Physik 09.04.2010, 19:45 Uhr

Strahlenkollision mit 7 Teraelektronenvolt  

Am 30. März 2010 um 13 Uhr wurden erstmals am Large Hadron Collider (LHC) zwei gegenläufig umlaufende Strahlen mit je 3,5 TeV aufeinander geführt. In dem Teilchenbeschleuniger des Cern bei Genf wurde damit die höchste jemals bei einem Teilchenexperiment erreichte Energie produziert – für Sekundenbruchteile. Das Ziel: Den letzten Baustein zu finden, einen in der Welt der Elementarteilchenphysik superschweren Verwandten von Proton und Neutron, das Higgs-Boson. VDI nachrichten, Genf, 9. 4. 10, jdb

Mit dem ersten Experiment dieser Art wurde der Startschuss für das eigentlich geplante Forschungsprogramm im Large Hadron Collider (LHC) des Forschungszentrums Cern gegeben, welches weitere Aufschlüsse über den Anfang unseres Weltalls geben soll.

Nach dem Zusammenbruch einiger supraleitender Magnete am Ring des LHC im Jahr 2008 konnte der reparierte Teilchenbeschleuniger erst am 20. November letzten Jahres wieder in Betrieb genommen werden. Man startete mit einem ersten Strahl bei noch verminderter Energie von 0,45 TeV und realisierte am 23. November um 14:22 Uhr am sogenannten Atlas-Detektor die erste Kollision.

Am 30. November wurden dann bereits 1,18 TeV erreicht. Bis zum vorübergehenden Abschalten aus technischen Gründen am 16. Dezember vollzog man am LHC eine erste Kollision mit 2,36 TeV. Die vier Detektoren Alice, Atlas, CMS und LHC verzeichneten zu diesem Zeitpunkt bereits mehr als 1 Mio. Partikelkollisionen. Am 19. März 2010 wurde dann erstmals ein Strahl mit 3,5 TeV realisiert.

Im Vorfeld hatte sich das Fokussieren der beiden Strahlen als eine wahre Sisyphus-Aufgabe herausgestellt – so schwierig, als wenn man zwei Nadeln über den Atlantik aufeinander abschießen wolle. „Der LHC ist ja keine schlüsselfertige Maschine, aber er arbeitet ordentlich. Wir sind eindeutig noch in einer Phase der Inbetriebnahme und es kann Stunden oder auch Tage dauern, bis wir die erste Kollision zustande bringen“, meinte dazu der Generaldirektor des CERN, Rolf Heuer, vor dem großen Experiment.

Der Dienstag vor Ostern begann dann gar nicht so optimistisch: Nach zwei vergeblichen Versuchen – man sprach über Probleme mit der Stromversorgung – musste man sich in Geduld üben. Dann endlich, um 13 Uhr, gelang die erste Kollision mit 7 TeV – was einen Begeisterungssturm bei den Teilnehmern auslöste: Der Sprecher des Atlas-Projekts am Cern, Fabioli Gianotti, zeigte die Ziele auf, denen man nun näher gerückt ist: die Jagd nach der „Dunklen Materie“, nach noch unbekannten Kräften und nach dem „Higgs-Boson“.

Dieses (noch) hypothetische Elementarteilchen ist nach dem englischen Physiker Peter Higgs benannt und eines der Basiselemente, die in der Elementarteilchenphysik vorhergesagt wurden. Es hat keine elektrische Ladung und einen ganzzahligen Spin – typisch für alle Bosonen. Dafür hat es eine Masse, die etwa 160-mal so hoch ist wie die von Protonen und Neutronen – rund 160 GeV.

„Gesehen“ oder nachgewiesen hat dies Teilchen bisher noch niemand. Es muss aber existent sein, weil sonst das Standardmodell der Teilchenphysik hinfällig wäre. Simuliert wurde der Aufeinanderprall zweier Protonen schon früher, wobei Higgs-Teilchen entstanden. Die kombinierten Analysen aus dem Atlas- und dem CMS-Detektor sollten ein so großes Massespektrum abdecken können, so dass die Suche nach dem Higgs-Boson einen großen Schritt nach vorn machen könnte. Supersymmetrische Teilchen lassen sich mit den Daten aus den beiden Detektoren wohl bis zu einer Masse von 400 GeV finden.

Nach der Routinewartung steuern die Forscher Kollisionen mit 14 TeV an

Nachdem nun die erste 7-TeV-Kollision erreicht wurde, soll der LHC zunächst zur Routinewartung heruntergefahren werden. Gleichzeitig sollen die letzten Reparaturen ausgeführt werden, um sich auf den nächsten großen Schritt vorzubereiten: das Erreichen einer Kollision mit 14 TeV (für die der LHC eigentlich ausgelegt wurde). Nachdem der LHC eine „kryogene“ Maschine ist, die bei Tiefsttemperaturen läuft, will man künftig längere Betriebszeiten von 18 bis 24 Monaten einplanen – und dafür längere Pausen machen.

Der Grund: Es wird rund ein Monat gebraucht, um die ganze Anlage wieder auf Raumtemperatur zu bringen und nach den abschließenden Arbeiten einen weiteren Monat, um sie erneut auf Arbeitstemperatur herunterzukühlen. Die ursprünglich geplanten kürzeren Zeiträume machen da wenig Sinn, weil kostbare Zeit dabei verloren geht.

Mit der ersten erfolgreichen 7-TeV-Kollision hat der LHC aber seine Stellung als das wichtigste Instrument für die Hochenergie-Partikelforschung auf der Erde gefestigt. Der bisherige Weltrekord in Sachen Hochenergiestrahlung wurde vom Fermi National Accelerator Laboratory in Batavia, Illinois, gehalten: Der aber blieb noch knapp unter 1 TeV.

PHIL KNURHAHN

Von Phil Knurhahn

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