Large Hadron Collider

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Dieser Artikel beschreibt den Teilchenbeschleuniger Large Hadron Collider. Für weitere Bedeutungen von LHC siehe LHC (Begriffsklärung).
Large Hadron Collider
(LHC)

Anordnung der verschiedenen Beschleuniger und Detektoren des LHC
Anordnung der verschiedenen Beschleuniger und Detektoren des LHC

Detektoren des LHC
Vorbeschleuniger des LHC

Der Large Hadron Collider (LHC, deutsche Bezeichnung Großer Hadronen-Speicherring) ist ein ringförmiger Teilchenbeschleuniger für Hadronen am Europäischen Kernforschungszentrum CERN bei Genf.

Im LHC werden in Vakuumröhren Hadronen gegenläufig auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und zur Kollision gebracht, um unterschiedliche Elementarteilchen zu erzeugen. Insbesondere erhoffen sich die Wissenschaftler bei diesen Kollisionen den experimentellen Nachweis des bislang nur hypothetischen Higgs-Bosons.

Die unmittelbaren Kosten des LHC beliefen sich auf über drei Milliarden Euro. Die Gesamtkosten wurden über den Etat des CERN gedeckt, der von den 20 Mitgliedstaaten sowie sechs weiteren Staaten mit Beobachterstatus finanziert wurde.

Da die in den Experimenten anfallenden immensen Datenmengen nicht mehr mit vertretbarem Aufwand zentral ausgewertet werden können, wurde parallel zum LHC das LHC Computing Grid (LCG) aufgebaut, in dem die weltweit verteilten Forschergruppen die sie interessierenden Daten dezentral in lokalen Computerclustern auswerten.

Inhaltsverzeichnis

[Bearbeiten] Geschichte

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

Im 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 einigen 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 bereits vorhandene Tunnel des Large Electron-Positron Collider (LEP), wodurch der Bau sehr kosteneffizient wurde.[1]

Erster 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 zur Beschädigung des Kühlsystems der Anlage, daher mussten die ersten Versuche nach neun Tagen wieder eingestellt werden.[2] Der LHC wurde bis August 2009 repariert und am 20. November 2009[3], beginnend mit 450 GeV und abwechselnder Umlaufrichtung, wieder in Betrieb genommen. Am 23. November fanden in den Teilchendetektoren die ersten Proton-Proton-Kollisionen statt. Die erste Publikation, die Daten von LHC-Kollisionen enthält, wurde am 28. November 2009 von der ALICE-Kollaboration veröffentlicht.[4] Am 29. November erreichten die Protonenstrahlen mit 1,05 TeV die Energie des Tevatrons als bisher stärkstem Teilchenbeschleuniger. Drei Stunden später wurden 1,18 TeV erreicht.[5] Während des Winters wurden am Teilchenbeschleuniger Verbesserungen vorgenommen, die seit dem 19. März 3,5 TeV pro Strahl, also eine Schwerpunktsenergie von 7 TeV, erlauben.[6][7]

Am 30. März 2010 wurden die Strahlen fokussiert; um 12:58 Uhr MESZ registrierten die Messgeräte die ersten Kollisionen; bis zum Herunterfahren gegen 17 Uhr waren es eine halbe Million. Alle Verantwortlichen drückten große Zufriedenheit aus, so etwa CERN-Generaldirektor Rolf-Dieter Heuer:[8]

“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

Es ist bereits zwei Jahrzehnte her, dass man am CERN mit einem großen Beschleuniger in einen Bereich „neuer Physik“ vordrang; 1989 war es der LEP. Nun startet der LHC in eine auf 18 – 24 Monate angesetzte Betriebsphase, der eine mehrmonatige Wartungs- und Umbauphase folgen wird. Danach will man die geplante Maximalenergie von 14 TeV erreichen.[8]

[Bearbeiten] Aufbau und Betrieb

Tunnel des LHC vor Einbau der Magneten
Tunnel des LHC in fertigem Zustand

Der LHC wurde in einem bereits vorhandenen Tunnel der Europäischen Kernforschungsanlage CERN nahe Genf mit 26,659 km Umfang installiert. Derselbe Tunnel hatte auch den LEP beherbergt, bis zu dessen Stilllegung im Jahr 2000.

