Umbau für mehr Leistung - Bahn frei für HERA II

Die integrierte Luminosität von HERA

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Die integrierte Luminosität von HERA - ein Maß für die Trefferrate der Elektronen und Protonen im Speicherring - konnte seit der Inbetriebnahme im Jahr 1992 jährlich verbessert werden. Die Messperiode 2000 bildete den krönenden Abschluss der "Phase 1" der HERA-Forschung vor dem aufwendigen Umbau zur Erhöhung der Luminosität.

Die Kurven der bis zur Messperiode 2000 erzielten "Trefferrate" zeigen es klar: Seit der Inbetriebnahme von HERA 1992 ist die Leistung des Beschleunigers unaufhörlich gestiegen. Nahezu alle Parameter erreichten die Designwerte, andere übertrafen sie sogar. Insbesondere lag die integrierte Luminosität - ein Maß für die Anzahl der Teilchenzusammenstöße - im Jahr 2000 weit über den Werten der Jahre davor. Mit der Messperiode 2000 ging die erste Phase der HERA-Forschung zu Ende. Von September 2000 bis Juli 2001 wurde HERA umgebaut. Ziel des "Lumi-Upgrades" war es, die Luminosität des Speicherrings um das Vierfache zu erhöhen, um den Experimenten Zugang zu extrem seltenen Prozessen zu verschaffen und damit HERAs Blick für Teilchen und Kräfte jenseits der gängigen Theorie zu schärfen. Außerdem wurde HERA mit zwei weiteren Paaren von Spinrotatoren ausgerüstet, damit in Zukunft auch H1 und ZEUS den Spin der Elektronen für ihre Fragestellungen nutzen können. Mit dem Umbau ist der Betrieb von HERA allerdings deutlich schwieriger geworden - für die HERA-Crew eine Herausforderung ersten Ranges, die erfolgreiche Entwicklung der letzten Jahre zu wiederholen, um den Experimenten wie gewohnt ideale Messbedingungen zur Verfügung zu stellen.

Der Lumi-Upgrade war ein technisch äußerst ehrgeiziges und anspruchsvolles Projekt: Um die Luminosität derart zu erhöhen, mussten die Querschnitte der Elektronen- und Protonenstrahlen vor dem Zusammenstoß auf ein Drittel ihrer ursprünglichen Fläche verkleinert werden, d.h. von sowieso nur einem hunderstel Quadratmillimeter auf winzige drei tausendstel Quadratmillimeter. Dieser Kraftakt erforderte eine aufwendige Neugestaltung der Wechselwirkungszonen, in denen die Teilchenstrahlen aufeinander gelenkt werden - also genau jener Stellen, die ohnehin zu den technisch anspruchsvollsten der Anlage gehören. Insbesondere mussten die "Magnetlinsen" zur Fokussierung des Elektronenstrahls, die ursprünglich 5,80 Meter von den Kollisionspunkten im Zentrum der Detektoren entfernt waren, bis auf 1,90 Meter an die Kollisionspunkte heran verlegt werden. Die Magnete befinden sich nun innerhalb der Detektoren H1 und ZEUS, die dazu ebenfalls erheblich umgebaut werden mussten. Die Luminositätserhöhung von HERA stellte somit nicht nur an den Beschleuniger selbst, sondern auch an die Experimente H1 und ZEUS enorme technische Anforderungen.

Einbau der tonnenschweren Magnete im HERA-Tunnel

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Die tonnenschweren neuen Magnete werden mit Hilfe der "HERA-Tram" im Tunnel transportiert und aufgestellt.

Neun Monate lang dauerten die Umbauten im Tunnel, an denen 120 Techniker, Wissenschaftler und Ingenieure beteiligt waren. 480 Meter Vakuumsystem wurden ausgetauscht, knapp 80 Magnete neu konstruiert und eingebaut, jeder von ihnen zwischen einem und vier Meter lang und bis zu sieben Tonnen schwer. Wie geplant, war Ende Juli 2001 die letzte Schraube angezogen, das letzte Netzgerät verkabelt. Doch damit fing für die HERA-Crew die eigentliche Arbeit erst an. Eine 6,3 Kilometer lange Hightechmaschine im Routinebetrieb zu beherrschen, ist an sich schon eine Kunst. Nach einem derart aufwendigen Umbau gestaltet sich die Inbetriebnahme der Anlage umso schwieriger. Denn durch die neuen Komponenten verhält sich der Beschleuniger mitunter gänzlich anders als zuvor. Hier gilt es nicht mehr, jene altbekannte Maschine in Betrieb zu nehmen, deren Tücken das HERA-Team nach zehn Jahren Betrieb perfekt beherrschte. Nach dem Umbau entspricht HERA II einem neuen Beschleuniger, dessen Betrieb es von Grund auf kennen zu lernen und zu optimieren gilt.  

Das Aufstellen der Magnete ist Präzisionsarbeit

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Das Aufstellen der schweren Magnete ist Präzisionsarbeit. Auf wenige zehntel Millimeter genau muss hier alles zueinander passen.

Zweimal 6,3 Kilometer Beschleuniger - das sind über 800 Ablenkmagnete, 1340 Fokussierungsmagnete, 1200 Netzgeräte, 1500 Vakuumpumpen, die über kilometerlange Kabel angesteuert werden. Ist der Betrieb erst einmal Routine, so wissen die Verantwortlichen im Kontrollraum genau, welchen Wert die einzelnen Magnetfelder haben müssen, welche Netzgeräte wie angesteuert werden müssen und wie man einen verloren gegangenen Teilchenstrahl wieder auf die rechte Bahn bringt. Ist die Anlage jedoch neu, so gilt es, die passenden Einstellungen erst einmal geduldig herauszufinden.

