommt es im Schnitt zu 20
Kollisionen, pro Kreuzung zweier Teilchenpakete. Mit einer maximalen
Beschleunigung der Protonen auf 7 Billionen Elektronenvolt und 2.76
Billionen Elektronenvolt der Blei-Ionen, wird der LHC für eine
lange Zeit der leistungsfähigste Teilchenbeschleuniger der Welt
sein.
Luminosität
Eines der Leistungsmerkmale des LHC ist seine hohe
Luminosität von 1034
cm-2 s-1. Die Luminosität ist ein
Mass für die Teilchenstrahldichte in Bezug zur
Kollisionsfrequenz. Die Luminosität steigt mit der Zahl der
Teilchen pro Teilchenpaket (Bunch), der Häufigkeit (Frequenz)
mit der die Teilchenpakete zusammentreffen und dem Kehrwert des
Strahlquerschnittes.
Nach einigen Jahren Laufzeit wird der LHC zum Super-LHC (SLHC)
optimiert werden. Dabei wird die Luminosität des Beschleunigers
erhöht, um die Statistik der Experimente zu verbessern. Die
Erhöhung der Luminosität ist in mehreren Stufen auf das
10-fache des ursprünglichen Wertes (also von 1034 auf 1035 cm-2 s-1) geplant. Da dies zu einer
stärkeren Belastung der Detektoren führen wird, ist der
Einbau neuer Detektorbestandteile, mit gesteigerter
Strahlenresistenz und erhöhter Granularität (Anzahl
Detektorpixel pro Fläche) geplant.
Simulation der Teilchenschauerdichte im
Detektor bei unterschiedlicher Luminosität
Magnetstrukturen
Um die Leistung des LHC's zu erreichen, mussten
unzählige neue Technologien eingesetzt werden. Die wichtigste
Komponente stellt dabei die Beschleunigung und Kontrolle der
Teilchen mittels supraleitenden Magneten dar. Dafür musste das
weltgrösste Kühlsystem errichtet werden, das durch rund 140 Tonnen flüssigem
Helium gespeist wird. Nur durch diese supraleitfähigen
Strukturen konnte das LHC-Projekt in einem finanziell vertretbaren
Rahmen überhaupt erst realisiert werden. Würden
normalleitende Magnete eingesetzt, so müsste der Ring bei
gleicher Leistung einen Umfang von mindestens 120 km haben und
würde ca. 40 mal mehr Strom verbrauchen.
Supraleitender Dipolmagnet
Quelle: CERN
Energieverbrauch
Der Energieverbrauch des gesamten LHC-Projekts liegt bei
ca. 1000 Gigawattstunden, was rund einem zehntel des
Energieverbrauchs des Kanton Genf, mit 450000 Einwohnern,
entspricht. Da die Strompreise, aufgrund des erhöhten Heiz- und
Lichtbedarfs der Bevölkerung, im Winter erheblich höher
ausfallen als im Sommer, wird der LHC Betrieb während dieser
Zeit üblicherweise eingestellt. Dieser jährliche
Wintershutdown dauert jeweils von November bis Mai.
Eine weitere technische Höchstleistung wurde durch das Worldwide
LHC Computing Grid (WLCG) realisiert. Durch die Detektion der
Teilchenschauer wird pro Jahr eine Datenmenge von 15 Petabytes (=15
Millionen Gigabytes) generiert. Durch die Vernetzung von tausenden
Computern wird das WLCG diese anfallenden Datenmengen speichern,
verwalten und miteinander verarbeiten können.
