Large Hadron Collider

Vorlage:LHC Der Large Hadron Collider (LHC, deutsche Bezeichnung Großer Hadronen-Speicherring) ist ein Teilchenbeschleuniger am Europäischen Kernforschungszentrum CERN bei Genf. In Bezug auf Energie und Häufigkeit der Teilchenkollisionen ist er der größte bislang gebaute Teilchenbeschleuniger der Welt. Er wurde geplant und gebaut von einer Kollaboration von über 10.000 Wissenschaftlern und Technikern aus über 100 Staaten, gemeinsam mit hunderten Universitätslehrstühlen.

Im Synchrotron mit über 26 Kilometern Umfang werden Protonen oder Blei-Kerne gegenläufig auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und zur Kollision gebracht. Die entstehenden Produkte dieser Kollisionen werden in sechs speziellen Detektoren untersucht und die gewonnenen Daten mit Hilfe einer umfangreichen Infrastruktur analysiert. Ziel ist die Erzeugung und die genauere Erfoschung bekannter und vermuteter Elementarteilchen und Materiezustände. Besonderes Augenmerk liegt auf dem Nachweis des Higgs-Bosons, des einzigen experimentell noch nicht sicher nachgewiesenen Teilchens des Standardmodells der Teilchenphysik (Stand 2013). Daneben soll der LHC auch zur Suche nach Physik jenseits des Standardmodells, also neuen Entdeckungen jenseits des etablierten Wissens, dienen.

Bisher (2013) wurden dort zwei vorher nicht nachgewiesene Teilchen gefunden, das χ_b(3P)-Meson und ein massereiches Boson, bei welchem es sich sehr wahrscheinlich um das lange gesuchte Higgs-Boson handelt. Ein Quark-Gluon-Plasma konnte hergestellt und erstmals der seltene Zerfall des B_s⁰-Mesons in zwei Myonen unter Verletzung der CP-Symmetrie beobachtet.

Geschichte

Lage und Größe des LHC-Rings zusammen mit dem kleineren Ring des SPS

Noch während Planung und Bau des Large Electron-Positron Collider (LEP), der im Jahr 1989 in Betrieb ging, wurde über ein Nachfolgeexperiment im selben Tunnel nachgedacht. Ein Symposium im schweizerischen Lausanne bildete 1984 den offiziellen Auftakt für die Arbeiten am LHC. Dass nun nicht mehr Leptonen, sondern Hadronen zur Kollision gebracht werden sollen, führte zum Namen des neuen Beschleunigers. Am 16. Dezember 1994 gab das CERN Council grünes Licht für den Bau eines Beschleunigers mit einer Protonen-Schwerpunktsenergie von 10 TeV. Später sollte dieser auf 14 TeV aufgerüstet werden. Nach einigen Zusagen – sowohl finanzieller Art als auch die Entwicklungsarbeit betreffend – von Nichtmitgliedsstaaten des CERN wurde im Dezember 1996 entschieden, auf den Zwischenschritt von 10 TeV zu verzichten und direkt 14 TeV in Angriff zu nehmen. Schlagendes Argument für den Bau der Maschine am CERN war der vorhandene Tunnel des LEP, dessen Planung bereits die Möglichkeit der Weiternutzung durch den LHC beinhaltete.

Offizieller Start des LHC war am 10. September 2008. An diesem Tag umrundete ein Protonenpaket zum ersten Mal den gesamten Ring. Technische Probleme führten allerdings nach neun Tagen zur Beschädigung des Kühlsystems der Anlage, die Schweißnaht eines supralietenden Kabels hielt der Belastung nicht stand und zerstörte bei iher Explosion einen Heliumtank, dessen Explosion wiederum einen Magneten verschob. Bei diesem „quenchens“ gingen sechs Tonnen flüssigen Heliums verloren und die Versuche mussten zunächst wieder eingestellt werden, die betroffenen Magnete erwärmten sich sehr schnell um etwa 100°C. Nach Wiederinbetriebnahme am 20. November 2009 fanden drei tage später in den Teilchendetektoren die ersten Proton-Proton-Kollisionen statt, weitere sechs Tage später erreichten die Protonenstrahlen mit 1,05 TeV die Energie des Tevatrons, des bis dahin stärksten Teilchenbeschleunigers. Während des Winters 2009/10 wurden am Teilchenbeschleuniger Verbesserungen vorgenommen, die 3,5 TeV pro Strahl, also eine Schwerpunktsenergie von 7 TeV, erlaubten. Am 30. März 2010 fanden erstmals Kollisionen bei dieser Energie statt. Alle Verantwortlichen drückten große Zufriedenheit aus, so etwa CERN-Generaldirektor Rolf-Dieter Heuer:

“It’s a great day to be a particle physicist. A lot of people have waited a long time for this moment, but their patience and dedication is starting to pay dividends.”

