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LHC-Glossar

ALICE

ALICE ist einer der LHC-Detektoren. Hier werden die Zusammenstöße von schweren Blei-Ionen beobachtet, um einen Materiezustand zu untersuchen, wie er kurz nach dem Urknall existiert haben soll: das Quark-Gluon-Plasma.

Der ALICE-Detektor ist 16 Meter hoch, 16 Meter breit und 26 Meter lang. Er wiegt rund 10.000 Tonnen. Am ALICE-Experiment nehmen mehr als 1000 Wissenschaftler teil, aus 94 Instituten in 28 Ländern (Stand 2006). Die Abkürzung ALICE steht für „A Large Ion Collider Experiment“.

ATLAS

ATLAS ist einer der beiden Vielzweck-Detektoren am LHC.

Wie bei CMS werden hier mehrere physikalische Fragestellungen verfolgt: Insbesondere wurde hier nach dem so genannten Higgs-Teilchen gesucht. Dabei handelt es sich um Teilchen, die mit der Entstehung von Masse in unserem Universum in Verbindung gebracht werden. Zudem wird der Existenz supersymmetrischer Teilchen und zusätzlicher Raumdimensionen nachgegangen. Ferner soll die so genannte CP-Verletzung untersucht werden, die ein wesentlicher Puzzlestein bei der Frage darstellt, wieso in unserem Universum mehr Materie als Antimaterie vorkommt. ATLAS wird auch dem Wesen dunkler Materie und dunkler Energie nachgehen.

ATLAS hat einen Durchmesser von 25 Meter und eine Länge von 46 Meter. ATLAS ist damit rund halb so groß wie die Kirche Notre-Dame in Paris und der größte Teilchendetektor, der jemals an einem Teilchenbeschleuniger gebaut wurde. Der Detektor wiegt 7000 Tonnen.

Der Detektor ist von innen nach außen in drei Bereiche gegliedert. Der innere Detektor dient der Messung von Teilchenspuren. In der Mitte befinden sich Kalorimeter zur Bestimmung der Energie der Teilchen. Daran schließen sich außen die so genannten Myonkammern an, mit denen Myonen, die schweren Varianten der Elektronen, aufgespürt werden. Der ganze Detektor befindet sich in einem sehr starken Magnetfeld, das die Bahnen der entstehenden Teilchen krümmt. Das Magnetsystem setzt sich aus verschiedenen Elementen zusammen. Im Inneren des Detektors befindet sich eine Zylinderspule (Solenoid) von 5,3 Metern Länge und mit einem Durchmesser von 2,4 Metern. Zwischen Kalorimeter und Myonsystem befindet sich zudem ein supraleitendes Toroid-System, mit dem ein Magnetfeld einer Stärke von vier Tesla erzeugt werden kann. Am ATLAS-Experiment nehmen über 1700 Wissenschaftler teil, von mehr als 159 Instituten in 37 Ländern (Stand 2006).

Die Abkürzung ATLAS steht für „A Toroidal LHC ApparatuS“, wo bei sich das „Toroidal“ auf das äußere Magnetsystem bezieht.

CERN

CERN ist das weltgrößte Forschungszentrum für Teilchenphysik. Es liegt an der schweizerisch-französischen Grenze in der Nähe von Genf. CERN beherbergt und betreibt den LHC.

CMS

CMS ist einer der beiden Vielzweck-Detektoren am LHC. Wie bei ATLAS werden hier mehrere physikalische Fragestellungen verfolgt: Insbesondere wurde hier nach dem so genannten Higgs-Teilchen gesucht. Dabei handelt es sich um Teilchen, die mit der Entstehung von Masse in unserem Universum in Verbindung gebracht werden. Zudem sollen supersymmetrische Teilchen und zusätzliche Raumdimensionen aufgespürt werden. CMS wird auch dem Wesen dunkler Materie und dunkler Energie nachgehen.

CMS hat einen Durchmesser von 15 Metern und eine Länge von 21,5 Metern. Der Detektor wiegt rund 12.500 Tonnen. Am CMS-Experiment nehmen rund 2000 Physiker (inklusive 400 Studierende) teil, von mehr als 155 Universitäten und aus 37 Ländern.

Die Abkürzung CMS steht für „Compact Muon Solenoid“, wobei das „Solenoid“ den Magnettypen beschreibt.

Hauptdipolmagnet

Um die Teilchen im LHC auf einer ringförmigen Bahn zu halten, kommen 1232 supraleitende Dipolmagnete zum Einsatz. In ihnen herrscht eine Magnetfeldstärke von 8,4 Tesla (das rund 175.000-fache des Erdmagnetfelds in Mitteleuropa).

Die Dipolmagnete sind 15 Meter lang, jeder wiegt rund 35 Tonnen. Sie stellen den größten Kostenfaktor des Projekts dar: Jeder Magnet kostet rund eine halbe Million Schweizer Franken.

Hauptquadrupolmagnet

392 supraleitende Quadrupolmagnete sorgen für die Bündelung der Teilchenstrahlen. Auf diese Weise wird die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass es zu Zusammenstößen kommt, wenn sich die Teilchenpakete durchdringen. Die Quadrupolmagnete sind zwischen fünf und sieben Meter lang.

Higgs-Teilchen

Die Higgs-Teilchen werden in der allgemein akzeptierten Theorie der Teilchenphysik vorhergesagt, um zu erklären, wie die Teilchen an ihre Masse gelangen. 2012 wurde das Teilchen am CERN entdeckt, die Suche danach erfolgte an den LHC- Experimenten ATLAS und CMS. 2013 gab es den Nobelpreis für die theoretischen Vorhersagen für Peter Higgs und François Englert.