Während im LEP Elektronen und Antielektronen (Positronen) zur Kollision gebracht wurden, werden am LHC je nach Betriebsmodus entweder Protonen oder Bleiionen 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 Schwerpunktsenergie erreichen. Da nun die Feldstärke der Magneten den limitierenden Faktor darstellt, wären weniger gerade Sektionen und dafür längere, schwächer gekrümmte Bogensektionen besser gewesen. Aus Kostengründen wurde auf einen Tunnelumbau aber verzichtet. Neben der gegenüber älteren Experimenten höheren Schwerpunktsenergie, die die Erforschung neuer Energiebereiche ermöglicht, ist auch die hohe Luminosität, die prinzipiell eine bessere Statistik in kürzerer Zeit ermöglicht, ein herausragendes Merkmal des LHC.

Der LHC-Tunnel enthält zwei benachbarte Strahlröhren, in denen zwei Hadronenstrahlen jeweils in entgegengesetzter Richtung umlaufen. Die Strahlröhren kreuzen sich an vier Punkten des Rings, um die Kollision der Hadronen zu ermöglichen.

Für den Protonenmodus im LHC ist eine Schwerpunktsenergie von 14 TeV vorgesehen. Dies entspricht 99,9999991 % der Lichtgeschwindigkeit. 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 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 beschleunigt, bis sie schließlich in den Hauptring des LHC eingefädelt werden und dort ihre endgültige Energie von 7 TeV erreichen. Die Beschleunigung der Protonen erfolgt nach dem Synchrotronprinzip durch ein hochfrequentes elektrisches Wechselfeld und dauert etwa 20 Minuten. Die hochenergetischen Protonen werden dabei durch 1232 supraleitende Dipolmagnete, die ein Feld von bis zu 8,6 Tesla erzeugen, in der Bahn gehalten. Die Stärke des Magnetfeldes und die Frequenz des elektrischen Feldes werden ständig der steigenden Energie der Protonen angepasst. Außerdem kommen 392 ebenfalls supraleitende Quadrupolmagnete zum Einsatz, um die Protonenstrahlen fokussiert zu halten und damit die Kollisionsrate bei der Kreuzung der beiden Strahlen zu erhöhen. Für die Kühlung der Magnete auf ihre Betriebstemperatur von 1,9 Kelvin (= −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.[9] Der LHC ist damit der größte Kryostat, der jemals gebaut wurde.

Die Protonen werden in den Strahlröhren in Pakete mit einem Durchmesser von etwa 16 µm und einer Länge von etwa 8 cm gebündelt. Jedes Paket enthält etwa 115 Milliarden Protonen. Im Vollbetrieb soll der LHC mit etwa 2800 Paketen gefüllt werden, die mit einer Frequenz von 11 kHz umlaufen. Werden die Strahlen gekreuzt, entspricht dies einer Kollision alle 25 Nanosekunden. Damit erreicht der LHC eine Luminosität von 1034 cm-2s-1.[10]

In den anderen großen Ringbeschleunigern mit gegenläufigen Strahlen liefen wie am LEP 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 – erwünschten – hohen Ereignisraten in den Teilchendetektoren.

[Bearbeiten] Experimente

Der CMS-Detektor 2007

Die Kollision der Protonen durch Kreuzung der beiden Protonenstrahlen erfolgt in verschiedenen Kammern entlang des Beschleunigerringes. In den Kammern befinden sich die Teilchendetektoren ATLAS, CMS, LHCb, LHCf und TOTEM, mittels derer die teilchenphysikalischen Messungen durchgeführt werden. Die im Diagramm nicht eingezeichneten Detektoren LHCf und TOTEM befinden sich in den Kammern der vergleichsweise großen Experimente ATLAS beziehungsweise CMS. Die Verwendung von Protonenkollisionen stellt für die angeschlossenen Experimente eine Herausforderung dar, da die aufzuzeichnenden Wechselwirkungen aufgrund der inneren Struktur der Protonen sehr komplex sind.

Wegen dieser Substruktur der kollidierenden Protonen stellt der LHC eine sogenannte Entdeckungsmaschine dar: 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. Aufgrund der Schwierigkeit, Präzisionsmessungen an Hadronbeschleunigern durchzuführen, ist für solche Messungen an am LHC möglicherweise neu entdeckten Teilchen 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 Substruktur besitzen.[11]

Für die Bleikerne ist eine Schwerpunktsenergie von 1146 TeV vorgesehen. Die Bleikerne werden hauptsächlich im ALICE-Detektor zur Kollision gebracht, der eigens für die Messung von Bleikern-Kollisionen gebaut wurde. In geringerem Umfang sind allerdings auch ATLAS und CMS für Untersuchungen von Schwerionen-Kollisionen vorgesehen.

