Der LHC (Large Hadron Collider) befindet sich am europäischen Teilchenphysikzentrum CERN in der Nähe von Genf. Schon jetzt steht fest, dass er die Teilchenphysik der nächsten zehn bis zwanzig Jahre prägen wird. Sein Bau war eine technologische Herausforderung ersten Ranges.

Der LHC ist ein knapp 27 Kilometer langer Teilchenbeschleuniger, der Protonen und geladene Atomkerne auf hohe Energien und dann zum Zusammenstoß bringt. An vier großen Experimenten (ATLAS, CMS, LHCb und ALICE) untersuchen Physiker, was bei diesen Kollisionen geschieht.

Infovideo über den LHC

Die ersten beschleunigten Teilchen waren im Herbst 2008 im Beschleuniger, doch wegen eines Schadens in einem Segment verzögerten sich die wissenschaftlichen Arbeiten. Die ersten Teilchenkollisionen fanden dann im November 2009 statt.

Energie

Mit einer Kollisionsenergie von bis zu 14 Billionen Elektronenvolt wird der LHC für lange Zeit der leistungsfähigste Teilchenbeschleuniger der Welt sein. Am LHC können dabei Reaktionen bei Energien untersucht werden, die eine Größenordnung höher sind als die Energien, die an bisherigen Teilchenbeschleuniger erreicht wurden.

Da die im LHC beschleunigten Protonen aus Quarks und Gluonen zusammengesetzt sind und nur diese Teilchen miteinander wechselwirken, stehen nicht die gesamten 14 Billionen Elektronenvolt zur Verfügung. Die Kollisionsenergie der Protonen ist aber hoch genug, um Reaktionen zwischen diesen Bestandteilen zu erzeugen, die immer noch im Bereich von Billionen Elektronenvolt liegen.

Der LHC kann alternativ mit schweren Ionen betrieben werden, wobei die pro Kollision frei werdende Energie 1150 Billionen Elektronenvolt beträgt. Dreißigmal mehr als am Schwerionenbeschleuniger RHIC in Brookhaven (USA), der die derzeit höchste Energie für Schwerionenkollisionen liefert.

Tunnel

Der LHC befindet sich in einem knapp 27 Kilometer langen Tunnel in einer Tiefe von 50 bis 175 Metern. Die Anlage verläuft unter der schweizerisch-französischen Grenze, der Großteil liegt dabei unter französischem Staatsgebiet. Der Tunnel hat einen Durchmesser von 3,8 Metern und beherbergte bis zum Jahr 2000 den Teilchenbeschleuniger LEP.

Supraleitende Magnete

Zu den wichtigsten Komponenten des Beschleunigers gehören die supraleitenden Magnete, welche die Teilchen auf ihrer Bahn halten. Eine große Herausforderung stellte dabei die einwandfreie Produktion dieser rund 1300 Dipolmagneten dar. In ihnen herrschen Magnetfeldstärken von neun Tesla, wie sie noch nie zuvor in einem Beschleuniger erreicht wurden. Die jeweils 15 Meter langen Dipolmagnete wurden speziell für den LHC entwickelt. Sie beinhalten zwei Vakuumröhren für die Teilchen und einen Kryostaten zur Kühlung.

Die Dipol- und Quadrupolmagnete, die zur Steuerung und Bündelung der Teilchenstrahlen notwendig sind, werden bei einer Temperatur von 1,9 Kelvin betrieben, der Rest des Beschleunigers bei 4,5 Kelvin.

Auch die Beschleunigungsstrukturen, die für jeden Protonenstrahl ein Beschleunigungsfeld von fünf Megavolt pro Meter erzeugen, arbeiten supraleitend. Die Supraleitungstechnologie findet somit im LHC eine Anwendung von bisher unerreichtem Ausmaß.

Forschungsprogramm

Allgemein werden von den Experimenten am LHC fundamentale Entdeckungen erwartet, die das derzeitige Verständnis der Materie und ihrer Wechselwirkungen erweitern – allem voran die Entdeckung von Higgs-Teilchen und von supersymmetrischen Teilchen. Der am LHC zugängliche Energiebereich stellt einen Schlüsselbereich für die Teilchenphysik dar, der den Zugang zu möglichen neuen physikalischen Phänomenen jenseits des Standard-Modells der Teilchenphysik eröffnet.