„Heute ist ein großer Tag für Teilchenphysiker. Viele Leute haben lange auf diesen Moment gewartet, doch nun beginnt sich ihre Geduld und ihr Engagement auszuzahlen.“

– Rolf Heuer, Generaldirektor des CERN

Im Laufe des Jahres konnte die Kollisionsrate weiter gesteigert werden und Daten für zahlreiche Analysen gesammelt werden. Nach einer planmäßigen Pause im Winter 2010/11 wurden bis 30. Oktober 2011 weitere Daten im Protonenmodus gesammelt, gefolgt von einer kurzen Phase mit Bleikollisionen. Dabei konnte die angestrebte Zahl an Proton-Kollisionen deutlich übertroffen werden.

Nach einem erneuten Shutdown im Winter 2011/12 fanden zwischen dem 5. April 2012 und dem 17. Dezember 2012 wieder Proton-Kollisionen statt, dabei konnte die Energie auf 4 TeV pro Proton gesteigert werden. Danach folgten erneut Bleikollisionen und zusätzlich Kollisionen zwischen Bleiionen und Protonen.

Seit Ende Februar 2013 befindet sich der LHC in der ersten längeren Umrüstungsphase, die voraussichtlich bis 2015 andauern wird.^[veraltet] In dieser Zeit soll der Beschleuniger für seine maximale Energie vorbereitet werden.

Aufbau und Betrieb

Tunnel des LHC vor Einbau der Magnete

Tunnel des LHC in fertigem Zustand

Prototyp eines Dipolmagneten

Beschleunigerring

Bau- und Funktionsweise

Der LHC wurde in einem bereits vorhandenen Tunnel der Europäischen Kernforschungsanlage CERN installiert. In diesem Tunnel war zuvor der Large Electron-Positron Collider bis zu dessen Stilllegung im Jahr 2000 installiert. Die Tunnelröhre von etwa 3,80 Metern Querschnitt hat einen Umfang von 26,659 km und liegt (mit einer leichten Neigung von 1,4 %) in 50 bis 175 Meter Tiefe, der Beschleunigerring ist nicht exakt kreisförmig sondern besteht aus acht Kreisbögen und acht geraden Abschnitten. Große Teile der Beschleunigerringe und auch einige unterirdische Experimentierplätze befinden sich geographisch auf französischem Staatsgebiet, gehören aber trotzdem administrativ zur Schweiz. Die größten Experimentiereinrichtungen, die zum Betrieb des LHC nötigen Vorbeschleuniger und der Kontrollstand befinden sich in Meyrin in der französischsprachigen Schweiz.

Der LHC-Tunnel enthält zwei benachbarte Strahlröhren, in denen zwei Hadronenstrahlen in entgegengesetzter Richtung umlaufen. Die Strahlröhren kreuzen sich an vier Punkten des Rings, um die Kollision der Teilchen zu ermöglichen. In den Strahlröhren herrscht ein Ultrahochvakuum, damit möglichst selten ein beschleunigtes Teilchen mit einem Gasmolekülen der Restluft zusammenstößt, der Restdruck dieses Vakuums lieg bei etwa 10⁻¹⁶ mbar, das ist etwa ein Zehntel des Atmosphärendrucks auf dem Mond. Auch die Magnete und die Helium-Versorgungsleitungen sind von einem Isoliervakuum umgeben, um den Wärmefluss zu ihnen hin möglichst klein zu halten. Vom Volumen her ist das Isoliervakuum der Magnete vergleichbar damit, eine Kathedrale von etwa 9.000 m³ luftleer zu pumpen.

