„Teilchenenergie und Luminosität gesteigert“

Welt der Physik: Wie sind die Betriebsphasen am Large Hadron Collider, also am LHC, unterteilt?

Markus Klute

Markus Klute: Wir befinden uns jetzt am Ende der dritten Betriebsphase, oder kurz des Run 3, wie wir Teilchenphysiker und -physikerinnen das nennen. Jeder „Run“ am LHC dauert mehrere Jahre. Danach folgt dann jeweils eine Betriebspause, in der wir die gesamte Anlage ertüchtigen. Das heißt, die Detektoren werden erneuert, defekte Teile ausgetauscht, neue Module eingebaut oder auch bessere Magnetspulen eingesetzt. Aber während der einzelnen Runs läuft der Beschleuniger die meiste Zeit. Und es herrschen weitgehend konstante Bedingungen, damit die Daten aus jedem Run nach einheitlichen Verfahren analysiert werden können. Die Maschine erzeugt ja immense Datenmengen. Es würde die ohnehin sehr aufwendigen Analysen deutlich komplizierter machen, tauschte man alle paar Monate wichtige Teile aus, die dann erst wieder kalibriert werden müssen.

Worin unterscheidet sich der Run 3 von den vorhergehenden?

Der LHC ging 2008 in Betrieb und startete damals noch mit reduzierter Energie. Man wollte sich bei einer so teuren und komplexen Anlage erst einmal langsam an die Möglichkeiten herantasten, denn der LHC ist in jeder Hinsicht mit Abstand der größte und leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger auf der Welt. Bei Run 1 wählte man deshalb rund sieben bis acht Teraelektronenvolt als Kollisionsenergie der beiden gegenläufigen Protonenstrahlen. Bei Run 2 ging man dann zu 13 Teraelektronenvolt und bei Run 3 zu 13,6 Teraelektronenvolt. Das ist schon eng an der Grenze dessen, wofür der Speicherring konzipiert wurde. Bei Run 4, der in ein paar Jahren ansteht, sollen dann die vollen 14 Teraelektronenvolt erreicht werden.

Welche Vorteile bringen die gestiegenen Kollisionsenergien?

Wir suchen mit dem LHC neue, bislang unbekannte Teilchen und Teilchenzustände. Je schwerer diese Teilchen sind, desto mehr Energie benötigt man, um sie zu erzeugen. Mit anderen Worten: Die direkte Suche nach unbekannten Teilchen ist limitiert durch die maximal mögliche Kollisionsenergie. Deshalb interessieren wir Teilchenphysikerinnen und Teilchenphysiker uns für immer stärkere Beschleuniger. Aber das ist nur ein Aspekt. Es geht nämlich nicht nur darum, Teilchen in Kollisionen zu erzeugen, sondern diese dann auch im Detektor nachweisen zu können. Es geht dabei nicht nur um gesteigerte Kollisionsenergien, sondern auch um bessere und präzisere Detektoren, um intelligente Auswertung und um eine höhere Luminosität.

Was bedeutet Luminosität?

Damit bezeichnen wir die Anzahl der Zusammenstöße, also wie viele Protonen an den Kreuzungspunkten der gegenläufigen Protonenstrahlen aufeinandertreffen. Genau dort stehen auch die Detektoren. Die Kollisionsenergie bestimmt, welche Teilchen dabei entstehen können, und die Luminosität, wie viele. Das ist deshalb entscheidend, weil wir nach seltenen Teilchen oder Ereignissen suchen. Und nur mit großen Datenmengen ist es möglich, diese sicher zu identifizieren. Bei Run 3 konnten wir die Luminosität im Vergleich zu Run 1 und Run 2 nochmals ein ganzes Stück steigern. Wir haben jetzt nach Run 3 insgesamt 3,5-mal so viele Daten wie nach Run 1 und 2 zusammengenommen.

Gab es auch Schwierigkeiten bei Run 3?