Der LHC wird es erlauben, alle im Standard-Modell möglichen Massenwerte für das Higgs-Teilchen zu erforschen und den entsprechenden Parameterbereich verwandter Szenarien zu überdecken. Falls es in der Natur tatsächlich vorkommt, kann das Higgs-Boson den LHC-Experimenten nicht entrinnen. Wenn hingegen die elektroschwache Symmetriebrechung – also die Tatsache, dass sich die elektroschwache Kraft bei sinkender Energie des Universums in elektromagnetische und schwache Kraft aufgespalten hat – durch andere Mechanismen bewirkt wird, so müsste man Anzeichen dieser neuen Wechselwirkungen am LHC entdecken. Supersymmetrische Teilchen mit Massen von bis zu drei Billionen Elektronenvolt können am LHC erzeugt und nachgewiesen werden. Bisher ist kein überzeugendes Szenario aufgezeigt worden, bei dem die Signale der Supersymmetrie grundsätzlich außer Reichweite des LHC lägen.

Viele weitere neue Phänomene sind denkbar, die am LHC gefunden werden können: Anzeichen für mögliche höhere Raumdimensionen; schwere, mit den W- oder Z-Teilchen verwandte Bosonen, die neuen Symmetrien entspringen, und vieles mehr. Zusätzlich verspricht das Experimentieren am LHC, die Messung von fundamentalen Parametern des Standard-Modells zu verfeinern, insbesondere, was die Eigenschaften schwerer Teilchen wie der W-Bosonen und der Top-Quarks betrifft.

Das Forschungsprogramm mit B-Mesonen beruht auf der außerordentlich hohen Zahl von Paaren von Bottom-Quarks und Anti-Bottom-Quarks, die bei den Proton-Proton-Zusammenstößen im LHC produziert werden. Diese ist für die Untersuchung sehr seltener Reaktionen beziehungsweise von Zerfällen mit CP-Verletzung von Bedeutung, an denen sich neue Phänomene erkennen lassen.

Das Schwerionenprogramm des LHC schöpft seine Stärke aus der hohen Materiedichte, die bei der Kollision schwerer Ionen erzeugt werden kann. Damit können experimentelle Bedingungen für Reaktionen erzeugt werden, wie sie kurz vor dem so genannten QCD-Phasenübergang etwa \(10^{-6}\) Sekunden nach dem Urknall existierten, bevor aus den ursprünglich vorhandenen freien Quarks und Gluonen Hadronen wurden.

Luminosität

Damit die sehr seltenen, interessanten Wechselwirkungen der Quarks und Gluonen im Proton hinreichend häufig auftreten, muss eine hohe Luminosität erreicht werden. Diese Größe beschreibt die Zahl der möglichen Wechselwirkungen pro Zeit.

In der Vergangenheit erreichten Hochenergiebeschleuniger Luminositäten von typischerweise \(10^{32}\) Kollisionen pro Sekunde und Quadratzentimeter (\(\mathrm{cm^{-2}s^{-1}}\)). Die Luminosität des LHC wird \(\mathrm{10^{34}\,cm^{-2}s^{-1}}\) betragen, ein Wert, in dessen Nähe die bei niedriger Energie laufenden B-Mesonen-Fabriken kürzlich zum ersten Mal vorgestoßen sind.

Bei LHC erreicht man diese hohe Luminosität dadurch, dass die beiden Vakuumröhren mit 2808 Protonenpaketen gefüllt werden, wobei jedes Paket \(10^{11}\) Protonen beinhaltet. Der daraus resultierende große Strahlstrom von 0,56 Ampere ist bei einem Beschleuniger mit empfindlichen supraleitenden Magneten, die bei niedrigsten Temperaturen betrieben werden, eine besondere Herausforderung. Die Protonenpakete werden für ungefähr zehn Stunden in der Anlage gespeichert, bis die Zahl der Wechselwirkungen durch Protonenverluste so weit abgesunken ist, dass ein Nachfüllen erforderlich ist. Technische Möglichkeiten, die Luminosität substantiell über \(\mathrm{10^{34}\,cm^{-2}s^{-1}}\) hinaus zu steigern, werden untersucht für den Fall, dass die Ergebnisse der LHC-Experimente einen solchen Ausbau physikalisch sinnvoll erscheinen lassen.

Internationalität

Sowohl der Beschleuniger als auch die vier Detektoren wurden in weltweiter Kooperation von Forschergruppen aus bis zu 37 Ländern entwickelt und gebaut.