Zwei Personen arbeiten an einem Detektorteil in blauen Licht

ALICE – der Detektor

Das Experiment ALICE will den Urzustand der Materie wieder herstellen, wie er zuvor nur in den ersten Millionstelsekunden des Universums existiert hat. Es geht um die Eigenschaften dieses noch weitgehend unbekannten Zustands aus Quarks, den elementaren Bausteinen unserer Materie, und aus Gluonen, den zugehörigen Botenteilchen, die die Wechselwirkung zwischen den Quarks vermitteln.

Dies ist der Zweite Teil unseres ALICE-Artikels. Zurück zum ersten Teil.

Das ALICE-Logo: orangenes Achteck vor grünem Achteck vor blauem Hintergrund.
Das ALICE-Logo

Heute glaubt man, dass unser Universum mit allem, was dazu gehört, Sternen am Himmel und Leben auf der Erde, aus einem heißen Urknall hervorgegangen ist. Indem sich das junge Universum ausdehnte und abkühlte, entstanden die Bausteine der uns vertrauten Materie und bildeten die Strukturen aus, die wir heute vorfinden, winzige Atome ebenso wie riesige Galaxienhaufen.

Wenige Augenblicke nach dem Urknall befand sich die Materie des Universums in einem Zustand, den die Wissenschaftler als Quark-Gluon-Plasma, kurz QGP, bezeichnen – ein äußerst heißes und komprimiertes Gemenge aus Quarks, den elementaren Bausteinen unserer Materie, und aus Gluonen, den zugehörigen Botenteilchen, die die Wechselwirkung zwischen den Quarks vermitteln. Nur eine Hunderttausendstelsekunde nach dem Urknall ist dieses QGP ausgefroren zu Protonen und Neutronen, den Teilchen, die wir heute im Innern der Atomkerne finden. Quarks und Gluonen sind seitdem fest in den Kernbausteinen eingeschlossen. Ein Stoff ähnlich dem QGP des Urknalls könnte sich derzeit bestenfalls im Innern von Neutronensternen finden, wo die Dichte so hoch ist, dass ein Volumen von der Größe eines Stecknadelkopfes soviel Materie enthält wie die Cheopspyramide in Giseh.

Der ALICE-DetektorDer ALICE-Detektor im Detail

Den Wissenschaftlern von ALICE steht CERNs leistungsfähigster Beschleuniger zur Verfügung, um QGP im Labor zu erzeugen. Bei frontalen Zusammenstößen von Atomkernen im Large Hadron Collider LHC soll die Kernmaterie zusammengedrückt, zerquetscht und erhitzt werden, um sie zurückzuschmelzen ins QGP. Je größer die aufeinander treffenden Kerne, desto besser. Aus diesem Grund hat man bei ALICE Bleikerne gewählt, die mit insgesamt 208 Protonen und Neutronen zu den Schwergewichten unter den möglichen Projektilen zählen. Im Messprogramm sind aber auch leichtere Stoßsysteme vorgesehen, ebenso wie Proton-Kern- und Proton-Proton-Kollisionen.

Die Aufgabe der ALICE-Kollaboration ist es, einen Detektor zu bauen, der für Stöße von schweren Kernen mit einer bisher noch nie dagewesenen Anzahl von Teilchenspuren ausgelegt ist. Die wichtigsten Komponenten werden in unserer Bilderstrecke vorgestellt.

ALICE in Zahlen

  • rund 1000 Mitarbeiter,
    90 Institutionen aus 27 Ländern,
    17 Jahre Planung und Bau.

  • Höhe: 16 m, Länge: 26 m,
    Magnet: 10 000 t,
    Feldvolumen: 1600 m;
    50 m tief unter der Oberfläche.

  • Auflösung: 630 Millionen Pixel.

  • Gesamtkosten: rund 100 Mio Euro.

ALICE in Deutschland

Deutschland ist über die Universitäten Heidelberg, Frankfurt, Münster, die Technische Universität Darmstadt und die Fachhochschulen Köln und Worms beteiligt. Ein weiterer wichtiger Partner ist die Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt.Zu Beginn des Jahres 2007 arbeiteten insgesamt 85 Wissenschaftler und Ingenieure für ALICE, 27 davon waren Doktoranden. Die deutschen Investitionskosten belaufen sich auf rund 18 Millionen Euro.

Deutschland ist verantwortlich für den Übergangstrahlungs-Detektor zur Erkennung von Elektronen und erbringt den größten Beitrag zum Bau der Zeit-Projektionskammer, die die Hauptlast bei der Spurerkennung der in den Kernkollisionen erzeugten geladenen Teilchen trägt.

Für die gesamte Datenerfassung entscheidend ist die deutsche Arbeit am zentralen Triggersystem. Der Ist-Zeit-Trigger von ALICE hat Zugriff auf eine Computerfarm und soll bei einer Verarbeitungszeit von 100 Mikrosekunden pro Kollision die interessanten Ereignisse aus der riesigen Datenflut aussondern.
Für die Auswertung der Daten von ALICE bedeutsam ist der Beitrag der Helmholtz-Zentren FZK und GSI zur Entwicklung einer nationalen e-Science Infrastruktur. Dazu wird ein mehrere tausend Rechner umfassendes so genanntes GRID aufgebaut, zu dem auch die beteiligten Universitäten Frankfurt, Heidelberg und Münster sowohl intellektuell als auch in Hardware beisteuern.