Während im LEP Elektronen und Positronen (also die Antiteilchen zueinander) zur Kollision gebracht wurden, werden am LHC je nach Betriebsmodus entweder Protonen oder Bleikerne beschleunigt und zur Kollision gebracht. Da diese Hadronen eine viel größere Masse als Elektronen haben, verlieren sie weniger Energie durch Synchrotronstrahlung und können eine weitaus größere Energie erreichen. Den limitierenden Faktor für die erreichbare Energie stellt nun die Feldstärke der Magnete dar, deshalb wären weniger gerade Sektionen und dafür längere, schwächer gekrümmte Bogensektionen im Ring besser gewesen. Aus Kostengründen wurde aber auf einen Tunnelumbau verzichtet. Die hochenergetischen Teilchen werden im LHC durch 1232 supraleitende Dipolmagnete aus Niob-Titan in ihrer Bahn gehalten, diese erzeugen durch Stromstärken von 11.850 A ein Feld von bis zu 8,6  Tesla. Die Stärke des Magnetfeldes und die Frequenz des elektrischen Feldes werden ständig der steigenden Energie der Teilchen angepasst. Außerdem kommen 392 ebenfalls supraleitende Quadrupolmagnete zum Einsatz, um die Teilchenstrahlen fokussiert zu halten und um die Kollisionsrate bei der Kreuzung der beiden Strahlen zu erhöhen. Für die Kühlung der Magnete auf ihre Betriebstemperatur von 1,9 K (= −271,25 °C) sind knapp 60 Tonnen flüssiges Helium notwendig, nachdem mit 10.080 Tonnen flüssigem Stickstoff auf −193,2 °C (80 K) vorgekühlt wurde. Der LHC ist damit der größte Kryostat, der jemals gebaut wurde. Das Kühlmittel Helium liegt im suprafluiden Zustand vor, was eine besonders gute Wärmeleitfähigkeit bedingt.

Beim Betrieb der Beschleunigeranlage müsen neben den Gezeiten, die den Umfang des Rings um etwa 1 mm verändern, auch der Wasserstand des Genfer Sees und andere Störeinflüsse von Außen berücksichtigt werden.

Neben der gegenüber älteren Experimenten höheren Schwerpunktsenergie, die die Erforschung neuer Energiebereiche ermöglicht, ist die hohe Luminosität ein herausragendes Merkmal des LHC, da so mehr Daten in kürzerer Zeit gesammelt werden können.

Protonenmodus

Für den Protonenmodus im LHC war eine Schwerpunktsenergie von 14 TeV vorgesehen. Dies entspricht 99,9999991 % der Lichtgeschwindigkeit. Bisher erreicht wurden 8 TeV, ab 2015 sollen Kollisionen mit etwa 13 TeV möglich sein^[veraltet]. Um solche Energien zu erreichen, werden die Protonen nacheinander durch eine Reihe von Systemen beschleunigt: Zuerst werden die Protonen in einem Linearbeschleuniger auf eine Energie von 50 MeV (0,05 GeV) gebracht. Danach werden sie mittels der bereits vor dem Bau des LHC existierenden Ringe des Proton Synchrotron Booster, des Proton Synchrotron und des Super Proton Synchrotron auf 450 GeV (0,45 TeV) beschleunigt, bis sie schließlich in den Hauptring des LHC eingefädelt werden und dort ihre endgültige Energie erreichen. Die Beschleunigung der Protonen erfolgt nach dem Synchrotronprinzip durch ein hochfrequentes elektrisches Wechselfeld und dauert etwa 20 Minuten.

Die Protonen werden in den Strahlröhren in Paketen gebündelt. Die Länge dieser Pakete beträgt einige Zentimeter, der Durchmesser etwa 1 mm – in der Nähe der Kollisionszone wird der Strahl aber auf eine Breite von etwa 16 µm komprimiert. Jedes Paket enthält über 100 Milliarden Protonen. Im Vollbetrieb soll der LHC mit etwa 2800 Paketen gefüllt werden, die mit einer Frequenz von 11 kHz umlaufen. Die Protonen eines Strahls können bis zu einem Tag in der Strahlröhre umlaufen und legen in dieser Zeit eine Strecke von 26 Milliarden Kilometern zurück, das entspricht dem sechsfachen Abstand zwischen Erde und Neptun.

Werden die Strahlen gekreuzt, folgt daraus eine Protonenpaket-Kollision alle 25 Nanosekunden. Insgesamt werden in jedem Paket nur etwa 20 Protonen in der Kollisionszone tatsächlich aufeinandertreffen, das sind dann bis zu 600 Millionen Kollisionen pro Sekunde. Der LHC soll eine Luminosität von 10³⁴ cm⁻²s⁻¹ erreichen. Die bisher in Proton-Kollisionen erreichte maximale Luminosität liegt bei 0,76·10³⁴ cm⁻²s⁻¹ mit 1374 Paketen.

