Wie die Teilchenphysik mit dem LHC auf Zeitreise geht

TEILCHENSPUREN FESTGEHALTEN

Einer der Kollisionspunkte liegt im Zentrum von ATLAS (siehe Titelbild). 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“ und empfindliche Messgeräte (Detektoren). Diese besitzen 100 Millionen Sensoren, die Teilchenspuren sehr genau vermessen. Die komplexe Maschine aus einer Million Teilen haben 2200 Forscherinnen und Forscher aus 37 Ländern konstruiert. Maßgebliche Entwicklungsarbeit leistete das Max-Planck-Institut für Physik in München. Siegfried Bethke, Direktor am Institut, sagt: „Der Bau von ATLAS war eine große Herausforderung, und sein Betrieb erfordert viel Einsatz!“

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 einfach in ihre Bestandteile, die Quarks und Gluonen - wie zwei aufeinander geschossene Kanonenkugeln. Aus ihrer freigesetzten Bewegungsenergie entstehen auch viele neue Teilchen. Einige von ihnen lösen im Detektor weitere Schauer von „Sekundärteilchen" aus.

Die vielen Teilchenspuren pro Kollision erfasst ATLAS in allen drei Raumrichtungen präzise. 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 kann die Forschung nach neuen Ereignissen suchen.

Damit ATLAS möglichst alle Teilchen einfängt, umschließt er den Kollisionspunkt von allen Seiten. Er liefert genaue Informationen über die Art der Teilchen und ihre Bewegung. 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.

BLITZSCHNELLE DETEKTOREN

Die Münchner haben das Silizium-Innenleben des Detektors mit entwickelt und einige Teile gebaut.  Dieser muss 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.

Zwei Teilchenarten entwischen jedoch den Kalorimetern: Neutrinos und Myonen. Myonen sind die schweren Geschwister der Elektronen und gehören zur 2. Generation von Elementarteilchen. In unserer heutigen Welt entstehen sie nur noch kurzzeitig, wenn viel Energie im Spiel ist - zum Beispiel dort, wo kosmische Strahlung unsere Atmosphäre bombardiert. Die Myonen aus den Teilchenkollisionen sind besonders wichtige Informationsträger. Um sie einzufangen, besitzt ATLAS einen riesigen Detektor, der ihn in drei Schichten umhüllt. Das Prinzip dieser Myonenkammern ist einfach: Sie bestehen aus Bündeln von 4 Meter langen Aluröhren, die mit einem Zählgas, hauptsächlich Argon, gefüllt sind. Durch das Zentrum der 2,5 Zentimeter dicken Röhren verläuft ein langer Metalldraht, der nur halb so dünn ist wie menschliches Haar. Zwischen Draht und Röhrenwand liegt eine elektrische Spannung an. „Rast ein Myon durch das Zählgas, dann schlägt es aus den Argon-Atomen Elektronen heraus", erklärt Bethke. „Diese driften zum positiv geladenen Draht und erzeugen so ein elektrisches Signal."

Allerdings sollen die riesigen Kammern die Myonen auf mindestens 100 Mikrometer genau orten. Das macht ihre Konstruktion aufwändig. Die Schwerkraft verformt die Kammern in ihren Halterungen, Temperaturschwankungen ändern zudem ihre Geometrie. Diese Änderungen sind zwar winzig, würden aber schon die erforderliche Genauigkeit zerstören. Deshalb besitzt jede Kammer ein aufwendiges Laser-Messsystem, das kleinste Verbiegungen erfasst.

Zur Redakteursansicht
loading content