Es ist nun knapp zwei Wochen her, seit der LHC offiziell angeschaltet und wieder abgeschaltet wurde. Die Welt steht noch, das physikBlog sowieso und neue Katzenbabies werden geboren. Zeit, noch einmal zurückzublicken. In die Zeiten damals, als es noch keinen LHC gab. Die PräTeV-Ära¹ sozusagen.

Natürlich war das kein Druck auf den roten Knopf, der den LHC startete. Wenn überhaupt ein virtueller roter Knopf, aber eigentlich gibt es keinen konkreten Start. Der LHC schubste auch schon zwei Wochen vorher Teilchen umher – nur eben nicht ganz rum. Und neue Erkenntnisse wird man auch nicht sofort gewinnen, noch gibt es keine Kollisionen (die ersten werden Ende des Jahres irgendwann nächstes Jahr erwartet) und allgemein läuft erstmal alles im Schongang. Bis es soweit ist, dass man in unbekannte Bereiche vordringt, wird noch viel Milch und Honig im Land-wo-Milch-und-Honig-fließen geflossen sein.

Gefüllter Hörsaal zum Start des LHC.
via US/LHC-Blog

Dennoch war es ein bombastisches Ereignis, da in der Nähe von Genf. Einem ganzen Haufen kluger Köpfe fiel die monatelange Last, alles fertig zu bringen, an diesem Tag von den Schultern. Und alle, die nichts auf den Schultern hatten, aber trotzdem mit feiern wollten, konnten sich in diverse Hörsälen real gemeinschaftlich oder daheim beim Webcast virtuell gemeinschaftlich mit freuen.

Dummerweise ist der große Teilchenspaß schon kurz danach wieder vorbei gewesen. Es gab ein Problem in der Elektrik, ein Kabel zwischen zwei Magneten ist aufgrund der hohen Ströme durchgeschmort. Zunächst dachte man noch, man würde das Problem binnen einer Woche in den Griff bekommen. Ein erneuter Versuch am Freitag letzter Woche zeigte aber, dass mehr Arbeit investiert werden müsste. Also bleibt der LHC jetzt erstmal für zwei Monate abgeschaltet.

Zwei Monate? Wegen eines durchgeschmorten Kabels? Naja, es scheint ziemlich viel des Kühlmittels Helium entwichen zu sein, so dass ein Abschnitt jetzt erstmal für Reparaturarbeiten erwärmt werden muss. Und danach muss wieder abgekühlt werden. Dass der ganze Nicht-Spaß so lange dauert kann man sich leicht vorstellen, wenn man daran denkt, wie man mal schnell das Bier kalt stellen will. Nur dass man jetzt nicht auf angenehme Trinktemperatur will, sondern auf 1,9 K², das braucht eben seine Zeit.

Wir werden euch jedenfalls auf dem Laufenden halten, was da im CERN so vor sich geht.

Und wer nach unserer CERN’ed-Reihe wahlweise immer noch nicht weiß, wie der LHC funktioniert oder nicht genug LHC-Stuff bekommt, der kann sich nach dem Klick noch ein wirklich gutes Erklärungsvideo anschauen.

DirektTeilchenkollision – via Nerdcore

1. Zusammengesetzt aus TeV, der Energiebereich, in dem der LHC hinterher arbeiten wird. Und ja, ich weiß, es gab auch schon vorher einen Beschleuniger, der Protonen mit einer Energie von 1 TeV kollidieren lässt.
2. also -271,3 °C

André und ich möchten uns an dieser Stelle auch bei unseren neuen Autoren Basti, hape und Chris bedanken, die wir zum ersten Mal richtig eingespannt haben. Jungs: Danke.

Eigentlich wollten wir ja morgen einen Livestream mit Schampusöffnen zum LHC-Start machen. Aber dieses Studium, ne? Wir müssen experimentieren.

So müsst ihr leider mit dem offiziellen Webcast des CERNs vorliebe nehmen. Ab 9:00 Uhr geht’s los. Oder ihr findet euch bei einer der Startup-Activities ein.
Und wenn alles klappt, dann lesen wir uns schon bald wieder. Vielleicht allerdings in einem anderen Universum.

Unter dem Tag “CERN’ed” veröffentlichte Beiträge nach dem Teilchenkick…

• 1. CERN’ed: Das CERN der letzten 55 Jahre — von Andi am 30. August 2008
• 2. CERN’ed: Der Weg zum LHC — von Basti am 31. August 2008
• 3. CERN’ed: Franz, wohin mit all den Daten? — Web und Grid — von Andi am 1. September 2008
• 4. CERN’ed: LHC – Von der Flasche zum Karussell — von André am 2. September 2008
• 5. CERN’ed: Alle Teilchen Lieben ATLAS’ Suchmethode — von Basti am 3. September 2008
• 6. CERN’ed: Crashes Machen Spaß — von André am 4. September 2008
• 7. CERN’ed: ALICE im Wunderland — von hape am 5. September 2008
• 8. CERN’ed: Schöne Antisymmetrien @ LHCb — von André am 6. September 2008
• 9. CERN’ed: Higgs, der Mann, der Mythos. — von hape am 7. September 2008
• 10. CERN’ed: Liebe SUSY… — von Christoph am 8. September 2008
• 11. CERN’ed: Von Schwarzen Löchern, seltsamen Dingen und Menschen — von Andi am 9. September 2008

Kann leben, dank CERN. (flickr-Bild.)

