Eine Detailansicht des Pixeldetektors des CMS-Detektors am Large Hadron Collider.

Projekt im Dezember: Der CMS-Detektor bei höchsten Energien

Verbundforschung gefördert durch das BMBF
Physik bei höchsten Energien mit dem CMS-Experiment am LHC

Das CERN bei Genf ist die mit Abstand bedeutendste Großforschungsanlage für Kern- und Elementarteilchenphysik. Der dortige Large Hadron Collider, kurz LHC, ist der größte und leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger der Welt. In einem 27 Kilometer langen Ring rasen Atomkerne im Kreis und prallen gezielt aufeinander. Mithilfe unterschiedlicher Detektoren untersuchen Physiker die Teilchen, die in diesen Kollisionen entstehen. 2012 konnten sie auf diese Weise das vorhergesagte Higgs-Teilchen nachweisen. Seither wurde der LHC grundlegend aufgerüstet und im März 2015 wieder in Betrieb genommen. Die Kollisionsenergie beträgt bis zu 14 Teraelektronenvolt.

Durch die höhere Kollisionsenergie können Physiker sowohl die Eigenschaften des Higgs-Teilchens genauer untersuchen als auch einen bislang unerforschten Bereich der Physik entdecken. Dabei soll der LHC mit höchsten Teilchenkollisionsraten laufen – mit über 1,5 Milliarden anstatt wie bisher mit rund 600 Millionen Kollisionen pro Sekunde. Das stellt extreme Anforderungen an die Datenaufzeichnung, Auswertung und auch an die Lebensdauer einzelner Komponenten der Detektoren. Im Rahmen des sogenannten Phase-1-Upgrades werden daher bis zum Jahr 2018 – parallel zum Messbetrieb – einzelne Komponenten des CMS-Detektors verbessert und ausgetauscht.

Ein signifikanter Beitrag der deutschen Forschungsgruppen im Rahmen dieses Verbundprojektes ist der Austausch des Pixeldetektors. Dieser ermöglicht eine noch feingliedrigere Rekonstruktion der Spuren, die geladene Teilchen im Detektor hinterlassen. Eine weitere Verbesserung, bei der deutsche Gruppen wesentlich beitragen, betrifft den Nachweis von Myonen. Um die Messung von schnellen Myonen zu verbessern, haben die Gruppen ein innovatives Nachweiskonzept erarbeitet und umgesetzt. Begleitet werden die Arbeiten der Experimentalphysiker durch die Entwicklung von phänomenologischen Modellen zu den Vorgängen vor, während und nach der Teilchenkollision, um in den Daten mögliche Abweichungen von Vorhersagen des Standardmodells entdecken zu können.

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung fördert dieses Verbundprojekt im Zeitraum von Juli 2015 bis Juni 2018 mit rund 14 Millionen Euro. 

Fördersumme: 14 157 530 €

Förderzeitraum: 01.07.2015 bis 30.06.2018

Förderkennzeichen: 05H15VKCCA05H15PACC105H15GUCC105H15PMCCA

Beteiligte Institutionen: Karlsruher Institut für Technologie, Technische Hochschule Aachen, Universität Hamburg, Universität Münster, Deutsches Elektronen-Synchrotron

Seitdem der Large Hadron Collider am Forschungszentrum CERN in seine zweite Betriebsphase mit höheren Kollisionsenergien eingetreten ist, übertrifft er die Erwartungen: Es finden weit mehr Teilchenkollisionen statt als ursprünglich vorgesehen. Mit den neuen Daten wollen Wissenschaftler das 2012 erstmals nachgewiesene Higgs-Teilchen genauer erforschen und nach neuer Physik jenseits des Standardteilchenmodells suchen. Im Rahmen der Verbundforschung fördert das BMBF den Beitrag von deutschen Forschergruppen am CMS-Detektor – einem der beiden großen Experimente am LHC.

2012 war es so weit: Wissenschaftler konnten am Teilchenbeschleuniger LHC am Forschungszentrum CERN das lange gesuchte Higgs-Boson nachweisen, das laut dem Standardmodell der Teilchenphysik anderen Teilchen ihre Masse verleiht. Der Nachweis gelang, indem Protonen im 27 Kilometer langen unterirdischen Ringtunnel des LHC auf höchste Energien beschleunigt und schließlich zur Kollision gebracht wurden. Die „Trümmerteile“ dieser Kollisionen sind teils extrem kurzlebige Teilchen, deren Masse, Ladung und Spur von den beiden großen Detektoren, ATLAS und CMS, vermessen werden.

Der Nachweis des Higgs-Teilchens war erst der Anfang für den 2009 in Betrieb genommenen LHC – schließlich ist eine Laufzeit bis voraussichtlich 2035 vorgesehen. Von 2013 bis 2015 wurde der LHC aufwendig umgerüstet, um noch höhere Kollisionsenergien von bis zu 13 Teraelektronenvolt zu ermöglichen. Zum Vergleich: Der Nachweis des Higgs-Teilchens gelang bei Kollisionsenergien von rund 8 Teraelektronenvolt. Dabei gilt: Je höher die Kollisionsenergien, desto schwerere und seltenere Teilchen können erzeugt werden.