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 grenzt diese Aufgabe an ein technisches Wunder.

Einige Magnete mussten direkt in die Detektoren eingebaut werden

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Die Magnete, die dem Kollisionspunkt der Teilchen am nächsten sind, mussten direkt in die Detektoren eingebaut werden.

HERA II so in den Griff zu bekommen, dass alle vier Experimente ideale Bedingungen vorfinden, stellte selbst für die geübte HERA-Crew eine technische Herausforderung ersten Ranges dar. Von Anfang an war klar, dass die Luminositätserhöhung nur mit einem wesentlich schwierigeren HERA-Betrieb erreicht werden kann. Die Maschine reagiert seit dem Umbau deutlich empfindlicher auf Veränderungen als zuvor, die Toleranzen sind enger geworden: So wirken sich Fehler in der Aufstellung der Magnete zum Beispiel wesentlich stärker auf die Strahloptik aus als vor dem Lumi-Upgrade. Besonders kritisch sind außerdem die Wechselwirkungszonen der Teilchen mit den speziellen Fokussierungsmagneten, die sich nun innerhalb der Detektoren befinden.

In den hohen Feldern dieser Magnete senden die leichten Elektronen Synchrotronstrahlung aus, die die Datennahme durch die Detektoren stark behindern kann. Durch den Umbau ist die Synchrotronstrahlung im Bereich der Experimente um ein Vielfaches angestiegen, die Anforderungen an die Ausrichtung der Magnete und der Strahlführung sind damit gerade in diesen entscheidenden Bereichen wesentlich höher als zuvor.

Im Herbst 2001 konnte die HERA-Crew die beiden Beschleunigerringe von HERA mit den neu gestalteten Wechselwirkungszonen Nord und Süd in Betrieb nehmen und die Teilchenstrahlen erfolgreich zur Kollision bringen. Dabei erreichte die spezifische Luminosität (die auf die Ströme der Teilchenstrahlen bezogene Luminosität, die ein Maß für die korrekte Überlappung der Teilchenstrahlen und für die Strahlquerschnitte darstellt) bereits Anfang November 2001 80 % des geplanten Werts. Für die Experimente HERMES und HERA-B, die jeweils nur einen der beiden Teilchenstrahlen von HERA nutzen, ließen sich bald gute Strahlbedingungen herstellen. Beide Experimente konnten mit der regulären Datennahme jedoch nur eingeschränkt beginnen, da bei den Kollisionsexperimenten H1 und ZEUS unvorhersehbare Probleme auftraten. Beide litten zunächst unter hohen Untergrundraten, die die Datennahme nahezu unmöglich machten. Anhand systematischer Tests konnte die HERA-Crew in enger Zusammenarbeit mit den Teams der Experimente die Ursachen für die Untergrundprobleme ermitteln und Gegenmaßnahmen planen. Diese wurden in einer 18-wöchigen Betriebsunterbrechung von März bis Juli 2003 umgesetzt. Insbesondere wurden technische Arbeiten am Vakuumsystem des Beschleunigers sowie an einigen Komponenten der Detektoren H1 und ZEUS ausgeführt.

Einbau von neuen Spinrotatoren

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Dank neu eingebauter Spinrotatoren können nun auch die Experimente H1 und ZEUS den Spin der Elektronen für ihre Untersuchungen nutzen.

Dass die vierfache Trefferrate der Teilchen in HERA II tatsächlich erreicht werden kann, zeigte sich kurz vor der Betriebsunterbrechung: In Maschinenstudien erzielte die HERA-Crew einen Spitzenwert der Luminosität von 2,7 x 10³¹ cm^-2s^-1 - einen Wert, der deutlich über der maximalen Luminosität von HERA I liegt. Die beiden Kollisionsexperimente konnten bei stabilen Strahlbedingungen und niedrigen Strahlströmen Daten nehmen. Dem HERA-Team gelang es zudem, alle drei Spinrotatorpaare - von denen zwei während des Lumi-Upgrades eingebaut worden waren - nach einer kurzen Optimierungsphase gleichzeitig in Betrieb zu nehmen und rasch einen Polarisationsgrad der Positronen von etwa 50 % zu erzielen. Im Norden (H1) und Süden (ZEUS) konnten bei eingeschalteten Detektormagneten longitudinal polarisierte Positronen mit Protonen zur Kollision gebracht werden - dies ist nicht nur bei HERA das erste Mal, sondern auch weltweit. Alle vier HERA-Experimente konnten mit den drei eingeschalteten Rotatorpaaren Ereignisse messen. Die longitudinale Polarisation des Positronenstrahls eröffnet für die beiden Kollisionsexperimente und auch für HERMES ein aufregendes neues Experimentierprogramm.

Mit der Betriebsunterbrechung beendete das Experiment HERA-B erfolgreich die erste Messperiode für das im Jahr 2001 aufgenommene neue Physikprogramm. Sowohl die Detektorkomponenten als auch das Datennahmesystem funktionierten einwandfrei. Aus mehreren Millionen Ereignissen, die bei den hochenergetischen Protonenstößen erzeugt wurden, konnten 350000 mit der gewünschten Charakteristik herausgefiltert werden. Es handelt sich um "J/Psi-Resonanzen", die aus einem charm-Quark und seinem Antiteilchen bestehen. Die HERA-B-Physiker konzentrieren sich nun auf die Auswertung der Daten.