Geräte und Institutionen, deren Fetzigkeit nur durch ihre Unverstehbarkeit übertroffen wird, bergen viel Potenzial für fiktionale Ausschmückung. Das CERN ist da ganz vorne dabei – direkt hinter der NASA in der 70er-Jahre-Version. Der ein oder andere Leser hat sicherlich schon einmal von einem Nischenbuchautor namens “Dan Brown” gehört. Dieser aufstrebende Autor schrieb einst ein Buch namens Illuminati. Darin ging’s um ganz viel Hokuspokus. Ausgangssituation des Buchs war ein toter Wissenschaflter im CERN, der gerade mit Antimaterie den Urknall (sic!) erforscht hat. Außerdem probierte er, und das ist auch eines der Leitmotive dieser Novelle, Wissenschaft und Religion in Einklang zu bringen. Wissenschaft und Religion? Wie bezeichnend.
Ein (wirklich) etwas unbekannteres Buch mit vielsagendem Titel “42″ von Thomas Lehr beschreibt den Moment, in dem durch das CERN die Zeit angehalten wird. Weltweit.
Douglas Prestons “Credo” spielt zwar nicht am CERN, sondern an einem fiktionalen Teilchenbeschleuniger in Amerika. Dort findet man mitten im Punkt der Strahlkollision Gott. Ja, Gott. Der Gott von Religion und so.

Auch Ziegen können morgen noch kräftig meckern. Dank CERN. (Bild von flickr.)

Aber, hey, Science-Fiction. Da darf man das. Da kann einem das entweder gefallen, oder auch nicht.

Doch tatsächlich gibt es Menschen, die leben ihre Fiktionswahrnehmung in unserer² Realität aus.
Selbsternannte CERN “Kritiker” haben Angst vor dieser großen, großen Maschine. Und dem Kleinen, Kleinen, was da passieren kann. Gut, kann man haben – nicht jeder muss von Teilchenkollisionen so euphorisiert sein wie wir. Aber da komme ich später zu.

Denn was nur leider so gut wie sämtliche “Kritiker”³ sich selbst ins (ir)relevante Abseits spielen lässt, das ist ihre Argumentation. Und ihre Argumentationsstruktur.
Ihr kennt das doch: Form und Inhalt korrelieren, hängen zusammen.
Da ist zum Beispiel der momentan⁴ auf der Startseite von Anlaufstelle lhc-concern.info⁵ (etwas weiter unten) prangende Text. Im ersten Moment wird man davon verwirrt, dass das Fett-zu-normal-Verhältnis ungefähr bei 1:1 liegt. Aber daran kann man sich ja gewöhnen. Es geht mir um die Sprache. Tiefe Temperaturen werden als etwas dargestellt, was schlimm ist. Was unnatürlich ist. Ebenso mit Stahlplatten, die von Teilchen durchschlagen werden.
Ich könnte so weiter machen, und wie in einer Deutschstunde in der Schule, Stück für Stück den Text zerpflücken.

Süßer Hund. Dank CERN. (flickr-Bild.)

Es wird eine Atomsphäre im Text aufgebaut, die abseits aller technischen und physikalischen, potenziellen Gefahren das Niveau auf die emotionale Ebene hebt. Eine Grundstimmung im Leser wird erzeugt. Fast schon, und jetzt möchte ich endlich den Bogen kriegen, wie eine Religion⁶. Statt rationale Argumente für sich sprechen zu lassen, wird die Form zum Inhalt⁷.

Das kann man entweder schlimm finden, oder man akzeptiert es einfach und kann ab dann köstlich darüber lachen.

Jetzt aber zu den wirklichen Argumenten der Kritiker.
Denen war ihre Sache schließlich so wichtig, dass sie Klagen an Gerichtshöfen eingereicht haben. Gut, die sind gescheitert. Aber auch nur, weil Kennedy von der Mondlandung ermordet wurde: Die Länder der Gerichtshöfe haben nämlich alle das CERN mitfinanziert – und wollen natürlich, dass das Ding an den Start geht. Und dass es die Welt zerstört. Ach, Moment. Nee, das natürlich nicht.

Die Kritiker befürchten, durch den LHC werden eine ganze Menge böse Sachen entstehen.

Erster in einer Reihe LHC-Comics von PHD Comics.

Mikro Schwarze Löcher. Oder Mini Schwarze Löcher. Je nach Skala. Das sind Raumzeitsingularitäten, die bei Teilchenkollisionen entstehen sollen. Und Singularitäten, das ist auch schon alles, was sie mit den Schwarzen Löchern gemeinsam hätten. Denn sie wären winzig klein und nur für den Bruchteil einer Sekunde existent. Konjunktiv? Ja! Denn die Enstehung Mikro Schwarzer Löcher ist keineswegs sicher. Erst unter Annahmen außerhalb des Standardmodells besteht überhaupt die Möglichkeit, dass sie entstehen. Das sind übrigens ähnliche Annahmen, die auch die Hawking-Strahlung voraussagen – jene Strahlung, die die Schwarzen Löcher sofort wieder verschwinden lassen würde.
Noch mehr Argumente dagegen? In der Erdatmosphäre, ach was, im ganzen Universum treffen ein paar mehr Teilchen aufeinander, als es im LHC tun. Mit größeren Energien, als im LHC. Häufiger, als im LHC. Mikro Schwarze Löcher? Klar, gestern noch gesehen, als ich meine Katze aus der Mirkowelle geholt habe. (Oder anders: Gäbe es solche Mikro Schwarze Löcher im Universum, hätten sie es längst verschlungen, es gäbe kein Universum mehr, ich könnte diese Zeilen nicht mehr tippen. FAIL.)

