Globe of Science and Innovation

Das CERN – ein Reisebericht

Im Juli dieses Jahres bekam der Seminarkurs „Teilchenphysik“ am Helmholtz-Gymnasium in Karlsruhe nach einer fast einjährigen Vorbereitungsphase die Möglichkeit, die Europäische Organisation für Kernforschung – kurz CERN – zu besuchen. Die Erlebnisse eines Teilnehmers könnt ihr in diesem Reisebericht nachlesen.

Knapp dreißig Minuten von Genf in der Schweiz entfernt, erreicht man das Hauptgelände des CERN bequem mit der Stadtbahn. Das Institut, das sich in unmittelbarer Nähe zur französischen Grenze befindet, wurde 1954 gegründet und über die Jahre immer weiter bis über die Grenze nach Frankreich ausgebaut.

Die erste Station unserer Tagesbesichtigung war das Besucherzentrum. Dort hörten wir einen kurzen Vortrag über die Teilchenphysik und das CERN allgemein. Neben knapp 2400 Angestellten beherbergt das CERN zusätzlich über zehntausend Gastwissenschaftler unterschiedlicher Nationalitäten. Früher für die Forschung an Atomkernen vorgesehen, wurde das CERN im Lauf der Jahre ein wichtiger Standort für die Teilchenphysik. Diese beschäftigt sich mit noch kleineren Teilchen – den Bestandteilen der Atomkerne. Über die Jahre wurden dann mehrere Beschleunigerringe gebaut, die der Erforschung der kleinsten Teilchen dienen. 

LHC und ATLAS-Detektor

Modell des LHC-Beschleunigerrings
Modell des LHC-Beschleunigerrings

Der bekannteste Beschleunigerring ist der knapp 27 Kilometer lange Large Hadron Collider (LHC). Er beschleunigt kleine Bündel von Protonen oder Bleiionen in entgegengesetzte Richtungen auf beinahe Lichtgeschwindigkeit und lässt die Teilchen dann aufeinandertreffen. Um die Teilchen auf solche enormen Energien zu bringen, sind mehrere Vorbeschleuniger nötig – insgesamt fünf.

Die neuen Teilchen, die aus den Kollisionen entstehen, werden durch vier Großdetektoren erfasst. Sie heißen ATLAS, CMS, LHCb und ALICE. Der ATLAS- und der CMS-Detektor sind auf die Erforschung und den Nachweis des sogenannten Higgs-Teilchens ausgelegt, das im Juli diesen Jahres wahrscheinlich nachgewiesen wurde. Der endgültige Beweis steht allerdings noch aus.

In der CERN-eigenen Ausstellung „Microcosm“ wird das Standardmodell der Teilchenphysik sehr anschaulich erklärt. Neben einem kleinen Modell des ALICE-Detektors gibt es auch eine Nachbildung eines Tunnelabschnitts des LHC. So bekommt man einen guten Eindruck, wie dieser Tunnel aufgebaut ist. Auch ein Originalteil des früheren UA1-Detektors, an dem die sogenannten W- und Z-Bosonen entdeckt wurden, gibt es in der Ausstellung zu bewundern.

Nach der Einführung ging es zum Hauptkontrollzentrum des ATLAS-Detektors. Um die Ausmaße des ATLAS-Detektors besser zu veranschaulichen, wurde auf der Frontseite des Gebäudes der Aufbau schematisch im Maßstab 1:2 von einem Künstler aufgemalt. Der Kontrollraum selbst ist für Besucher zwar von außen einsehbar, jedoch nur für Mitarbeiter zugänglich, die wir durch eine große Scheibe beobachten konnten.

Strahlrohr im LHC
Strahlrohr im LHC

Über verschiedene Tafeln werden dort die aktuellen Werte der technischen Geräte im Tunnel und am ATLAS-Detektor selbst angezeigt. So können die Wissenschaftler bei möglichen Fehlern oder kritischen Zuständen des Systems das laufende Experiment abbrechen und potenzielle Gefahren vermeiden. Auf weiteren großen Bildschirmen werden zudem die aktuellen Messdaten der Experimente angezeigt, um die Abläufe im Tunnel zu überwachen. Man kann sich übrigens den Status des Strahls und weitere Informationen live auf der ArrayWebseite des CERN ansehen.