Bleimodus

Zur Herstellung eines Strahls von Blei-Atomkernen wird zunächst hochreines Blei auf etwa 550°C erhitzt und der entstehende Bleidampf von einem Elektronen-Strahl ionisiert. Unter den zahlreichen unterschiedlichen Ladungszuständen werden die am häufigsten auftretenden ²⁰⁸Pb²⁹⁺-Ionen ausgewählt und auf 4,2 MeV pro Nukleon beschleunigt. Danach dient eine Kohlenstoff-Folie als „Stripper“, d. h. beim Durchgang durch die Folie verlieren die meisten Bleiionen weitere 25 Elektronen, liegen also nun als Pb⁵⁴⁺-Ionen vor. Diese Bleiionen werden im Low Energy Ion Ring (LEIR) auf 72 MeV pro Nukleon beschleunigt, nachfolgend im Proton Synchrotron (PS) auf 5,9 GeV pro Nukleon. Beim Durchgang durch eine zweite Stripperfolie verlieren die Bleikerne alle verbliebenen Elektronen, liegen also nun als Pb⁸²⁺ vor. Schließlich werden diese Kerne im Super Proton Synchrotron (SPS) auf 117 GeV pro Nukleon beschleunigt und in den LHC eingespeist, der sie auf 2,76 TeV pro Nukleon bringt. Insgesamt ist also für jeden Bleikern eine Schwerpunktenergie von 1146 TeV vorgesehen.

LHC im Vergleich zu LEP und Tevatron

In den anderen großen Ringbeschleunigern mit gegenläufigen Strahlen wie am LEP und am Tevatron liefen Teilchen mit entgegengesetzten Ladungen in den beiden Strahlrohren mit entgegengesetztem Umlaufsinn um. Durch die relativistische Lorentzkraft erfuhren sie dabei im selben Abschnitt der Dipolmagnete bei gleicher Ausrichtung des Magnetfeldes die erforderliche Ablenkung nach innen, die sie auf ihrer ringförmigen Bahn hielt. Beim LHC tragen die gegenläufigen Protonen bzw. Bleiionen jedoch die gleiche Ladung. Daher werden sie dort in den beiden Strahlrohren innen und außen in entgegengesetzt gerichteten Sektionen des ringförmig geschlossenen Magnetfelds der Dipolmagnete nach innen abgelenkt. Die Entscheidung für Protonen im zweiten Strahl statt Antiprotonen wie etwa am Tevatron erleichtert das Erreichen einer hohen Luminosität. Die hohe Teilchendichte an den Wechselwirkungspunkten führt zu den erwünschten hohen Ereignisraten in den Teilchendetektoren.

Detektoren

Der CMS-Detektor 2007

→ Hauptartikel: Teilchendetektor

Die Verwendung von Protonenkollisionen stellt für die Detektorsysteme eine Herausforderung dar, da die aufzuzeichnenden Wechselwirkungen aufgrund der inneren Struktur der Protonen sehr komplex sind.

Die Kollision der Protonen durch Kreuzung der beiden Protonenstrahlen erfolgt in verschiedenen Kammern entlang des Beschleunigerrings. In den unterirdischen Kammern befinden sich die Teilchendetektoren ATLAS, CMS, LHCb, ALICE, LHCf und TOTEM. Die im obigen Diagramm nicht eingezeichneten Detektoren LHCf und TOTEM befinden sich in den Kammern der vergleichsweise großen Experimente ATLAS beziehungsweise CMS. Daneben wird es noch spezielle Experimente mit Detektoreinheiten zur Untersuchung bestimmter Fragestellungen geben, etwa MoEDAL für die Suche nach magnetischen Monopolen, Relikten mikroskopischer Schwarzer Löcher und supersymmetrischer Teilchen. Die Zielrichtung der vier großen Detektorsysteme lässt sich grob folgendermaßen zusammenfassen:

Detektor	Beschreibung
ATLAS	Suche nach dem Higgs-Boson und nach etwaigen Substrukturen der derzeit kleinsten Bausteine der Materie, Leptonen und Quarks. Am ATLAS-Experiment nehmen etwa 7000 Forscher aus über 200 Instituten weltweit teil.
CMS	Suche nach dem Higgs-Boson und nach Hinweisen auf Supersymmetrie, Studium Kollision schwerer Ionen. Die CMS-Gruppe umfasst etwa 3200 Personen aus 200 wissenschaftlichen Instituten.
ALICE	Untersuchung des extrem dichten und energiereichen Quark-Gluon-Plasmas, dem Materiezustand unmittelbar nach dem Urknall. Über 1000 Mitarbeiter (Physiker, Ingenieure und Techniker).
LHCb	Unter anderem spezialisiert auf die Untersuchung von Zerfällen von Hadronen, die ein bottom- oder charm-Quark enthalten, Präzisionsmessungen zur CP-Verletzung oder zu seltenen Zerfällen als sensitive Tests des Standardmodells.

Die Bleikerne werden hauptsächlich im ALICE-Detektor zur Kollision gebracht, der eigens für die Messung von Bleikern-Kollisionen gebaut wurde. In geringerem Umfang untersuchen auch ATLAS und CMS Schwerionen-Kollisionen. Außerdem können im LHC auch Bleikerne mit Protonen zur Kollision gebracht werden, was von allen vier großen Detektoren untersucht wird.