Strangelets. Könnten entstehen und alle Materie auffressen. Wie das Krümelmonster. Aber seit 2002 gibt es bereits ein Experiment (der Relativistic Heavy Ion Collider), das viel bessere Bedinungen für das Entstehen von Strangelets bereit hält – beim LHC wären sie ja schließlich bloß Nebenprodukt. Aber Moment, die Erde gibt’s noch. Seltsam, ne?

Es gibt noch mehr Bedrohnungen. Böse kosmische Strahlung, Vakuumsblasen, magnetische Monopole. Aber dazu haben sich schon viele, viele andere Leute viel neutraler geäußert, als ich es könnte.
Das CERN hat diverse Sicherheitskomissionen einberufen, Berichte veröffentlicht, Webseiten online gestellt. Selbst der Bundestag kommt zum Urteil⁸:

Insgesamt ist die Gefährdung, die vom LHC ausgeht, daher zumindest als sehr gering einzuschätzen.

Nur ob durch das LHC eine Riesenperserkatze entstehen wird und die ganze Welt auffressen wird, das kann ich nicht 100%ig ausschließen. Aber in ein paar Stunden wissen wir mehr.
Katzenallergie, anyone?

1. Wer keine Lust auf meine pseudophilosophischen Ausführungen hat, kann getrost die ersten vier Abschnitte überspringen. Ich bin nicht böse. Nicht.
2. ja, auch meiner!
3. Von hier an werde ich die Anführungszeichen weg lassen, sie sind aber da! Ganz bestimmt!
4. Screenshot.
5. Dieses Wortspiel finde ich übrigens tatsächlich gut!
6. Nur als Disclaimer: Ich habe ganz und gar nichts gegen Religion. Erst recht nicht, wenn es sich um die großen Religionen handelt. Bei irgendwelchen Sekten sieht das allerdings schon etwas anders aus…
7. Was jetzt nicht für zur Religion gehört, sondern losgelöst zu verstehen ist.
8. Link zur Google-HTML-Version des PDFs.

Dunkel. Dunkler. Dunkle Materie. Pure, Dunkelste Materie.

Und damit wären wir auch schon beim Thema: Was ist jetzt diese Dunkle Materie?

Das Schöne daran ist ja, ich bin damit nicht alleine. Nein, damit will ich nicht sagen, dass mit dem zunehmenden Flatrate-Saufen von Schwarzen Löchern die Zahl der Dunklen Materie-Erlebnisse exponentiell zugenommen hat. Ich spreche von der Dunklen Materie.

Bei Dunkler Materie handelt es sich um ein Phänomen, auf dass man¹ mit dem zunehmenden Interesse am Weltraum Anfang des 20. Jahrhunderts gestoßen ist. Man hat dabei bemerkt, dass sich Galaxien zu einem größeren Haufen zusammen finden. An sich nichts besonderes, wenn man daran denkt, dass sich Gegenstände durch die Gravitationskraft anziehen — also auch Galaxien. Nur Leider zu einfach, denn diese Galaxien sind einfach viel zu leicht dafür. Es fehlt also etwas, was sehr schwer ist, aber nicht sichtbar. Im Weltall ist es dunkel, schwer ist generell Materie. Tadaa, die Dunkle Materie war erfunden.

Nun, was soll diese Dunkle Materie sein. Hier im physikBlog ist ja schon das ein oder andere mal auf die unterschiedlichen Arten von Teilchen eingegangen worden. Im sogenannten Standardmodell sind all diese Teilchen zu einer Theorie zusammengefasst. Mit dieser lassen sich alle Phänomene erklären, die man so auf der Erde, dem Universum und dem ganzen Rest kennt.
Sie beschreibt zum Einen, warum der Apfel vom Baum auf deinen Kopf, auf die Erde, und von dort aus nicht weiter fällt. Zum anderen auch, wieso der Apfel der Apfel ist² als auch, wieso man sich im Fernsehen angucken kann, wie putzigen Katzen ein Apfel auf den Kopf fällt.

Nur eben diese Dunkle Materie erklärt das Standardmodell nicht, und auch nicht mein Dunkel vom letzten Abend. Es kann zwar mittels Neutrinos³ erklärt werden, wieso es sich mit den elektrischen Eigenschaften der Dunklen Materie so verhält, wie es sich nun mal verhält — nur viel zu leicht wäre die Materie dann. Nun hoffen wir beide⁴, dass uns da irgendwie geholfen werden kann. Und die Lösung nennt sich SUSY.

Normale und s-Teilchen zusammengefasst (klicken macht groß!) [Quelle: http://zms.desy.de]

SUSY ist eine Abkürzung für Supersymmetrie und steht für eine Erweiterung des Standardmodells. Eben um unter anderem zu erklären, woraus Dunkle Materie besteht. Dazu werden die bisherigen Teilchen des Standardmodells um die gleiche Anzahl erweitert; man könnte sagen, jedes Elementarteilchen bekommt einen Zwilling. Daher kommt die Symmetrie im Namen. Die Teilchen sind natürlich keine eineiigen Zwillinge – die wären ja genau gleich – nein, sie haben ein paar andere grundlegende Eigenschaften⁵. Und damit Mama und Papa die beiden auch auseinander halten können, haben sie einfach vor fast jedes supersymmetrische neue Teilchen ein “s” gesetzt.

Schön und gut sagt ihr – hat man ja jetzt alles erklärt. Nur doof, dass man damit Alles Vieles viel⁶ viel komplizierter Macht. Es gibt halt einfach viel mehr Teilchen, die man jetzt messen, bestimmen und erstmal finden muss.

Nur wo suchen – denn bisher hat sie noch niemand je gesehen, geschweige denn festgehalten und mal genauer untersucht. Denn dafür werden wiedermal Energien der Größenordnung 100 Giga⁷ eV. Und sowas großes schafft man eben nur mit dem LHC.