Während des Betriebs ist der Tunnel des LHC nicht begehbar. So war es uns leider nicht möglich, den ATLAS-Detektor im Original zu betrachten. Dafür wurde uns aber ein beeindruckendes, zehnminütiges 3D-Video über den Zusammenbau des gigantischen ATLAS-Detektors gezeigt.

Enorme Datenmengen

Besonders imponierend für uns war die enorme Menge an Daten, die am LHC anfällt: Beinahe ein Petabyte an Daten pro Sekunde entsteht, wenn die kleinen Protonenpakete, die aus bis zu hundert Milliarden Protonen bestehen können, aufeinandertreffen.

Querschnitt eines Quadrupolmagneten
Querschnitt eines Quadrupolmagneten

Um bei dieser gewaltigen Flut an Daten die Übersicht zu bewahren, werden die aufgezeichneten Ergebnisse in mehreren Schritten gefiltert. Ein Computerprogramm ist darauf spezialisiert, in drei Selektionsschritten „unwichtige“ Daten zu verwerfen und die interessanten herauszufiltern. Diese werden dann weltweit an andere Forschungsinstitute weitergeleitet und dort genauer untersucht.

Die nächste Station unseres CERN-Besuchs war die „Magnettesthalle“ die sich fünf Kilometer weiter auf der französischen Seite des CERN befindet. Dort wurden die über zweitausend großen Dipol- und Quadrupolmagnete des LHC hergestellt und getestet.

Die Beschleunigung der Protonen erfolgt zwar durch wechselnde elektrische Felder, jedoch sind große Magnetfeldstärken nötig, um die Teilchen auf ihre Kreisbahn zu lenken und auf einen gebündelten Strahl zu fokussieren. Um die hohen Magnetfeldstärken von bis zu neun Tesla zu erreichen, bestehen die Magnete aus 15 Meter langen supraleitenden Spulen, die auf 1,9 Kelvin (etwa minus 271 Grad Celsius) gekühlt werden müssen.

Innerhalb der Spulen befinden sich zwei parallel liegende Strahlrohre, in denen die beiden Protonenstrahlen in entgegengesetzte Richtungen verlaufen.

Ein CERN-Besuch lohnt sich für jeden

Der letzte Punkt unseres Aufenthaltes war die Besichtigung des „Globe of Science and Innovation“, welcher sich gegenüber des Besucherzentrums befindet. Dort befindet sich eine weitere Ausstellung über die Teilchenphysik und den LHC. Neben mehreren kleinen Exponaten der Detektoren gibt es auch interaktive Informationstische, an denen man sich über den Ablauf der Experimente und über die Detektoren informieren kann. Zudem wird stündlich ein interessanter Film über die Grundfragen der Teilchenphysik und die einzelnen Teilchen gezeigt.

Im „Globe of Innovation and Science“
Der „Globe of Innovation and Science“ von innen

Wie im Flug vergingen beinahe fünf Stunden voller Teilchenphysik, LHC, Higgs und Co. und ich habe einen sehr guten Eindruck von der Arbeitswelt der Physiker am CERN bekommen.

Ständig hatte man die Möglichkeit, weitere wissenswerte Informationen über die Welt der kleinsten Teilchen zu erfahren. Sowohl für Teilchenphysikexperten als auch für Neulinge lohnt sich ein Besuch im CERN allemal. 

Für mich war dies sicherlich nicht der letzte CERN-Besuch, denn ständig gibt es neue wissenschaftliche Erkenntnisse im Bereich der Teilchenphysik, an denen das CERN oft beteiligt ist, und das somit auch immer neue Anreize für einen Besuch bietet.

Wie kann ich CERN besuchen?

Tobias konnte CERN mit seinem Physik-Kurs besuchen. Aber auch dort, wo es dieses Angebot nicht gibt, können Schülerinnen und Schüler zu einem Besuch bei CERN kommen.

Im ArrayNetzwerk Teilchenwelt können Jugendliche Teilchen- und Astroteilchenphysik hautnah erleben. Bei Workshops in Schulen, Schülerlaboren oder Museen werden sie für einen Tag zu Teilchenforschern, werten echte CERN-Daten aus, weisen Teilchen aus dem Weltall nach und diskutieren mit Wissenschaftlern.

Wer noch mehr wissen will, macht selbst im Netzwerk mit, gibt seine Erkenntnisse weiter oder entwickelt eigene Projekte. Besonders engagierte Jugendliche erhalten dann die Möglichkeit, an Workshops oder Projektwochen am CERN in Genf teilzunehmen.