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CERN’ed: Schöne Antisymmetrien @ LHCb

André schrieb am 6. September 2008, 12:00 Uhr in Erklärbärund Weltiges
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Myonkammern von LHCb.
Myonkammern von LHCb

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.

Der LHCb Magnet from Outer Space. Angeliefert mit der Enterprise.
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.

Aufbau von LHCb
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.

Weihnachten in der LHCb-Kaverne. Ob dann die Kaverne zur Taverne umfunktioniert wurde?

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 [↩]

CERN’ed: ALICE im Wunderland

hape schrieb am 5. September 2008, 11:20 Uhr in Erklärbär, Experimentativesund Weltiges
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Wenn Physiker versuchen, etwas über das Universum herauszufinden, dann würden sie, so sollte man annehmen, erstmal ein Teleskop benutzen. Ein möglichst großes, da das meiste im Universum recht weit weg ist. Da Wissenschaftler aber recht pragmatische Menschen sind, bauen sie, anstatt immer größerer Teleskope, einfach ein Experiment, in dem sich die Bedingungen kurz nach dem Urknall (dem “Teil” des Universums, der am weitesten1 von uns entfernt ist) reproduzieren lassen. Damals war die Welt noch in Ordnung herrschte eine Temperatur von ca. zwei Billionen Grad2 und die Teilchen befanden sich verständlicherweise in komplett anderen Zuständen.

Aber von vorne (bzw. von hinten, chronologisch), fast die gesamte heute bekannte Materie besteht aus den gleichen Elementarteilchen, nämlich neben Elektronen aus den up- und down-Quarks3. Je drei davon ergeben ein Proton (zweimal up, einmal down) bzw. eine Neutron (einmal up, zweimal down). Die dominierende Wechselwirkung zwischen den auch elektrisch geladenen Quarks ist die starke Kraft. Diese wird durch sogenannte Gluonen übertragen, die ihrerseits eine Masse haben und dadurch auch zur Gesamtmasse der Protonen bzw. Neutronen beitragen. Diese sind nämlich etwa 100 mal schwerer als die Quarks aus denen sie bestehen zusammen, was trotz der Gluonen bislang nicht wirklich verstanden ist. Eine weitere Besonderheit der Quarks, die mitverantwortlich für all den Aufwand in Genf ist, besteht darin, dass sie in der Welt wie wir sie kennen ausschließlich in gebundenen Zuständen, d.h. zu Mesonen (Quark plus Antiquark) oder Baryonen (drei Quarks) kombiniert vorkommen.
Quar-Gluonen-Plasma
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 außen
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…! [↩]

CERN’ed – Crashes Machen Spaß

André schrieb am 4. September 2008, 12:00 Uhr in Erklärbär, RWTH, Studierendes, Universitäresund Weltiges
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Die Frontseite des CMS-Detektor
Frontseite von CMS – Foto von marcofantoni84

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-Logo mit lustigen kleinen Einhornflügeln. Oder Teilchenspuren. Wer weiß das schon. 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):

Aufbau des CMS-Detektors
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.

Ein Blick in das innere von CMS, ist aber mittlerweile zusammengefahren. 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.

Der CMS-Control-Room 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 [↩]

CERN’ed: Alle Teilchen Lieben ATLAS’ Suchmethode

Basti schrieb am 3. September 2008, 17:21 Uhr in Erklärbärund Experimentatives
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Atlas ist in der Topologie, einem Teilbereich der Mathematik, eine Familie kompatibler Karten einer Mannigfaltigkeit. Das ist zwar so, soll uns hier aber nicht weiter interessieren. Atlas ist auch eine Figur der griechischen Mythologie, genauer gesagt ein Titan, was wiederum auch noch ein Metall ist. Der mythologische Atlas hat sich mit Göttervater Zeus angelegt und gegen ihn gekämpft – keine gute Idee, wie man sich denken kann. Also wurde Atlas dazu verdonnert1 den Himmel auf seinen Schultern zu tragen. Ein zwar beeindruckender, aber sicherlich nicht sonderlich spannender Job.

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?

Im Inneren eines modernen Teilchendetektors kollidieren die Partikel, die vom Beschleuniger (beim ATLAS ist das der LHC) fast auf Lichtgeschwindigkeit gebracht wurden, mit ungeheuren Energien. Dabei entstehen eine Unmenge neuer Teilchen, die vom Detektor erkannt und bestimmt werden sollen. Dazu werden moderne Detektoren immer in einem Zwiebelschalenprinzip aufgebaut: Das Teilchen durchfliegt auf seinem Weg nach außen viele verschiedene Lagen, in denen jeweils unterschiedliche Messungen stattfinden. Ist das Teilchen dann draußen, weiß man hoffentlich alles darüber, was man wissen kann: Teilchensorte, Flugrichtung, Impuls, Energie, Masse, Lieblings-Kätzchen. Die Datenmengen, die dabei entstehen und ausgewertet werden müssen, hat Andi ja bereits schön beschrieben.

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) [↩]

CERN’ed: LHC – Von der Flasche zum Karussell

André schrieb am 2. September 2008, 13:19 Uhr in Erklärbärund Weltiges
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Ein paar Daten in Kürze:1

  • 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.

Beispiel der Protonenquelle im CERN (die echte ist im Kasten dahinter, sieht aber genauso aus) 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.

Der erste Vorbeschleuniger: Linac2 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.

An dieser Stelle kurz das Konzept eines Synchrotron: Das Ziel ist es, ein Teilchen auf hohe Geschwindigkeiten zu bekommen und dann irgendetwas mit ihnen zu machen. Der Prozess dauert eine gewisse Zeit und ist ziemlich aufwendig, vor allem wenn man sehr schnell werden will. Denn beschleunigt werden kann nur auf gerader Strecke. Lenkt man die Teilchen (die in Paketen, sog. Bunches, gesammelt werden) nun auf eine Kreisbahn, so kommen sie zumindest einmal pro Umlauf an der Beschleunigungsstrecke vorbei und man gewinnt pro Umlauf etwas mehr an Geschwindigkeit.

Damit man aber nicht den ganzen Platz im Ring, der nicht durch Teilchen besetzt ist, ungenutzt lässt, sammelt man sie, wartet bis alle die mit wollen eingestiegen sind und beschleunigt erst dann weiter. Dabei muss man natürlich darauf achten, nicht zu viele rein zu stopfen, sonst kann man nicht mehr kontrolliert einzelne Teilchenpakete steuern.

Beschleunigerstufen:

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 [↩]