Teilchenspuren festgehalten

Der noch leere ATLAS in einer frühen Bauphase. Nur die riesigen Spulen des äußeren supraleitenden Magneten sind schon installiert und hinten eine radförmige „Endkappe“ des Kalorimeter-Systems.

Einer der Kollisionspunkte liegt im Zentrum von ATLAS. Dieser Riese unter den fünf Experimenten des LHC ist so hoch wie ein fünfstöckiges Haus, 44 Meter lang und wiegt 7000 Tonnen. Wer kleine und schnelle Teilchen einfangen will, braucht viel „Bremsmasse". Die komplexe Maschine aus einer Million Teilen haben 2200 Wissenschaftler und Ingenieure aus 37 Ländern konstruiert. Maßgebliche Entwicklungsarbeit leistete das Max-Planck-Institut für Physik in München. Siegfried Bethke, Direktor am Institut, ist seit Anfang der 1990er-Jahre dabei und sagt: „Es wird Zeit, dass es losgeht mit den Messungen!"

Teilchenkollisionen sind komplex, weil Einsteins berühmtes E = mc² kräftig mitmischt (E: Energie, m: Masse, c: Lichtgeschwindigkeit). Er hatte entdeckt, dass Energie sich in Materie umwandeln kann und umgekehrt. Deshalb „zersplittern" die Protonen am superstarken LHC nicht - wie zwei aufeinander geschossene Kanonenkugeln - in ihre Bestandteile, die Quarks und Gluonen. Aus ihrer freigesetzten Bewegungsenergie entstehen auch viele neue Teilchen. Einige von ihnen lösen im Detektor weitere Schauer von „Sekundärteilchen" aus.

Die bis zu tausend Teilchenspuren pro Kollision soll ATLAS in allen drei Raumrichtungen präzise erfassen. Zum Glück müssen neu entstehende Teilchen den Spielregeln der Physik, den Erhaltungssätzen, gehorchen. Die geben ihnen streng Energie, elektrische Ladung, Impuls und Drehimpuls und gewisse Quanteneigenschaften vor. Das bringt Ordnung ins Chaos. Jeder physikalisch erlaubte Prozess hinterlässt so eine charakteristische Spur. Wie in einer Kartei mit Fingerabdrücken können die Physiker nach neuen Ereignissen suchen.

Damit ATLAS möglichst alle Teilchen einfängt, umschließt er den Kollisionspunkt von allen Seiten. Er soll genaue Informationen über die Art der Teilchen und ihre Bewegung liefern. Dazu besteht er aus mehreren ineinander steckenden Zylindern mit unterschiedlichen Funktionen. Jeden Zylinder schließen Kappen mit gleicher Funktion vorne und hinten ab. Der innerste Detektor ist 7 Meter lang und hat einen Durchmesser von 2,3 Meter. Er besteht aus vielen Tausenden Siliziumchips. Durchquert ein elektrisch geladenes Teilchen einen solchen Chip, dann produziert dieser ein kurzes elektrisches Signal. Aus einer Kette dieser Signale kann der Innendetektor die Teilchenspur auf wenige Mikrometer (Tausendstel Meter) genau rekonstruieren.

Allerdings würde diese Spur noch sehr wenig Information liefern. Deshalb umgeben zwei riesige Magneten den Innendetektor. Sie erzeugen ein kräftiges Magnetfeld, das die elektrisch geladenen Teilchen in gekrümmte Bahnen zwingt. Diese Krümmung liefert genaue Informationen über elektrische Ladung, Impuls (Geschwindigkeit) und damit die Bewegungsenergie eines Teilchens. Es sind wesentliche Teile des Informationspuzzles, das die Physiker bei der Analyse einer Kollision zusammenfügen müssen.

Die Münchner haben das Silizium-Innenleben des Detektors mit entwickelt und einige Teile gebaut. „Besonders wichtig ist die Strahlungshärte der Siliziumchips", betont Bethke. Obwohl sie jahrelang einem gewaltigen Teilchen-Bombardement ausgesetzt sein werden, sollen sie möglichst lange funktionieren. Zudem muss der Detektor extrem schnell sein, um die vielen Kollisionen erfassen zu können. Den Innendetektor umschließen zwei ineinander steckende „Kalorimeter". Zusammen haben sie einen Durchmesser von 8,4 Metern und eine Länge von 13,3 Metern. Die Kalorimeter sollen mit massiven Metallplatten nahezu alle Teilchen aus der Kollision abstoppen. Dabei messen sie präzise die frei werdende Bewegungsenergie. Mit ihren fast 200.000 Messkanälen registrieren sie zudem ganz genau, wo ein Teilchen ausgebremst wurde. Anders als der Innendetektor erfassen sie auch elektrisch neutrale Teilchen. Das sind vor allem Photonen mit sehr hoher Energie, also Gammastrahlung, aber auch Neutronen oder andere, elektrisch ungeladene Hadronen.