Jetzt kann man sich streiten, ob es nun gut oder schlecht ist, sollte man eines dieser s-Teilchen finden. Findet man das Higgsino, weiß ich leider nicht, ob Herr Higgs dann zwei Nobelpreise, eine Tasse Kaffee oder die Weltherrschaft überreicht bekommt. Aber bis dahin ist ja noch ein bisschen Zeit. Für mich persönlich ist natürlich viel wichtiger,

Liebe SUSANNE, bitte melde dich.

1. Fritz Zwicky, ein amerikanisch-schweizer CERN-Angestellter Physiker
2. recht philosophisch, aber ich meine im wesentlichen Starke und Schwache Wechselwirkung
3. Diese kleinen Teilchen, die zwar da sind, die man aber kaum messen kann. Oder nur mit sehr großem Aufwand.
4. ich und die Welt
5. wie z.B. einen um 1/2 reduzierten Spin, eine höhere Masse, die gleiche Ladung.
6. ein paar Sachen macht sie natürlich auch einfacher, mal abgesehen davon, dass Symmetrien die Theoretiker freut
7. die Anzahl der Möglichkeiten, 9 Katzen zwischen 10 verschiedenfarbigen Mäusen auswählen zu lassen

Dabei handelt es sich allerdings weniger um eine Entdeckung als viel mehr um eine Bestätigung einer Theorie, die Higgs und einige andere Wissenschaftler¹ vor über 40 Jahren formulierten. Zu dieser Zeit herrschte in der Elementarteilchenphysik eine gewisse Goldgräberstimmung, wenige Jahre zuvor waren u.a. mit dem CERN, dem Fermilab und dem Deutschen Elektronensynchrotron (DESY) in Hamburg die damals größten Teilchenbeschleuniger gestartet worden und in den kommenden Jahren und Jahrzehnten sollten immer wieder neue Teilchen entdeckt und bestätigt werden. Der Ansatz von Higgs 1964 basiert zwar ursprünglich auf einer Theorie aus der Festkörperphysik², ist aber zentral für das Standardmodell der Teilchenphysik geworden.

Simulation der Spur eines Higgs-Boson im LHC

Und da das Higgs-Boson so grundlegend für das ansonsten hervorragend bestätigte Standardmodell ist, zweifelt auch kaum jemand daran, dass es nicht existiert. Es gibt zwar ein paar alternative Theorien, falls man nichts dergleichen finden sollte⁶, aber höchstwahrscheinlich liegen sowohl bei Mr. Higgs daheim als auch im CERN schon ein paar Flaschen Schampus im Kühlfach. Schließlich ist das Higgs-Boson seit Leon Ledermanns 1993 erschienenem Buch The God Particle (dt.: das schöpferische Teilchen) zweifelsohne das berühmteste Teilchen und einer der Mitgründe für die hohe Energie, für die der LHC gebaut ist, nachdem das Tevatron in den USA und das LEP, der alte Beschleuniger in Genf, das Higgs-Boson nicht nachweisen konnten. Wenn man also nahe Genf plötzlich mitten im Jahr ein riesiges Feuerwerk sieht, während tausende Menschen in weißen Kitteln laut Heureka rufend über die Straßen laufen, weiß man, dass diese wohl gerade so etwas ähnliches wie auf dem Bild rechts zu sehen bekommen haben.

1. Robert Brout und François Englert
2. das ist “der andere” Bereich hier in Aachen, im Blog bislang sowohl in Artikeln als auch was die Fächer der Autoren angeht ziemlich unterrepräsentiert, aber es kann halt nicht jeder ein gigantomatisches Supererxperiment bauen, über das man ein Dutzend Einträge verfassen kann
3. jepp, da fehlt noch was, blöderweise passt nämlich die bekannteste Kraft, die Gravitationskraft nicht in das Modell. Und die ist nicht einfach nur vergessen worden, weil die eh jeder kennt, viel mehr steht bislang der experimentelle Beweis für eine Theorie aus, die konsistent auf allen Größenskalen, also für winzigste Teilchen, kleine Kätzchen bis hin zu ganzen Galaxien, funktioniert.
4. ungefähr 80-90 mal so schwer als Protonen
5. In einer Animation der Uni Wuppertal etwas anders, dafür aber in bunt erklärt.
6. Das sind z.B. Überlegungen, dass das Higgs-Boson nicht alleine, sondern als sogenanntes Multiplett, das dann eine höhere Masse besitzt, vorkommt. Außerdem gibt es noch Theorien zu einem higgs-losen Modell (Link führt zur englischen Wikipedia).

Montag morgen, 9:25 Uhr. Ihr steht auf, gestern Abend war noch Einweihungsparty bei Peter und es gab reichlich Alkohol. Verkatert steht ihr im Bad und putzt euch die Zähne. Schließlich wollt ihr vor der Vorlesung um 10 noch etwas mit dem Prof besprechen. Aber was ist das? Euer Spiegelbild putzt sich nicht die Zähne sondern streichelt ein kleines Kätzchen auf dem Arm. Sollte ein Spiegel nicht das Gleiche, nur spiegelverkehrt wiedergeben?

Ungefähr das dachten sich auch die Physiker jahrelang. Schon seit den 1930er Jahren war bekannt, dass es Antimaterie gibt. Diese Antimaterie sollte ein Spiegelbild der bekannten Materie sein, eben mit umgedrehten Eigenschaften. So ist z.B. ein Elektron negativ geladen, das zugehörige Antiteilchen, das Positron, positiv bei gleicher Masse. Dann hat man aber irgendwann festgestellt, dass es nicht so ist. Ein Teilchen, genauer ein Kaon – das ist wie ein Proton in anders¹ – zerfällt als Teilchen anders als sein Antiteilchen. Und das sollte eigentlich nicht sein.