Datenanalyse

Die Menge der im Betrieb des LHC anfallenden Daten durch aufgezeichnete Detektorsignale und Computersimulationen wird auf 15 Millionen Gigabyte pro Jahr geschätzt. Alleine die Daten des CMS-Detektors sind vergleichbar mit einer 70 Megapixel-Kamera, die 40 Millionen Bilder pro Sekunde macht. Bemerkenswert ist, dass diese Datenmenge nur deshalb mit aktueller Technik beherrschbar ist, weil ausgeklügelte Trigger auf Hard- und Softwareebene einen Großteil der Messignale vor jeder Verarbeitung oder dauerhaften Speicherung bereits verwerfen. In der ersten Triggerstufe werden von den Daten der Millionen Strahlkreuzungen pro Sekunde etwa 75.000 ausgewählt, von diesen passieren weniger als ca. 1.000 die zweite Triggerstufe. Nur von diesen Ereignissen werden die Daten in Ereignisfilter analysiert und schlussendlich etwa 200 Ereignisse pro Sekunde tatsächlich gespeichert.

Aber auch um diese reduzierte Datenmengen zu verarbeiten, wird eine große Rechnerleistung benötigt, die durch etwa 150 weltweit verteilte Computercluster aufgebracht wird. Diese Rechencluster sind zu einem Netzwerk, dem LHC Computing Grid, vernetzt.

Für die Simulation der Teilchenbahnen werden im LHC@Home-Projekt auch normale Computerbesitzer eingebunden, die nach dem Prinzip des verteilten Rechnens die Rechenleistung ihres Privatcomputers zur Verfügung stellen können.

Stromversorgung

Haupteinspeisepunkt für die Versorgung des CERN mit elektrischer Energie ist das 400-kV-Umspannwerk Prevessin, welches über eine kurze Stichleitung mit dem 400-kV-Umspannwerk Bois-Toillot in Verbindung steht. Eine weitere Einspeisung erfolgt mit 130 kV in der Station Meyrin. Von diesen Einspeisepunkten führen 66-kV- und 18-kV-Erdkabel zu den größeren Umspannpunkten, wo eine Umspannung auf die Betriebsspannung der Endgeräte (18 kV, 3,3 kV und 400 V) erfolgt. In den Experimentierstationen befinden sich auch Notstromaggregate mit Leistungen von 275 kVA und 750 kVA. Für empfindliche Geräte ist eine unterbrechungsfreie Stromversorgung vorgesehen.

Der Speicherring benötigt eine elektrische Leistung von 120 MW; zusammen mit dem Kühlsystem und den Experimenten ergibt sich ein Leistungsbedarf von etwa 170 MW. Wegen der höheren Stromkosten wird der LHC im Winter teilweise abgeschaltet, so dass sich die benötigte Leistung auf 35 MW reduziert. Der maximale Jahresenergieverbrauch des LHC wird mit 700–800 GWh angegeben (zum Vergleich: im Kanton Genf werden etwa 11.400 GWh im Jahr verbraucht). Dabei ist der Energieverbrauch des LHC durch den Einsatz supraleitender Magnete geringer als bei Vorgängerexperimenten wie dem LEP.

Forschungsziele

Physiker hoffen, dass der LHC bei der Beantwortung einiger fundamentaler Fragen helfen kann. Hier geht es um nichts geringeres als die Frage nach den Grundkräften, der Struktur von Raum und Zeit und dem Zusammenhang zwischen Quantenphysik und Relativitätstheorie. Die Daten des LHC werden entweder die Vorhersagen des gängigen Standardmodells der Elementarteilchenphysik bestätigen oder aufzeigen, dass gravierende Korrekturen im physikalischen Weltbild nötig sind.

Wegen der Substruktur der kollidierenden Protonen ist der LHC eine „Entdeckungsmaschine“: Die streuenden Teilchen sind nicht die Protonen selbst, sondern die darin enthaltenen Partonen, also Gluonen und Quarks. Daher ist der Anfangszustand der Streuung, insbesondere die Kollisionsenergie der beteiligten Partonen, nicht bekannt. Damit ist es einerseits möglich, trotz konstanter Energie der Protonen in einem großen Energiebereich nach neuen Teilchen zu suchen, andererseits wird die präzise Vermessung der Teilcheneigenschaften eingeschränkt.

