Ein Detektor für den ILC

Computersimulation einer Teilchenreaktion am Internationalen Linearcollider ILC

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Computersimulation einer Teilchenreaktion am geplanten Internationalen Linearcollider ILC: Die Elektronen und Positronen fliegen jeweils aus entgegengesetzter Richtung durch das Strahlrohr (blau) in den Detektor hinein und prallen in seinem Zentrum zusammen. Die farbigen Spuren und Kreise symbolisieren die Folgen dieses "Kollisionsereignisses".

In dem Internationalen Linearcollider ILC rasen energiereiche Elektronen und Positronen aufeinander zu. Genau in der Mitte der Strecke treffen sich, etwa 14.000-mal in der Sekunde, winzige "Pakete", die jeweils mehr als zehn Milliarden Teilchen enthalten. Beim frontalen Zusammenstoß vernichten sich das Elektron und sein Antiteilchen zu Energie, aus der - wie im Urknall - neue Elementarteilchen entstehen. Diese Reaktionen verfolgen die Teilchenphysiker mit Hilfe eines Detektors. Dieses Nachweisgerät ist so groß wie ein vierstöckiges Haus, steckt voller Hightech und steht in einer acht Stockwerke tiefen Halle. Der am Linearcollider geplante Detektor ist ein so genannter Universaldetektor, der vom Prinzip her den Detektoren am ehemaligen Elektron-Positron-Beschleuniger LEP bei CERN oder am HERA-Speicherring bei DESY ähnelt.

Die Zusammenstöße von Elektronen und Positronen in einem Linearcollider bieten äußerst saubere Experimentierbedingungen. Damit eignet sich der ILC ideal für Messungen höchster Präzision. Der Detektor muss auf genau diese extreme Präzision optimiert sein, damit der Vorteil der Elektron-Positron-Anlage voll zur Geltung kommen kann. Um ein solches Hochpräzisionsgerät zu verwirklichen, müssen die Detektorentwickler weit in technologisches Neuland vordringen.

Schematischer Aufbau eines Detektors

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Schematischer Aufbau eines Detektors in der Teilchenphysik: Die haushohen Nachweisgeräte bestehen aus mehreren Schichten, in denen verschiedene Arten von Teilchen vermessen werden.

Besondere Herausforderungen sind der Vertexdetektor und das Kalorimeter. Der Vertexdetektor stellt von den Anforderungen her einen Quantensprung in der Technologie dar. Diese innerste Detektorkomponente muss den Entstehungsort der Teilchen möglichst dicht umschließen, was hohe Anforderungen an die Strahlungsresistenz der verwendeten Materialien bei gleichzeitig hohem Auflösungsvermögen stellt. Um die Flugstrecke der Teilchen mit der erforderlichen Präzision zu vermessen, muss das Nachweisgerät eine extrem gute Punktauflösung besitzen: Der "Durchstoßpunkt" der Teilchen durch die einzelnen Lagen des Geräts muss mit einer Genauigkeit von wenigen tausendstel Millimetern bestimmt werden können. Der Vertexdetektor soll aus fünf Lagen bestehen, anhand deren die Teilchenspuren eindeutig im Raum festgelegt werden können.

Um die sauberen Experimentierbedingungen des Linearcolliders voll ausschöpfen zu können, muss der Detektor in der Lage sein, ein möglichst komplettes und detailliertes Bild der erzeugten Teilchen zu liefern - also genau zu messen, wie die Teilchen vom Entstehungsort wegfliegen, in welche Richtung sie fliegen, wie viel Energie sie dabei wegtragen usw. Dazu muss auch das Kalorimeter in seinen Eigenschaften die bisher existierenden Nachweisgeräte deutlich übertreffen. Es muss zum Beispiel in besonders feine Segmente aufgeteilt sein, die einzeln ausgelesen werden, um auch eng nebeneinander fliegende Teilchen eindeutig trennen zu können. Die geplante Segmentierung ist etwa hundertmal feiner als bei derzeit existierenden Geräten. Ähnliche Anforderungen gelten für die zentrale Spurkammer, welche die Spuren der Teilchen zehnmal genauer aufnehmen sollte als bisher möglich.

Internationale Entwicklungsarbeiten

An Entwicklungen für den zukünftigen Linearcollider-Detektor arbeiten weltweit mehrere international besetzte Gruppen. So entwickeln ein englisches Team und eine Gruppe aus Frankreich, Deutschland und Großbritannien verschiedene Vorschläge für den Vertexdetektor. Etwa 20 Institute aus Europa, Kanada, den USA, Japan und Russland haben sich zu einem Netzwerk zusammengeschlossen, um gemeinsam einen einsatzfähigen Vorschlag für eine Zeitprojektionskammer, einen zentralen Teil des Spurrekonstruktionssystems, auszuarbeiten. Entwicklungen für das Kalorimeter werden in Italien sowie im Rahmen einer Gruppe aus Deutschland, Frankreich, Großbritannien, der GUS, Südkorea, Tschechien und den USA durchgeführt. DESY spielt eine führende Rolle insbesondere bei Entwicklungsarbeiten zur Zeitprojektionskammer, zum hadronischen Teil des Kalorimeters und zur Instrumentierung der Vorwärtsrichtung.

Neu wird am Linearcollider-Detektor auch die Art und Weise sein, wie die einzelnen Teilchenreaktionen für die Aufzeichnung ausgewählt werden. Im Gegensatz zum LHC oder auch zu HERA, bei denen der größte Teil der Ereignisse aus physikalisch uninteressantem Untergrund besteht, sind die Teilchenreaktionen bei dem Linearcollider ILC so sauber, dass fast jede einzelne physikalisch interessant ist. Anstatt die Teilchenreaktionen unmittelbar bei ihrem Auftritt im Detektor nach bestimmten Kriterien zu selektieren und dabei störende Totzeiten der Nachweisgeräte in Kauf zu nehmen, erlaubt die rasante Entwicklung der Rechnerkapazität es nun, alle Ereignisse beim Linearcollider einfach direkt aufzuzeichnen. Die Daten können anschließend per Computer nach bestimmten Fragestellungen durchforstet werden.

Die große Menge an Daten und die internationale Zusammensetzung der Gruppen, die am ILC arbeiten, erfordern einen effizienten Datenaustausch schon während der Entwicklungsarbeiten. Bereits für den LHC wurde das Modell des Grid-Computings entwickelt, eine besondere Form der weltweiten Vernetzung von Rechnern. Für den ILC wird dieses Konzept eine zentrale Rolle spielen.