LHCb Magnet, @CERN.

Da der Unterschied aber sehr gering ist, braucht man nen ganz schön dicken Oschi, um das dennoch gut messen zu können. Und genau da setzt LHCb an, das Ausgeschrieben “Large Hadron Collider beauty” heißt. Besonders kreativ war man also nicht, immerhin hat sich LHC jemand anderes ausgedacht und “beauty” kommt von der Benennung bestimmter Elementarteilchen, den sog. beauty-Quarks bzw. neuer bottom-Quarks. Das tut dem Experiment aber keinen Abbruch.

Wie die anderen Experimente steht auch der 4.500 Tonnen schwere und 20 Meter lange LHCb-Klotz in einer unterirdischen Kaverne. Allerdings ist LHCb nicht wie die anderen Detektoren in einer Zylinderform aufgebaut sondern entlang einer Richtung der Beamachse. Der Bereich in dem der Detektor also etwas messen kann ist dadurch eingeschränkt, dafür gewinnt man aber an Genauigkeit in diesem Bereich. Die Einschränkung kommt auch nicht von ungefähr, die produzierten (Anti-)Teilchen und ihre Zerfallsprodukte bleiben nämlich relativ nah in Strahlrichtung und gehen nicht etwa senkrecht nach oben vom Kollisionspunkt ab.

Zu den anderen Detektoren gleich ist in etwa der prinzipielle Aufbau: Es folgt ebenfalls einem Zwiebelschichtsystem und beinhaltet Magneten, Siliziumdetektoren, ECAL/HCAL und Myonenkammern zur Bestimmung der Eigenschaften von produzierten Teilchen². Zusätzlich gibt es noch einen Cherenkov-Detektor, der direkt nach dem Kollisionspunkt mit dem entstehenden Cherenkov-Licht die Geschwindigkeit der Teilchen bestimmen kann und somit die Messung der ECAL/HCAL unterstützt.
Cherenkov-Licht entsteht übrigens dann, wenn Teilchen mit Überlichtgeschwindigkeit durch ein Medium gehen – also ganz analog zu Flugzeugen und Überschallgeschwindigkeit. Nur dass da ein Schallkegel entsteht, hier kann man einen Lichtkegel messen.

Als der LHC letztens schon erste Protonen teilweise im Kreis herumgeschickt hat, konnte LHCb bereits erste Messungen³ mit dem Protonenstrahl durchführen, zur Freude aller 700 Mitarbeiter. Und dass die auch feiern können, sieht man am Detektor (Bild rechts). Fragt sich nur, ob die Physiker bis Juni keine Lust hatten, das weg zu kramen oder ob sie erst dann Weihnachten gefeiert haben.

1. Jetzt dürfen mich die E-Teilchen Leute schlagen. Ein Kaon ist nämlich ein Meson und kein Baryon wie das Proton eines ist.
2. Zur Erklärung siehe meinen Post zum CMS
3. Wenn LHC dann mal richtig läuft, werden übrigens solche fetzigen Bilder erwartet: click

Quark-Gluonen-Plasma

Genau das war kurz nach dem Urknall anders, und hier kommt ALICE ins Spiel, einem der Detektoren am LHC. ALICE steht für A Large Ion Collider Experiment und die Ionen, die hier kollidieren, sind Bleikerne. Prallen diese mit jeweils 5,5 TeV aufeinander, so erzeugen sie winzige Regionen von ungefähr der Größe eines Atomkerns, in denen Temperaturen ähnlich denen zur Zeit des Urknalls herrschen und bei denen Quarks und Gluonen nicht mehr gebunden als schwere Teilchen existieren, sondern quasi frei als sogenanntes Quark-Gluonen-Plasma, als eine Art Miniaturabbildung des frühen Universums (genau genommen ist also das Wunderland in ALICE, und nicht ALICE im Wunderland⁴ ).

Ein bisschen ist ALICE damit mitverantwortlich für die ganze negative Publicity der letzten Monate, denn diese Kollisionen sind es, denen die Bildung von die Welt aufsaugenden sog. Strangelets unterstellt wird. Da am CERN aber keine wahnwitzigen⁵ kriminellen Masterminds arbeiten, wird ALICE stattdessen benutzt, um die Teilchen zu untersuchen, die bei diesen Temperaturen entstehen.

Alice von außen⁶

Diese durchfliegen zunächst das Inner Tracking System (bestehend unter anderem aus dem Silicon Pixel Detector, der Time Projection Chamber und dem Transition Radiation Detector), in dem die Teilchen auf Richtung, Ladung, Ursprung und sonstige grundlegende Charaktereigenschaften geprüft werden. Weiter geht’s dann, nachdem im Time of Flight Detector die Flugzeit bestimmt wird, zur High Momentum Particle Identification sowie gegebenenfalls in das Dimuon Spectrometer, den beiden Detektoren, die die entstandenen Teilchen direkt oder über ihre Zerfallsprodukte identifizieren. Zuletzt gibt das Photon Spectrometer noch Aufschluß über die Energie und damit auch über die Temperatur, die bei der Kollision im Mini-Big-Bang⁷ geherrscht hat.

Wer jetzt übrigens findet, dass ALICE von den drei großen Detektoren der sexieste ist, kann das zeigen, in der er/sie sich im ALICE-Shop Karten für die nächste Nerd-Pokerrunde oder einen schicken Briefbeschwerer zulegt.