Das Higgs-Boson

Feynman-Diagramm der Vektorbosonfusion, einem prominenten Prozess zur Erzeugung von Higgs-Bosonen

Eine der Hauptaufgaben des LHC ist die Suche nach dem Higgs-Boson, dem letzten noch nicht endgültig nachgewiesenen Teilchen des Standardmodells der Teilchenphysik. Am 4. Juli 2012 berichteten die Forschergruppen an den Detektoren ATLAS und CMS, dass sie ein neues Boson gefunden haben. Ob dieses das vom Standardmodell beschriebene Higgs-Boson ist, muss durch Vermessung seiner Eigenschaften noch geklärt werden. Das Higgs-Boson würde die Theorie der spontanen Symmetriebrechung bestätigen, mittels derer die Massen der Elementarteilchen in das Standardmodell beziehungsweise in die Glashow-Weinberg-Salam-Theorie der elektroschwachen Wechselwirkung eingeführt werden können. Vereinfacht gesagt bestätigt das Higgs-Boson die Existenz des sogenannten Higgs-Feldes. Dieses ist im Universum allgegenwärtig und führt durch Wechselwirkung mit den Elementarteilchen zu deren Masse – während ohne Higgs-Feld der Umstand, dass die Elementarteilchen und damit auch die daraus aufgebauten Körper eine Masse besitzen, nicht erklärt werden kann.

Präzisierung von Standardmodellparametern

Aufgrund des gegenüber früheren Beschleunigern höheren Energiebereichs und der höheren Datenrate ist der LHC geeignet, die Eigenschaften bereits nachgewiesener Elementarteilchen und von Teilen des Standardmodells genauer zu bestimmen, als dies in Vorgängerexperimenten möglich war. So konnte am Vorgängerexperiment Tevatron das schwerste der bisher bekannten Elementarteilchen, das Top-Quark, zwar nachgewiesen werden, seine Eigenschaften aber aufgrund der geringen Anzahl der produzierten Teilchen (und der daraus resultierenden schlechten Statistik) nur sehr ungenau bestimmt werden. Am LHC dagegen werden Top-Quarks in großer Anzahl erzeugt, er ist damit die erste sogenannte „t-Fabrik“. Dies ermöglicht das genauere Studium der Eigenschaften dieses Teilchens.

Bisher (2013) wurden am LHC neben dem vermutlich als Higgs-Boson zu identifizierenden massereichen Bson noch ein weiteres Teilchen erstmals nachgewiesen, das χ_b(3P)-Meson.

Ein weiteres wichtiges Forschungsfeld ist die Erforschung der Materie-Antimaterie-Asymmetrie im Universum. Diese Asymmetrie beschreibt die Beobachtung, dass das sichtbare Universum ausschließlich aus Materie und nicht aus Antimaterie aufgebaut ist, obwohl beim Urknall nach gängigen Theorien Materie und Antimaterie in gleichen Mengen entstanden. Das Studium der B-Physik, schwerpunktmäßig am LHCb-Experiment, soll helfen, die CKM-Matrix genauer zu vermessen. Diese Matrix enthält einen CP-verletzenden Anteil, der einen wichtigen Baustein für die Erklärung der Materie-Antimaterie-Asymmetrie darstellt. Die Größe der durch das Standardmodell vorhergesagten CP-Verletzung kann jedoch die beobachtete Asymmetrie nicht erklären, so dass die Messungen auch nach Abweichungen vom Standardmodell suchen. Dazu dient auch die Erforschung des seltenen Zerfalls des B_s⁰-Mesons in zwei Myonen unter Verletzung der CP-Symmetrie, der erstmals am LHC beobachtet wurde.

Physik jenseits des Standardmodells

Prozess in einem supersymmetrischen Modell: Ein Gluon g und ein Down-Quark $d_{R}$ wandeln sich in ihre jeweiligen Superpartner um. Diese zerfallen in die leichtesten Superpartner ${\tilde {\chi }}_{1}^{0}$, die durch fehlenden Gesamtimpuls indirekt registriert werden können.

Über die Überprüfung des Standardmodells und der genaueren Vermessung seiner Parameter hinaus wird am LHC auch intensiv nach Hinweisen für über das Standardmodell hinausgehende Physik gesucht, sogenannte Physik jenseits des Standardmodells (englisch physics beyond the Standard Model). Die mit Abstand meiste Arbeit wird dabei in das Auffinden von Signalen möglicher Hinweise auf Supersymmetrie investiert. Supersymmetrie liefert direkte Erweiterungen des Standardmodells (z. B. das minimale supersymmetrische Standardmodell), und in diesen Modellen neu auftauchende Teilchen wie der leichteste Superpartner stellen eine mögliche teilchenphysikalische Erklärung für die in der Astrophysik auftauchende Dunkle Materie dar. Weiterhin ist Supersymmetrie Bestandteil der meisten Modelle, die die drei Wechselwirkungen des Standardmodells vereinigen (sogenannte Große vereinheitlichte Theorien) und notwendig für Superstringtheorie. Üblicherweise wird angenommen, dass viele Superpartner eine Masse im Bereich von ungefähr 100 GeV bis 1 TeV haben, und damit prinzipiell am LHC erzeugt und vermessen werden können. Ein typisches Signal für Supersymmetrie wäre die Erzeugung elektrisch neutraler leichtester Superpartner, mögliche Teilchen dunkler Materie, die vom Detektor nicht registriert werden können und sich damit bei der Rekonstruktion des gesamten Kollisionsprozesses über den fehlenden Impuls bemerkbar machen können.