Der CMS-Detektor ist geöffnet, davor befindet sich eine Hebebühne.
Arbeiten am CMS-Detektor

„Der Beschleuniger läuft besser als erhofft“, sagt Lutz Feld von der RWTH Aachen. „Als der LHC geplant und gebaut wurde, gab es eine Zielvorgabe für die instantane Luminosität. Das ist ein Maß dafür, wie viele Proton-Proton-Wechselwirkungen pro Sekunde stattfinden. Der LHC hat dieses Ziel bereits dieses Jahr schon zu fünfzig Prozent übererfüllt.“ Allerdings führt das auch zu neuen Problemen.

Prinzipiell sind mehr Teilchenkollisionen ein Erfolg, denn die Jagd nach neuen Teilchen und neuer Physik ist auch eine Jagd nach extrem seltenen Ereignissen. Im LHC finden derzeit rund eine Milliarde Protonenkollisionen pro Sekunde statt. „Alle Bereiche aus der Teilchenphysik, die wir mit dem LHC erforschen – also die Physik des Higgs-Teilchens, die Physik des Standardmodells sowie die Suche nach neuer Physik – profitieren von mehr Ereignissen. All unsere Messungen sind letztendlich ein Zählexperiment“, berichtet Feld.

Um mit der gesteigerten Teilchen- und Datenflut fertig zu werden, müssen die Detektoren am LHC aufgerüstet und erweitert werden. Beim CMS-Detektor betrifft das vor allem die innerste Schicht des zylinderförmigen Detektors, den sogenannten Pixeldetektor. Dieser ist nur wenige Zentimeter vom Kollisions- und Wechselwirkungspunkt entfernt und besteht aus zahlreichen winzigen, rechteckigen Siliziumpixeln. Werden diese Pixel von einem geladenen Teilchen durchquert, fließt ein winziger Strom und die Teilchenspur kann somit aufgezeichnet werden. Derzeit besteht der Pixeldetektor aus drei aufeinanderfolgenden Lagen: Für jedes Teilchen gibt es also idealerweise drei Datenpunkte, aus denen sich seine Spur rekonstruieren lässt.

„Im Pixeldetektor entstehen beim Durchqueren der Teilchen Einschlagpunkte, die durch die Elektronik verarbeitet werden. Wenn das aber zu viele werden, wird die Datenverarbeitung schon im Detektor überlastet“, so Feld. „Dann dauert es zu lange, die ganzen Daten aus dem Detektor nach draußen zu schreiben und als Folge davon sind bestimmte Detektorelemente jeweils für einen kurzen Moment inaktiv, weil sie noch mit den alten Teilchen beschäftigt sind.“ Aus diesem Grund ist eine Verbesserung des CMS-Pixeldetektors notwendig. Diese findet im Rahmen des Phase-1 Upgrades statt: Nachdem im LHC zuletzt Protonen mit schweren Bleikernen kollidierten, legt der Teilchenbeschleuniger derzeit eine kurze Pause ein, während der neue Pixeldetektor am CMS eingebaut wird.

Eine Installationsansicht des noch offenen CMS-Detektors.
Der CMS-Detektor

„Im Rahmen des Phase-1-Upgrades hat der neue Pixeldetektor zum einen einen besseren Auslesechip, der mehr Teilchenkollisionen pro Sekunde verarbeiten kann“, sagt Lutz Feld. Zum anderen hat er eine vierte Lage. Statt wie bisher drei werden die Teilchen zukünftig vier Lagen durchqueren – es gibt also einen Datenpunkt mehr. „Das erhöht die Sicherheit, die Teilchenspur zuverlässig zu erkennen“, erklärt Feld. „Wenn man nur drei Punkte hat, kann es schon sein, dass man in der Datenanalyse eine Spur durchlegen kann, obwohl eigentlich keine da ist – etwa, weil einer der Punkte vielleicht von einem anderen Teilchen stammt. Mit vier Punkten ist so etwas sehr viel unwahrscheinlicher.“ Die Pixelmodule für diese vierte Lage bauten  Forschergruppen aus Deutschland. Zudem tragen sie auch das Spannungsversorgungssystem zum neuen Pixeldetektor bei.

Neben dem verbesserten Auslesechip und dem neuen Pixeldetektor sieht das Upgrade unter anderem eine Verbesserung des Myonendetektors vor, der sich ganz außen am Detektor befindet. Das BMBF fördert im Rahmen der Verbundforschung neben dem Upgrade des Pixeldetektors auch diese Verbesserung, darüber hinaus beteiligen sich die Physiker am Messbetrieb und an der Datenanalyse. So verbringt jeder am CMS-Detektor beteiligte Wissenschaftler pro Jahr drei Monate mit Serviceaufgaben, die für den erfolgreichen Betrieb und die Datennahme notwendig sind.