1. Raumzeit-Kontinuum anyone?
2. für SI-Bevorzuger: ca 2.000.000.000.273 Kelvin
3. Namen sind Schall, Rauch und im Fall von Teilchenphysik oft ein Fall von fehlender oder zuviel Fantasie
4. was Steuerflüchtlinge und Käseliebhaber vielleicht anders sehen
5. wen würden die schwarzen Löcher wohl zuerst aufsaugen? Na?
6. Bild von flickr
7. ein riesiger Knall, aber halt in winzig, aber wenn der große wäre…!

Warum wissen wir eigentlich soviel über das CERN, warum beschäftigt uns das so stark? Zum einen ist es natürlich eine weltweite Forschungseinrichtung und hat den größten. Teilchenbeschleuniger natürlich. Zum anderen ist unsere Lieblings-Eliteuniversität in ihrem elementarisiertem Teilchenphysikteil kräftig an diesem Projekt beteiligt, hauptsächlich in Planung, Entwicklung, Bau und mittlerweile auch Betrieb von CMS.

CMS, das ist eines der großen Experimente im LHC und wird, ähnlich wie ATLAS auf die Suche nach neuen Teilchen gehen. Ganz besonders heiß sind die Physiker bekanntlich auf das Higgs-Teilchen. Das Higgs-Teilchen, so besagt es die Theorie von Peter Higgs, sorgt dafür, dass bestimmte Elementarteilchen eine Masse bekommen, was man sich sonst nicht erklären könnte. Dazu aber in einem extra Artikel später mehr. Außerdem soll auch noch nach Hinweisen für andere Theorien wie SUSY und der Stringtheorie mit ihren 10 Dimensionen gesucht werden.

Und wie findet man nun diese Teilchen, wenn sie nicht gerade auf der Straße liegen? Man erzeugt sie. Gemäß Einsteinscher Massen-Energie-Äquivalenz braucht man einfach nur genug Energie, dann entstehen die schon. Die Energie kommt von den Protonen, die im LHC umhersausen und wird beim frontalen Zusammenstoß freigesetzt. Zur Detektion der Teilchen, die beim Zusammenprall entstehen, kommen nun verschiedene Bereiche innerhalb des zylindrischen Detektors zum Einsatz (von innen nach außen):

1) Silizium-Tracker: Sie erfassen die Spur der entstandenen geladenen Teilchen, um daraus ihre Geschwindigkeit (bzw. physikalisch den Impuls) ableiten zu können.
2) ECAL/HCAL¹: Die messen, wie weit ein Teilchen in Materie eindringt. Je weiter es rein geht, desto höher war seine Energie. Wie bei dem Auto, dass in das Haus fährt.
3) dicke Magneten: Sie erzeugen ein ca. 4 T großes magnetisches Feld, dass die Teilchen in ihrer Bahn ablenkt. Ohne dieses würden sie einfach geradeaus fliegen und man könnte ihre Geschwindigkeit nicht messen.²
4) Myon-Kammern: Mit ihnen werden die Bahnen von Myonen bestimmt – das sind Schwesterteilchen der Elektronen, nur in schwer. Dass sie extra Geräte benötigen liegt daran, dass sie einfach durch die anderen Teile fliegen und nichts machen. Man sieht sie also nicht.

Zur Verdeutlichung des Aufbaus hier noch eine Flash-Animation.

Je nach Krümmung der Bahn liegt ein größerer oder kleinerer Impuls vor und zusammen mit der gemessenen Energie kann man dann die Masse der Teilchen bestimmen. Und über die Masse sind die Teilchen schließlich unterscheidbar und definiert.

Soweit so gut, aber das macht ATLAS auch alles so ähnlich und hat auch ein ähnliches Augenmerk auf das, was gesucht wird. Doch warum gleich zwei dieser Experimente, die nicht gerade billig sind? Einerseits ist es nicht verkehrt, wenn man etwas neues und unbekanntes misst, das Gemessene gleich durch eine unabhängige Messung verifizieren zu können. Andererseits erwartet man so schneller die gesuchten Teilchen zu finden, immerhin suchen jetzt zwei Augen statt nur einem.

Und CMS sucht viel und effektiv. Innerhalb einer Sekunde produzieren alle Detektoren eine Datenmenge, die 10.000 Encyclopaedia Britannica entspricht.³ Oder für die jüngeren unter euch: ca. 2342,314 Wikipedias. Für die Güte der Daten soll der größte jemals produzierte Magnet sorgen, der auch das Besondere an CMS ist: Nur die Myon-Kammern sind außerhalb, alles andere ist innerhalb des Magneten platziert. Daher ist das alles extrem kompakt und es passt kein Kätzchen mehr rein⁴ – ist vielleicht auch besser so. Die Strahlung wäre nicht gut für das Kleine. Der ganze Aufwand hat jedenfalls den Vorteil, dass der Magnet die Messung nicht stört, weil die Teilchen erst die Messgeräte und dann den Magneten passieren.
Die Kompaktheit ist übrigens auch der Namensgeber: Compact Myon Solenoid.

Damit das auch alles so klappt, gibt es eine Menge Leute, die daran mitarbeiten. Seit 1992 hat sich die Zahl derer, die mit planen, organisieren und werkeln stetig erhöht. 2003 waren es dann 2300 Leute aus 159 Instituten und 36 Ländern.⁵ Wie eingangs schon erwähnt, bemüht sich auch die RWTH an diesem Projekt und kümmert sich im Wesentlichen um Bereiche der Silizium-Tracker-Entwicklung (I B und III B) oder Myonen-Kammer-Entwicklung (III A).