Eine weitere untersuchte Möglichkeit für Physik jenseits des Standardmodells sind auf Grund ihrer geringen Größe bislang unentdeckte Raumdimensionen. Die Extradimensionen könnten sich bemerkbar machen durch verstärkte Wechselwirkung mit Gravitonen, durch den Nachweis von Kaluza-Klein-Teilchen, oder durch die Erzeugung kurzlebiger mikroskopischer schwarzer Löcher.

Quark-Gluon-Plasma

Der im Vergleich zu Protonenkollisionen seltener angewandte Betriebsmodus der Kollision von Bleikernen dient dazu, kurzzeitig ein sehr hochenergetisches Plasma quasifreier Quarks und Gluonen zu erzeugen, ein sogenanntes Quark-Gluon-Plasma. Am Detektor ALICE werden auf diese Weise die Bedingungen nachgebildet und untersucht, wie sie gemäß dem Urknallmodell kurz nach dem Urknall geherrscht haben.

Kosten

Die unmittelbaren Kosten für das Projekt, ohne die Detektoren, belaufen sich auf etwa 3 Milliarden Euro. Bei der Bewilligung der Konstruktion im Jahr 1995 wurde ein Budget von 2,6 Milliarden Schweizer Franken (damals entsprechend 1,6 Milliarden €) für den Bau des LHC und der unterirdischen Hallen für die Detektoren veranschlagt. Jedoch wurden 2001 zusätzliche Kosten von 480 Millionen Schweizer Franken (etwa 300 Millionen €) für den Beschleuniger festgestellt. Allein die supraleitenden Magnete waren für einen Kostenanstieg von 180 Millionen Schweizer Franken (120 Millionen €) verantwortlich. Außerdem gab es technische Schwierigkeiten beim Bau der unterirdischen Halle für den Compact Muon Solenoid, teilweise aufgrund von defekten Teilen, die von den Partnerlaboratorien Argonne National Laboratory, Fermilab und KEK zur Verfügung gestellt worden waren.

Zukunft

Die Laufzeit des LHC wird voraussichtlich 2030 enden. Bis zu diesem Zeitpunkt bestehen jedoch vielfältige Planungen. Ursprünglich sollte der LHC nach rund zweijährigem Betrieb Ende 2011 in eine längere Umrüstungsphase von 15 bis 18 Monaten gehen, um die bestehenden Verbindungen zwischen den Magneten auszutauschen und den Beschleuniger auf 7 TeV (Schwerpunktenergie 14 TeV) vorzubereiten. Im Januar 2011 wurde jedoch entschieden, die Laufzeit vor der Umrüstungsphase um ein Jahr zu verlängern, bis Ende 2012, später wurde dieser Termin auf Anfang 2013 verschoben. Der Grund für die Entscheidung lag an der hervorragenden Leistung des Beschleunigers im ersten Betriebsjahr, so dass Anzeichen eventueller neuartiger Teilchen schon nach dreijähriger Laufzeit zu erwarten waren - was sich mit der Entdeckung eines neuen Elementarteilchens bestätigte. Die Umrüstung begann im Februar 2013 und soll bis 2015^[veraltet] andauern. Danach soll die Protonenenergie voraussichtlich 6,5 TeV erreichen.

Für 2018^[veraltet] ist eine längere Umrüstungsphase von 12 bis 15 Monaten geplant, um die Luminosität noch weiter zu steigern. Die inneren Detektoren von ATLAS, ALICE, CMS und LHCb werden deshalb ersetzt, um eine höhere Auflösung zu erhalten. Um die Luminosität zu erhöhen, werden neue Quadrupole eingesetzt, deren Prototypen bereits heute konstruiert werden. Durch die neuen Quadrupole kann der Teilchenstrahl besser fokussiert werden. Da die Teilchenpakete jedoch nicht frontal kollidieren, sondern unter einem bestimmten Winkel, durchdringen sich die Protonenpakete nicht vollständig. Ein anderes Konzept sieht daher vor, durch spezielle Kavitäten (Crab Cavities) die länglichen Teilchenpakete kurz vor dem Interaktionspunkt so zu drehen, dass sie möglichst zentral kollidieren.