Ja, der Start war etwas holprig. In den ersten beiden Jahren nach dem Neustart, also 2022 und 2023, gab es unter anderem Probleme mit der Stromversorgung. Wir mussten zur Reparatur die entsprechenden, tiefgekühlten Teile langsam auf Raumtemperatur bringen und im Anschluss wieder herunterkühlen. Das hat eine Weile gedauert und dafür gesorgt, dass die Datennahme nur zögerlich beginnen konnte. Aber nachdem die Startschwierigkeiten überwunden waren, lief der restliche Run wie am Schnürchen.

Wie ist der jetzige Zustand der Maschine am Ende von Run 3?

Der Teilchenbeschleuniger selbst läuft wie geplant. Aber die Detektoren sind schon ziemlich am Ende ihrer Haltbarkeit angelangt. Man darf nicht vergessen, dass diese hochenergetischen Teilchenkollisionen eine immense Strahlung freisetzen, die den Zustand der empfindlichen Elektronik in den Detektoren Schritt für Schritt verschlechtert. Irgendwann wird dann die Signalqualität immer schlechter.

Blick in den Large Hadron Collider

Was kann man dagegen tun?

Wir bereiten bereits jetzt Run 4 vor, der gleichzeitig den Übergang zum sogenannten „Hi-Lumi-LHC“ darstellt. Nach einer mehrjährigen Umbauphase, bei der wir den Großteil der Detektorelektronik komplett erneuern, soll der LHC dann mit einer mehrfach gesteigerten Luminosität arbeiten. Die heutige Elektronik würde das nur noch wenige Monate durchhalten. Wir wechseln deshalb zu neuartigen, besonders strahlenharten Komponenten.

Abgesehen von den technischen Leistungen – was sind die wichtigsten wissenschaftlichen Ergebnisse von Run 3?

Wir sind noch mitten in der Auswertung, und viele Ergebnisse werden noch Jahre auf sich warten lassen. Die Datennahme geht ja jetzt erst zu Ende. Ein heißes Thema derzeit ist natürlich der Einsatz künstlicher Intelligenz bei der Datenanalyse. Das hilft uns sehr, unter den teilweise sehr komplexen Spuren im Detektor die spannendsten Ereignisse herauszufischen. Derzeit kommen noch viele wichtige Auswertungen von Run 1 und 2 heraus – etwa eine hochpräzise Bestimmung der Masse des W-Bosons, eines grundlegenden Elementarteilchens, das die schwache Wechselwirkung vermittelt. Ein anderes Ergebnis war der Zerfall des Higgs-Bosons in zwei Myonen. Ein sehr spannendes Gebiet ist die Suche nach dem Di-Higgs – so nennt man es, wenn zwei Higgs-Teilchen zugleich bei einer Kollision erzeugt werden.

Haben Sie dieses Ereignis schon nachgewiesen?

Nein, wir haben noch keinen Nachweis, weil es ein sehr seltenes Ereignis ist. Aber wir hoffen, es in Zukunft am Hi-Lumi-LHC zu finden. Das wird einen äußerst wichtigen Test des Standardmodells ermöglichen. Aber das ist nur ein Teil unserer Experimente, und wir arbeiten nicht nur mit Protonen-Kollisionen, sondern nutzen einen Teil der Betriebszeit auch, um schwere Ionen, also geladene Atome, aufeinander zu schießen.

Welche Ergebnisse gibt es bei den Schwerionen-Kollisionen?

Auch hier gab es interessante Fortschritte. Von Anfang an ist man statt der Protonen zeitweise auf Bleikerne gewechselt, um insbesondere ein Quark-Gluon-Plasma zu erzeugen. Dieser extrem dichte Materiezustand erfüllte Sekundenbruchteile nach dem Urknall das ganze Universum. Mittlerweile ist es auch gelungen, Sauerstoff- und Neonkerne miteinander kollidieren zu lassen. Auch dabei hat man Anzeichen eines Quark-Gluon-Plasmas gesehen. Es passiert also auf verschiedenen Gebieten immer etwas Neues am LHC, das macht die Arbeit an dieser einzigartigen Anlage so spannend!