CERN: Teilchenbeschleuniger wird größer, stärker, besser
14. Juni 2018
Das Europäische Kernforschungszentrum CERN ist Europas größte gemeinsame Forschungsanlage. Hier forschen Wissenschaftler aus 85 Ländern - von China bis Südamerika. Es liegt in der Nähe von Genf - auf schweizerischem und französischen Staatsgebiet. In riesigen Beschleunigeranlagen, erzeugen Teilchenphysiker hier Strahlen für alle möglichen Anwendungen in der Grundlagenforschung.
Der größte Beschleunigerring ist der Large Hadron Collider (LHC) mit einem Umfang von 27 Kilometern. Darin lassen Physiker Protonen aufeinanderprallen, die anschließend in winzige Bestandteile zerfallen. Hier wurde 2012 das berühmte Higgs-Teilchen gefunden, hier wollen Forscher herausfinden, welche Zustände beim Urknall herrschten, wie unser Universum aufgebaut ist und was es mit der mysteriösen dunklen Materie auf sich hat.
Das Rechenzentrum des CERN, in dem die Daten dieser Kollisionsversuche gesammelt und verarbeitet werden, ist einzigartig und mit Instituten in der ganzen Welt vernetzt. Hier wurde übrigens auch das World Wide Web erfunden.
Das CERN ist also schon jetzt eine gigantische Anlage. Und es soll noch größer werden:Gut eine Milliarde Euro wird die nächste Modernisierung des LHC in den kommenden Jahren kosten. Bis 2020 wollen die Ingenieure und Teilchenphysiker den Beschleunigerring so aufrüsten, dass er deutlich mehr Teilchenkollisionen erzeugt, und das bei einer höheren Energie als bisher.
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Die Leuchtkraft ist alles
Das ganze läuft unter dem Namen"High Luminosity". Luminosity bedeutet "Leuchtkraft". In der Astronomie versteht man darunter die in einer bestimmten Zeit auf allen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums abgestrahlte Energie.
Beim LHC ist Luminosity im Prinzip das gleiche: Leuchtkraft wird freigesetzt, wenn Teilchen kollidieren und sich in ihre Bestandteile zerlegen. Die Kollisionsenergie, die der Beschleunigerring den Teilchen verleiht, trägt aber nur zu einem Teil zur erhöhten Leuchtkraft bei.
Bisher erreichte der der LHC 13 Terra Elektronenvolt (TeV). Ab etwa 2020 möchten die Forscher etwa 14 TeV erreichen. Nach der vollständigen Modernisierung soll der dann fertige Hi-Lumi LHC ab etwa 2025 noch höhere Energien erreichen - vielleicht irgendwann sogar über 16TeV.
Diese Steigerung bewirkt zwar für sich mehr Leuchtkraft, am Ende kommt es aber auf die eigentlichen Kollisionen an. Durch weitere technischen Verbesserungen wird deren Zahl in Zukunft deutlich erhöht, so dass die Leuchtkraft etwa um das zehnfache ansteigt.
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Präzisere Strahlführung und rotierende Teilchenpakete
Eine der Verbesserungen besteht darin, die Präzision des Teilchenstrahls zu verbessern. Wenn der geschickter geführt wird, treffen mehr Protonen aufeinander und es kommt zu mehr Kollisionen. Derzeit ist der Strahl 16 Mikrometer dünn. In Zukunft soll die Hälfte reichen.
Die Leuchtkraft der Anlage wird zudem dadurch erhöht, dass Teilchenpakete vor dem Aufeinandertreffen durch Hohlraumresonatoren, sogenannte "crab cavities", in Rotation versetzt werden. Dadurch prallen die Pakete vollständiger aufeinander als zuvor, die Anzahl der Teilchenkollisionen pro Teilchenpakete erhöht sich deutlich und damit auch die Ausbeute der durch Kollisionen freigesetzten kleinsten Teilchen.
Die Forscher erwarten zum Beispiel, dass das Hi-Lumi LHC bis zu 15 Millionen Higgs-Teilchen pro Jahr produzieren kann. Noch 2012, als am LHC erstmals die Existenz des lange gesuchten Teilchen bestätigt worden war, konnte der Beschleunigerring gerade mal 1,2 Millionen dieser Teilchen im Jahr produzieren.
Ziel: Den Aufbau unseres Universums besser verstehen
Aber es geht auch um andere Teilchen, die den Physikern erklären sollen, wie unser Universum im Inneren aufgebaut ist. Auch wenn Alle über Higgs-Teilchen reden: Diese sind grundsätzlich eher selten zu finden. Aber gibt es noch genügend andere Teilchen zu entdecken.
Bisher kommt es am LHC pro Sekunde zu etwa einer Milliarde Protonenkollisionen. Beim Hi-Lumi LHC sollen es fünf mal so viele sein.
Um den LHC dafür zu aufzurüsten, wird nun erstmal fleißig gebaut und eingerichtet. Die Ingenieure installieren stärkere supraleitende Elektromagneten und erneuern die riesigen Detektoren der Anlage von Grund auf. Denn sie müssen mit den höheren Energien klarkommen und sollen die Fragmente, die bei den Kollisionen entstehen auch zuverlässig messen.
Auch das Rechenzentrum des CERN, in dem alle Daten auflaufen wie auf der Speicherkarte einer riesigen digitalen Fotokamera, muss für die neue Aufgabe aufgerüstet werden. Denn die Daten müssen auch in Zukunft zügig an die mit dem CERN verbundenen Rechenzentren in Forschungsinstituten und an Universitäten in aller Welt weiterverteilt werden, wo die Physiker sitzen, die sie auswerten.