Nach einigen weiteren Jahren sind weitere Verbesserungen vorgesehen. Welche davon umgesetzt werden, wird unter anderem von den Entdeckungen bis dahin abhängen. Ein Konzept ist die Umrüstung des LHC auf noch höhere Energien (High Energy LHC). Dazu müsste die Feldstärke sämtlicher Dipolmagnete von ihrem gegenwärtigen Wert (8,3 Tesla) auf 20 Tesla erhöht und neuartige Quadrupole eingesetzt werden. Dadurch könnten Energien von 16,5 TeV (Schwerpunktenergie: 33 TeV) erreicht werden. Jedoch würde darunter die Luminosität leiden, da nur noch halb soviele Teilchenpakete beschleunigt werden könnten. Ein anderes Konzept sieht weitere Erhöhungen der Luminosität vor, ohne die Energie zu erhöhen. Dazu kann die Zahl der umlaufenden Teilchen sowie ihre Fokussierung weiter gesteigert werden. Auch eine Umrüstung zu einem Elektronen-Hadronen-Collider ist möglich.

Aufgrund der Schwierigkeit, Präzisionsmessungen an Hadronbeschleunigern durchzuführen, ist für solche Messungen an Teilchen, die am LHC möglicherweise neu entdeckt werden, bereits ein Nachfolgeexperiment geplant, der Leptonenbeschleuniger International Linear Collider (ILC). Am ILC sollen Elektronen und Positronen zur Kollision gebracht werden, die im Gegensatz zu Protonen keine bekannte Substruktur besitzen.

Gegner

Da am LHC eventuell mikroskopische schwarze Löcher oder seltsame Materie erzeugt werden könnten, gibt es vereinzelte Warnungen vor möglichen Risiken der LHC-Experimente. Eine Gruppe um den Biochemiker Otto Rössler reichte beim Europäischen Gerichtshof für Menschenrechte eine Klage gegen die Inbetriebnahme des LHC ein. Der damit verbundene Eilantrag wurde im August 2008 vom Gericht abgewiesen. Das deutsche Bundesverfassungsgericht lehnte die Annahme einer Verfassungsbeschwerde im Februar 2010 wegen fehlender grundsätzlicher Bedeutung und mangelnder Aussicht auf Erfolg ab. Fachwissenschaftler stellten wiederholt fest, dass vom LHC und anderen Teilchenbeschleunigern keine Gefahren ausgehen. Tragende Argumente sind hierbei, dass erstens die theoretisch möglichen, mikroskopischen schwarzen Löcher unmittelbar zerstrahlen würden, anstatt wie befürchtet immer mehr Masse bzw. Energie aus der Umgebung aufzunehmen, und dass zweitens die natürliche kosmische Strahlung ständig mit noch höherer Energie als im LHC auf die Erdatmosphäre und auf andere Himmelskörper trifft, ohne dabei Katastrophen zu verursachen.

Literatur

• Don Lincoln: Die Weltmaschine: Der LHC und der Beginn einer neuen Physik. Spektrum Akademischer Verlag, 2011, ISBN 978-3-8274-2463-1. 
• Jörg Resag: Die Entdeckung des Unteilbaren: Quanten, Quarks und der LHC. Springer DE, 2010, ISBN 978-3-8274-2485-3 (google.com [abgerufen am 19. Juli 2013]). 

Weblinks

Commons: Large Hadron Collider – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien

 Wikinews: Large Hadron Collider – in den Nachrichten

• Homepage des LHC am CERN
• LHC ein Leitfaden (PDF-Datei, 26 MB), 68-seitige Broschüre des CERN über den LHC, Oktober 2009 (Destination Universe. The incredible journey of a proton in the Large Hadron Collider (PDF-Datei, 155 MB), 56-seitige Broschüre des CERN über den Weg eines Protons im LHC (englisch))
• Informationen zum LHC – Daten, Fakten und Funktionen (private Seite)
• LHC Portal – Webportal zu informativen und aktuellen Seiten des CERN über den Beschleuniger und die Detektoren, das vom CERN offiziell verlinkt wird (englisch)
• weltmaschine.de – offizielle Website der deutschen LHC-Forscher mit aktuellen Geschichten und Hintergrund-Informationen
• Ausführliche Seite über den LHC auf Welt der Physik
• Bilder- und Videosammlung rund um den LHC auf dem CERN Document Server
• „Die Urknallmaschine – ein Film von Gert Baldauf – präsentiert von Norbert Frischauf“ eine LHC/CERN-Dokumentation des ORF aus dem Jahr 2009, als Video-on-demand abrufbar

Einzelnachweise

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