Denn bevor die Teilchen in die eigentlichen HERA-Ringe eingeschossen werden, durchlaufen sie ein ganzes "Anlassersystem" von kleineren Beschleunigern, die den Teilchenstrahl in die richtige Form und auf die richtige Energie bringen.

Der zentrale Beschleuniger- kontrollraum von DESY

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Der zentrale Beschleunigerkontrollraum von DESY.

In den beiden großen, jeweils 6,3 Kilometer langen Beschleunigerringen von HERA erreichen die Teilchen dann ihre Endenergie. Anschließend werden sie "gespeichert": Sie durchfliegen über Stunden hinweg mit beinahe Lichtgeschwindigkeit ihren Rundkurs. An den von den haushohen Detektoren H1 und ZEUS umschlossenen Wechselwirkungspunkten treffen sich die beiden Teilchenstrahlen frontal, dabei prallen einige Elektronen und Protonen mit voller Wucht aufeinander. Die aus der Kollision entstehenden Teilchen stieben in alle Richtungen auseinander und werden schließlich von den Nachweisgeräten registriert.

Was sich hier auf dem Papier so einfach beschreiben lässt, grenzt in Wirklichkeit an ein technisches Wunder. Zweimal 6,3 Kilometer Beschleuniger - das sind über 800 Ablenkmagnete, 1340 Fokussierungsmagnete, 1200 Netzgeräte, 1500 Vakuumpumpen, die alle über kilometerlange Kabel angesteuert werden. Ist der Betrieb erst einmal Routine, so wissen die Physiker im Kontrollraum genau, welchen Wert die einzelnen Magnetfelder haben müssen, welche Netzgeräte welche Eigenheiten haben und wie man einen verloren gegangenen Teilchenstrahl wieder auf die rechte Bahn bringt. Ist die Anlage jedoch neu - und, wie im Fall von HERA, noch dazu eine technologische Neuentwicklung -, so gilt es, die passenden Einstellungen erst einmal geduldig herauszufinden.

19. Oktober 1991, Spannung im Beschleunigerkontrollraum

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Spätschicht im Beschleunigerkontrollraum am 19. Oktober 1991. Bjørn H. Wiik, der "Vater" von HERA, stellt letzte Berechnungen an.

Ein Teilchenstrahl ist kein zusammenhängendes Gebilde. Er besteht vielmehr aus einzelnen "Paketen", auch "Bunche" genannt, die Milliarden von Elektronen oder Protonen enthalten. Der Verantwortliche im Kontrollraum muss also dafür sorgen, dass die Bunche zusammengehalten werden, dass er sie genau auf der vorgeschriebenen Bahn um die Kurve lenkt, dass die Teilchen nicht durch Zusammenstöße mit Restgas im Vakuumrohr gestört werden, dass Elektronen- und Protonenstrahl in den Wechselwirkungspunkten auf Bruchteile von Millimetern genau aufeinander zufliegen und dass die einzelnen Elektronen- und Protonenpakete auch tatsächlich gleichzeitig dort eintreffen! Wenn man dann noch bedenkt, dass die Teilchenstrahlen an den Kollisionspunkten nur Bruchteile von Millimetern Durchmesser besitzen, also so fein sind wie ein menschliches Haar, so erscheint diese Aufgabe praktisch unlösbar.

"Bei HERA sorgt nichts in der Welt dafür, dass sich die Teilchen auch wirklich treffen", stellt Bernhard Holzer fest, einer der beiden Koordinatoren, die für den Betrieb von HERA verantwortlich sind. "Wir beschleunigen hier zwei völlig unterschiedliche Teilchensorten in komplett getrennten Ringen. An zwei Stellen werden die Teilchen über ausgeklügelte Magnetsysteme zusammengeführt. Anders sieht es bei Anlagen aus, in denen Teilchen und Antiteilchen beschleunigt werden. Da diese sich nur in ihrer elektrischen Ladung unterscheiden, können sie in einem einzelnen Strahlrohr umlaufen, sie spüren die gleichen Kräfte und treffen automatisch im gleichen Moment am gleichen Ort ein. Wir dagegen mussten die Maschine erst mühsam auf ihre Aufgabe trimmen."

HERA läuft! Logbucheintrag vom 19. Oktober 1991

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HERA läuft! Ins Logbuch trägt Wiik ein: "Erste e-p-Kollisionen in HERA, 19.10.1991 um 18.50 Uhr".

Um die beiden Teilchenstrahlen überhaupt beherrschen zu können, füllt die HERA-Crew den Beschleuniger in zwei Schritten: Zuerst wird der Protonenstrahl in den Ring eingeschossen, beschleunigt und optimiert. Sind alle Protonenmagnete eingestellt, alle Strahlparameter auf ihrem Sollwert, werden die Protonen vorübergehend "geparkt": Der Strahl läuft dann einige Millimeter oberhalb der Umlaufbahn, die er im Kollisionsbetrieb hat, durch den Ring. Dies lässt der HERA-Mannschaft Zeit, in einem zweiten Schritt den Elektronenring zu füllen. Dieser Vorgang bleibt jedoch nicht ohne Auswirkungen auf den Protonenstrahl, denn dieser fliegt vor und hinter den Kollisionspunkten ebenfalls durch die Elektronenmagnete - jene Magnete, die den Elektronenstrahl bündeln und ihn gleichzeitig auf die Bahn des Protonenstrahls lenken. Dabei wirken die Felder der Elektronenmagnete auch auf die Protonen, und diese Störungen reichen aus, um den Protonenstrahl binnen kürzester Zeit aus der Bahn zu werfen. Während die Elektronen in HERA eingeschossen und beschleunigt werden, müssen die Magnetfelder des Protonenrings also ständig korrigiert werden, um die Störungen zu kompensieren. Sind beide Teilchenstrahlen optimiert, wird der Protonenstrahl auf Kollisionskurs heruntergefahren und der Betrieb "eingerastet". "Dieses Problem war lange ein Spezialfall von HERA, und wir haben Jahre gebraucht, das Verfahren zu optimieren. Heute ist es Routinesache", erläutert Holzer. "Inzwischen hat unser Vorgehen Schule gemacht: An neueren Beschleunigern in Japan und den USA, die ebenfalls getrennte Ringe besitzen, hat man dieses Optimierungsverfahren übernommen."

Bei der ersten Inbetriebnahme einer solch komplexen Anlage kommt so eines zum anderen. Oft vergehen Wochen und Monate des Tüftelns, des Herumprobierens, der Rückschläge und Fortschritte, bevor dann alles stimmt: jedes Magnetfeld genau sitzt, jede Vakuumpumpe durchhält, jedes Netzgerät die richtige Spannung liefert. Am 17. August 1988 war der Elektronenstrahl von HERA zum ersten Mal "durch". Im Herbst 1990 wurde der letzte Protonenmagnet eingebaut, in der Nacht vom 14. zum 15. April 1991 speicherte die HERA-Mannschaft den ersten Protonenstrahl. Am 19. Oktober 1991 hieß es dann "HERA läuft!": Zum ersten Mal stießen in den beiden Wechselwirkungszonen Elektronen und Protonen frontal zusammen.