LCG (LHC Computing Grid)

Die Simulation und Auswertung der Ergebnisse der LHC-Detektoren stellt immense Anforderungen an Datenspeicherung und Rechenleistung. Für den LHC wird dabei der Ansatz des Grid Computings verfolgt, bei dem weltweit verteilte Computer zu einem gewaltigen Netzwerk zusammengeschlossen werden.

LHC (Large Hadron Collider)

Der LHC ist der leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger der Welt. Physiker versprechen sich durch die Forschung am LHC ein tieferes Verständnis der Entstehung der Materie und der zugrunde liegenden Kräfte. An insgesamt sechs Detektoren (ATLAS, CMS, LHCb, LHCf, TOTEM und ALICE) werden dabei verschiedene physikalische Fragestellungen verfolgt.

Der LHC befindet sich am europäischen Forschungszentrum CERN. Er wurde in 2008 in Betrieb genommen. Die gigantische Anlage ist in einem unterirdischen Ring von rund 27 Kilometern Länge in einer Tiefe zwischen 50 und 175 Metern untergebracht. Der Beschleuniger kostet rund drei Milliarden Euro (ohne Experimente und Datenverarbeitung, aber inklusive Arbeitskraft).

Im LHC werden Protonen oder Bleikerne auf hohe Energien beschleunigt und dann zum Zusammenstoß gebracht. Die Protonen erreichen dabei eine Energie von jeweils sieben Billionen Elektronenvolt (siebenmal mehr als beim bisher leistungsstärksten Teilchenbeschleuniger, dem Tevatron), die Bleikerne erlangen bis zu 1146 Billionen Elektronenvolt. Um die geladenen Teilchen auf einer kreisförmigen Bahn zu halten, kommen starke supraleitende Magnete zum Einsatz, in denen bei einer Temperatur unter der des Weltalls (minus 271 Grad Celsius) Strom verlustfrei fließen kann.

LHCb

LHCb ist einer der LHC-Detektoren.

An LHCb soll die sogenannte CP-Verletzung anhand des Zerfalls von B-Mesonen untersucht werden. Die CP-Verletzung ist ein wichtiger Puzzlestein bei der Beantwortung der Frage, wieso es in unserem Universum mehr Materie als Antimaterie gibt.

Der LHCb-Detektor nutzt Spurdetektoren auf Halbleiterbasis und so genannte Ring-Tscherenkow-Detektoren zur Teilchenidentifikation. Am LHCb-Experiment nehmen 650 Wissenschaftler teil, von 48 Instituten in 13 Ländern (Stand 2006).

Die Abkürzung „LHCb“ steht für „LHC beauty“, wobei sich das „beauty“ auf die Beauty-Quarks in B-Mesonen bezieht (eine alternative Bezeichnung dieser Teilchen ist „Bottom-Quark“).

LHCf

LHCf ist ein kleinerer der LHC-Detektoren, der sich in der Nähe des ATLAS-Detektors befindet. Hier werden LHC-Teilchen genutzt, um kosmische Teilchen unter Laborbedingungen zu simulieren. Die Ergebnisse sollen dazu dienen werden, um andere Experimente zu kalibrieren.

Am LHCf-Experiment nehmen 22 Wissenschaftler teil, von zehn Instituten in vier Ländern (Stand 2006).

Die Abkürzung „LHCf“ steht für „LHC forward“, wobei sich das „forward“ auf die untersuchten, in Vorwärtsrichtung gestreuten oder produzierten Teilchen bezieht.

SPS

SPS ist einer der Vorbeschleuniger des LHC. Die Abkürzung „SPS“ steht für „Super Proton Synchrotron“.

Supersymmetrie

Die Supersymmetrie sagt voraus, dass es zu den bekannten Teilchen supersymmetrische Partner gibt. Das würde die Zahl der Teilchen mehr als verdoppeln, könnte aber bestehende Fragen der Teilchen- und Astrophysik auf elegante Weise klären. Supersymmetrische Partnerteilchen wurden bisher noch nicht gefunden. Die Suche danach erfolgt an den LHC-Experimenten ATLAS und CMS.

Supraleitung

Viele der Magnetsysteme des LHC und der LHC-Detektoren werden auf tiefe Temperaturen gebracht, um besonders starke Magnetfelder erzeugen zu können. In der Nähe des absoluten Nullpunkts kann in diesen supraleitenden Komponenten Strom verlustfrei fließen.

TOTEM

TOTEM ist ein kleinerer der LHC-Detektoren, der sich in der Nähe des LHC-Detektors CMS befindet. Hier wird unter anderem die Größe des Protons untersucht sowie die Qualität der beschleunigten Teilchenpakete beobachtet (Luminosität).

Das TOTEM-Experiment wird in Vorwärtsrichtung gestreute und produzierte Teilchen untersuchen. Dazu werden Komponenten genutzt, die sich in eigens angefertigten Vakuumkammern in der Nähe des Teilchenstrahls befinden.

Am TOTEM-Experiment nehmen rund 50 Wissenschaftler teil, von zehn Instituten in acht Ländern (Stand 2006). Die Abkürzung „TOTEM“ steht für „TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement“.

Vorbeschleuniger

Bevor die Teilchen im LHC auf ihre endgültige Energie gebracht werden, leisten verschiedene Vorbeschleuniger Vorarbeit. Der Linearbeschleuniger „Linac 2“ erzeugt Protonen mit einer Energie von 50 Millionen Elektronenvolt. Diese werden im Proton Synchrotron „Booster“ auf 1,4 Milliarden Elektronenvolt und anschließend im Proton Synchrotron auf 26 Milliarden Elektronenvolt beschleunigt. In der letzten Vorstufe zum LHC erlangen sie im Super Proton Synchrotron eine Energie von 450 Milliarden Elektronenvolt.