Und wem das Zugucken bei Andi-und-André-machen-Physikpraktikum langweilig geworden ist, der kann den Leuten im CMS-Control-Room bei der Arbeit über die Schulter blicken.

1. Das ECAL (Electronic Calorimeter) ist auf geladene Teilchen, z.B. Elektronen, ausgelegt; das HCAL (Hadron Calorimeter) ist auf hadronische Teilchen, z.B. Protonen, Neutronen, ausgelegt.
2. Für die Interessierten: Die Geschwindigkeit kann man nicht einfach mit zwei Lichtschranken oder sowas messen, weil sich die Teilchen alle fast mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Und das ist so schnell, dass man eigentlich nur messen kann, dass sie mit Lichtgeschwindigkeit unterwegs sind. Man braucht es aber etwas genauer, sonst wirkt ein Kätzchen nachher wie ein Löwe oder ein Nacktmull.
3. Ein paar weitere Trivia-Facts gibts auf den CMS-Seiten.
4. Eigentlich passt noch nichtmal ein zusätzliches Kabel rein. Sollte also irgendwer in der Planung ein Kabel vergessen haben, so hat derjenige echt ein Problem, denn es passt einfach nicht mehr rein.
5. Quelle: CMS-Seite

An dieser Stelle fragt sich der geneigte Leser: Na und? Ist das jetzt hier das mythologieBlog? Nein. ATLAS ist auch der Name eines der vier Experimente, die bald am LHC ihren Betrieb aufnehmen werden. Und der Name ist natürlich kein Zufall. Zwar hat man zu Beginn tatsächlich ATLAS als Akronym gebraucht, aber A Toroidal LHC AparatuS war dann selbst Hardcore-Akronym-geschädigten Physikern zu viel des Guten. Also ist es jetzt einfach ein Eigenname. Einer, der nicht unbedingt von falscher Bescheidenheit zeugt.

Denn wer so ein Ding wie den ATLAS-Detektor baut, der hat gar keinen Grund zur Bescheidenheit. Vielleicht zunächst einmal die nackten Zahlen: Das Gewicht entspricht mit 7000 Tonnen dem von einhundert Boeing 747-Flugzeugen. Der Detektor hat in etwa die Form eines liegenden Fasses mit einer Länge von 46m und einem Durchmesser von 25m – sein Volumen entspricht damit der halben Kathedrale Notre Dame de Paris. Er enthält über 3000 km Kabel², davon sind 122 km supraleitend, also so weit runtergekühlt, dass der Strom widerstandsfrei transportiert wird. Wer jetzt noch nicht beeindruckt ist oder so sehr, dass er noch viel mehr wissen will, findet sehr viel facts and trivia in den ATLAS fact-sheets.
Überhaupt ist die Öffentlichkeitsarbeit des ATLAS sehr löblich und umfangreich. Da lohnt es sich mal reinzuschauen. Auch die Unmenge von sehr guten youtube-Videos zeugt davon.

Nachdem ich jetzt schon so ins Schwärmen gekommen bin, doch nochmal zum Anfang: Wie funktioniert so ein Teilchendetektor überhaupt? Und was soll er messen?

Wenn man die Daten des ATLAS auswertet, erhofft man sich Hinweise auf das Higgs-Boson oder auf eine innere Struktur der Elementarteilchen. Vielleicht sogar auf SUSY. Das ist nicht etwa eine verschollene Ehefrau eines Physikers, sondern ein weiteres Akronym und steht für Supersymmetrie. Aber keine Angst, SUSY werdet ihr hier in der CERN’ed-Reihe auch noch kennenlernen. Vielleicht sogar mit Telefonnummer.

Dass das ATLAS-Experiment aber neben den vielen beeindruckenden Fakten und schönen Geschichten vor allem harte Arbeit bedeutet, sieht man an der Homepage des ATLAS-Experiments für die Physiker: Ein übervoller Terminkalender deutet an, welcher Aufwand es ist, die Arbeit der 2500 Physiker aus 37 Ländern, die mitarbeiten, zu koordinieren. So ist die ATLAS-Kollaboration, so wie die anderen Kollaborationen des LHC, nicht nur technisch herausragend, sondern auch wegweisend, wenn es um neue Organisationsstrukturen geht. Denn so etwas wie einen Boss, der alles kontrolliert, gibt es nicht.

Über die technischen Details und Finessen, die sich die Erbauer des ATLAS ausgedacht haben, ließe sich sicherlich noch ein Artikel füllen. Ich mache jetzt Schluss. Es kommen ja auch noch ein paar andere Detektoren – alles hier, kostenlos, nur für euch, und alles schon in den nächsten Tagen.

1. obwohl von Zeus und nicht von Thor
2. das reicht von Aachen bis Teneriffa (für die Sonnenanbeter) oder bis Georgien (für die politisch Interessierten)

• Umfang: 26,7 km
• Tiefe: 50 bis 175 m
• Strahlrohr: 46 x 37 mm
• Magneten: ~1600 á 23 t und 14 m Länge
• Magnetfeld: 8,3 T
• Stromverbrauch: 1200 Mio kWh²
• Baukosten: 1,6 Milliarden Euro

Wer jetzt eine Abhandlung über den Alkoholkonsum im CERN erwartet, den muss ich leider enttäuschen. Wenn ein Physiker in Gesellschaft aufheiternde Getränke zu sich nimmt, dann sind diese schwarz, bitter und mit viel Koffein versetzt, dafür aber ohne Alkohol. Auch am CERN ist das Getränk der Wahl der Kaffee. Wie ich letztens festgestellt habe, gibt es dort sogar Automaten, bei denen man einmal 0,50 CHF einwerfen muss und bekommt die ganze Nacht soviel Kaffee wie man will. Aber darum gehts hier nicht.