Das erste erfolgreich geglückte Experiment fand am 30. März 2010 kurz nach 13:00 MESZ statt. Hier wurden erstmals Protonen mit einer Schwerpunktsenergie von 7 TeV zur Kollision gebracht. Die Kollisionen wurden von allen vier Detektoren (ATLAS, ALICE, CMS und LHCb) aufgezeichnet.[12]

[Bearbeiten] Kosten

Die unmittelbaren Kosten für das Projekt belaufen sich auf etwa 3 Milliarden Euro. Bei der Bewilligung der Konstruktion im Jahr 1995 wurde ein Budget von 2,6 Milliarden Schweizer Franken (SFr.) (etwa 1,6 Milliarden €) für den Bau des LHC und der unterirdischen Hallen für die Detektoren veranschlagt. Jedoch wurden 2001 zusätzliche Kosten von 480 Mio. SFr. (etwa 300 Mio. €) für den Beschleuniger festgestellt.[13] Allein die supraleitenden Magnete waren für einen Anstieg von 180 Mio. SFr (120 Mio. €) 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 wurden.[14]

[Bearbeiten] Ziele

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

Das wichtigste Ziel des LHC ist der Nachweis des seit Jahrzehnten erfolglos gesuchten Higgs-Bosons, um die Herkunft der Teilchenmassen zu erklären. Das Higgs ist das letzte noch nicht experimentell nachgewiesene Teilchen des Standardmodells der Teilchenphysik. Seine Beobachtung würde die Theorie der spontanen Symmetriebrechung bestätigen, mittels derer die Massen der Quarks und Leptonen sowie der Vektorbosonen in das Standardmodell beziehungsweise in die Glashow-Weinberg-Salam-Theorie der elektroschwachen Wechselwirkung eingeführt werden können. Der Nachweis des Higgs ist insbesondere Aufgabe der Experimente ATLAS und CMS.[15]

Neben dem Higgs-Boson wird am LHC noch nach anderen Teilchen gesucht, die von neueren Theorien jenseits des Standardmodells vorhergesagt werden:

Über die Erforschung von neuen Teilchen und Phänomenen hinaus sind auch Studien zur genaueren Vermessung bereits bekannter Teilchen vorgesehen:

[Bearbeiten] Computing am LHC

Die Simulation der Hadronenkollisionen und der Wechselwirkung der entstehenden Teilchen mit den Detektoren verursacht gewaltige Datenmengen und benötigt enorme Rechenleistung, die durch große Cluster bereitgestellt wird. Um die Effizienz zu erhöhen, wurden weltweit hunderte Cluster in einem Grid vernetzt – dem LHC Computing Grid (LCG). Für die Simulation der Teilchenbahnen im LHC gibt es außerdem das LHC@Home-Projekt, das mit verteiltem Rechnen auch normale Computerbesitzer einbezieht. Dabei wird simuliert, wie sich die Teilchen auf dem Weg durch die Röhre verhalten und ob es durch fehlerhafte Magnetablenkungen zu Schäden kommen kann.[22]

[Bearbeiten] Gegner

Da am LHC eventuell schwarze Mini-Löcher oder seltsame Materie erzeugt werden könnten, gibt es vereinzelte Warnungen vor möglichen Risiken der LHC-Experimente.[23][24] Eine Gruppe um den Chemiker Otto Rössler reichte beim Europäischen Gerichtshof für Menschenrechte eine Klage gegen die Inbetriebnahme des LHC ein. Der damit verbundene Eilantrag wurde vom Gericht abgewiesen.[25] Das Hauptsacheverfahren steht noch aus. Das Bundesverfassungsgericht lehnte die Annahme einer Verfassungsbeschwerde im Februar 2010 ab. [26] 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/Energie aus der Umgebung aufzunehmen, und dass zweitens die natürliche kosmische Strahlung ständig mit noch höherer Energie als im LHC auf unsere Erdatmosphäre trifft, ohne dabei Katastrophen zu verursachen.[27][28][29][30][31][32]

[Bearbeiten] 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 sensible 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 ca. 11.400 GWh im Jahr verbraucht).[33][34] Dabei ist der Energieverbrauch des LHC durch den Einsatz supraleitender Magnete geringer als bei Vorgängerexperimenten wie dem LEP.[35]

[Bearbeiten] Weblinks

 Commons: Large Hadron Collider – Album mit Bildern und/oder Videos und Audiodateien
Wikinews Wikinews: Large Hadron Collider – in den Nachrichten