Es geht hier um das abgefahrene Leben eines Protons im CERN, von der Geburt über die Pubertät bis hin zur innigen Verschmelzung mit einem anderen Proton³ und der Zeugung von ganz vielen anderen Teilchen. Der LHC ist dabei nämlich nur ein, zugegebenermaßen großes Rädchen in der Maschinerie des Riesenmegasuperduperbeschleunigers.

Der Weg des Teilchens beginnt in einer Protonenquelle. Diese Quelle ist für LHC und alle anderen Beschleuniger, die irgendetwas mit Protonen machen wollen, eine kleine rote Flasche, gefüllt mit Wasserstoff für ein Jahr. Dem Wasserstoff wird das Elektron der Atomhülle abgenommen, so dass nur noch das Proton übrig bleibt und schon kann die Reise losgehen.

Nun wird angefangen zu beschleunigen, erst auf einer Geraden (Linac2), dann weiter in einem kleinen Kreis (PSB – Proton Synchrotron Booster). Die Protonen sind jetzt schnell genug, um in den ersten Synchrotron geleitet zu werden.

Gut, wir wissen jetzt, was ein Synchrotron ist, das kleinste der größten davon im CERN ist das PS (Proton Synchrotron). Von hier aus gibt es schon viele Abzweigungen zu Experimentplätzen. Will man aber noch mehr Energie haben, muss man die Protonen ins SPS (Super Proton Synchrotron) schicken.
Da Physiker Nimmersatts sind, wollen sie noch mehr. Die nächste Stufe ist jetzt das SEPS (Super Extreme Proton Synchrotron) der LHC, quasi der letzte Gang im Teilchenbeschleunigergetriebe. Für die ganz hohen Geschwindigkeiten und so. Und um nochmal zusätzlichen Bumms zu bekommen, werden die Protonen nicht nur in eine Richtung durch den Tunnel geschickt sondern parallel dazu auch noch in die andere Richtung, sodass sie nun mit doppelter Energie gegeneinander prallen.⁴

Wie man sich leicht vorstellen kann, dauert dieser Vorgang länger als eine streunende Katze mit einem Besen zu verscheuchen. Zuerst wird der PS gefüllt, dann beschleunigt. Dann wird der SPS befüllt, beschleunigt und schließlich LHC befüllt und beschleunigt. Bis man den LHC mal mit Protonenpaketen vollgepackt und auf Endgeschwindigkeit beschleunigt hat vergehen ein paar Stunden⁵ in denen die anderen Experimente warten müssen. Dafür hat man dann aber auch 10-12 Stunden lang einen Strahl, der noch fein genug ist, um bei Kollisionen der Protonenwolken auch genügend kollidierende Teilchen zu erhalten.
Bei diesen Kollisionen treffen übrigens etwa 20 Protonen aus einem Paket von 10¹¹ Protonen auf 20 Protonen eines gegenläufigen Paktes. Und das alle 25 Nanosekunden – denn so lange dauert es, bis das nächste der 2.808 Pakete vorbeikommt. Also ganz schön viel. Kein Wunder also, dass man da auf der Suche nach effizienten und mächtigen Auswertungsmechanismen ist.

Wem das jetzt alles ein wenig zu technisch ist mit den Protonen und den eV, dem kann ich hier noch etwas handfesteres bieten. Eine anschauliche Umrechnung der Energie, die hinterher in einem vollbesetzten LHC-Ring steckt, ergibt: Eine startende Boeing 747 (300 t, 300 km/h) kommt auf 1000 MJ, im LHC sind etwa 750 MJ gespeichert. Nur dass die Boeing um einiges größer ist und die Energie im Strahl auf den Bruchteil der Masse eines Sandkorns verdichtet ist.
Deswegen gibt es an 6 Stellen im LHC die Beam Dumps, das sind kleine Hallen die mit riesigen (7×0,7 m), wassergekühlten Graphitblöcken bestückt sind. Fängt der Strahl nun an, über ein gewisses Maß⁶ auseinander zu laufen, zieht man die Notbremse und schickt ihn auf die Müllhalde. Einfach ausschalten geht nämlich nicht, zum einen würde viel zu viel Kaputt gehen, wenn der Strahl die Magneten beschädigt (oder noch schlimmer die Experimente). Zum anderen Steckt alleine in den Magneten ein Energieäquivalent von 2,4 Tonnen TNT, es ist also auch nicht gerade ungefährlich.

Morgen geht es dann weiter mit den Experimenten, die dem LHC angegliedert sind.

Quelle der Fotos: 1-3 ich, 4: CERN-Seite

1. Für die Datenfreaks gibt es hier noch mehr Zahlen zum LHC: Datasheet
2. das entspricht dem Stromverbrauch von etwa 400.000 Zweipersonenhaushalten, Quelle
3. Im LHC werden übrigens nicht nur Protonen beschleunigt, auch schwere Ionen wie z.B. Blei
4. kann sich jeder leicht vorstellen: Es ist besser, mit dem Auto in ein stehendes zu fahren, als in den Gegenverkehr. Noch besser ist es natürlich, gar nicht in andere Autos zu fahren.
5. ich meine mich an 2 Stunden erinnern zu können, weiß es aber leider nicht mehr genau. Und dazu gefunden habe ich auch nichts
6. Keine Sorge, dieses Maß ist noch weit davon entfernt, dass der Strahl an die Rohrwand trifft und Sachen kaputt macht