[Bearbeiten] Einzelnachweise

  1. Lyndon Evans et al – LHC Machine 2008 JINST 3 S08001 doi: 10.1088/1748-0221/3/08/S08001
  2. Pressemitteilung des CERN zum LHC-Vorfall 2008. 16. Oktober 2008, abgerufen am 29. Mai 2009 (englisch).
  3. Ian Sample: Scientists at Cern hold their breath as they prepare to fire up the LHC. The Guardian, Online-Meldung vom 18. November 2009
  4. Veröffentlichung von ALICE-Daten bei arXiv (engl.)
  5. CERN Press Office: LHC sets new world record. Abgerufen am 1. April 2010 (englisch).
  6. Teilchenbeschleuniger verdreifacht Energie-Rekord. Spiegel Online, 19. März 2010, abgerufen am 1. April 2010.
  7. CERN Press Office: LHC sets new record – accelerates beam to 3.5 TeV. 19. März 2010, abgerufen am 1. April 2010 (englisch).
  8. a b CERN Press Office: Offizielles Presse-Statement zu den ersten Teilchenkollisionen. 30. März 2010, abgerufen am 1. April 2010 (englisch).
  9. LHC – Zahlen und Fakten. Abgerufen am 31. März 2010.
  10. P. Buning et al.: LHC design report, CERN 2004-003-v2.
  11. G. Weiglein et al.: Physics interplay of the LHC and the ILC, Phys.Rept. 426, 47–358, 2006.
  12. LHC First Physics Webcast
  13. Maiani, Luciano (16 October 2001). LHC Cost Review to Completion. CERN. Abgerufen am 15. Januar 2001.
  14. Toni Feder: CERN Grapples with LHC Cost Hike. In: Physics Today. 54, Nr. 12, Dezember 2001, S. 21. doi:10.1063/1.1445534. Abgerufen am 15. Januar 2007.
  15. M. Spira et al.: Higgs boson production at the LHC, Nucl. Phys. B 453, 17–82, 1995 (PDF).
  16. I. Hinchliffe et al.: Precision SUSY measurements at CERN LHC, Phys. Rev. D 55, 5520–5540, 1997.
  17. G. C. Nayak: Graviton and Radion Production at LHC: From pp and PbPb Collisions, e-Print: hep-ph/0211395.
  18. S. Dimopoulos, G. Landsberg: Black Holes at the LHC, Phys. Rev. Lett. 87, 161602, 2001.
  19. P. Ball et al.: B Decays at the LHC, Geneva 1999, Standard model physics (and more) at the LHC, 305–417.
  20. W. Bernreuther: Top quark physics at the LHC, J.Phys.G 35, 083001, 2008.
  21. Paolo Giubellino – Heavy Ion Physics at LHC.
  22. Offizielle Homepage von LHC@Home.
  23. Adrian Kent: A critical look at risk assessments for global catastrophes, Risk Anal. 24, 2004, S. 157–168 (englisch)
  24. Rainer Plaga (10. August 2008): On the potential catastrophic risk from metastable quantum-black holes produced at particle colliders. (englisch)
  25. Der Spiegel: Gericht weist Eilantrag gegen Superbeschleuniger ab.
  26. BVerfG: BVerfG lehnt Maßnahmen gegen Superbeschleuniger ab.
  27. J.-P. Blaizot et al.: Study of potentially dangerous events during heavy-ion collisions at the LHC, Report of the LHC safety study group.
  28. Arnon Dar, Alvaro De Rújula, Ulrich Heinz: Will relativistic heavy-ion colliders destroy our planet?, Phys. Lett. B 470, 1999, S. 142–14).
  29. W. Busza et al.: Review of speculative „disaster scenarios“ at RHIC, Rev. Mod. Phys. 72, 2000, S. 1125–1140.
  30. S. B. Giddings/M. L. Mangano (20. Juni 2008): „Astrophysical implications of hypothetical stable TeV-scale black holes“, Proceedings of APS/DPF/DPB Summer Study on the Future of Particle Physics, Snowmass, Colorado, 2001, pp P328.
  31. Stellungnahme zu den Behauptungen von Prof. Rössler, Komitee für ElementarTeilchenphysik (KET) – PDF.
  32. J. Ellis et al.: Review of the Safety of LHC Collisions, Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics, Vol. 35, 115004 (2008).
  33. LHC-Facts – LHC Parameter und Daten
  34. Welt der Physik – LHC-FAQ
  35. ScienceBlogs: „Der kälteste Ort im Universum...“
  36. LHC Commissioning. Abgerufen am 6. Dezember 2009.
  37. CMS Experiment CERN on Twitter. Abgerufen am 6. Dezember 2009.
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