LHC-Experimente – ein Überblick

Vier große Experimente gibt es am LHC: ALICE, ATLAS, CMS und LHCb. Während ATLAS und CMS die Proton-Proton-Kollisionen unter die Lupe nehmen, misst LHCb die Eigenschaften von Teilchen, die Bottom-Quarks enthalten. Das Experiment ALICE ist für Kollisionen von Schwerionen optimiert.

Die interessanten Kollisionen sind etwa 10⁸-mal seltener als die als Untergrund betrachteten Standardereignisse bekannten physikalischen Ursprungs. Deshalb lässt man die Protonenstrahlen beim LHC besonders häufig zusammenstoßen: In einem zeitlichen Abstand von nur 25 Nanosekunden (Milliardstel Sekunden) kollidieren die Protonenstrahlen mit einer Energie von jeweils sieben Teraelektronenvolt (TeV, tausend Milliarden Elektronenvolt) miteinander. Dabei finden im Mittel etwa 25 Proton-Proton-Wechselwirkungen gleichzeitig statt, mit circa 1600 den Detektor durchquerenden geladenen und ebenso vielen neutralen Teilchen. Pro Sekunde muss der Detektor also gut 10¹¹ Teilchen mit Datenraten in der Größenordnung von Terabyte pro Sekunde verarbeiten. Zusammen mit der zusätzlich damit verbundenen Materialschädigung durch Strahlung stellt diese extrem hohe Datenrate enorme Anforderungen an die Detektorentwicklung. Die Strahlungsdosis, welche die Detektoren in der Nähe der Wechselwirkungszone in zehn Jahren verkraften müssen, beträgt 10¹⁵ Teilchen pro Quadratzentimeter oder 600 Kilogray. Zum Vergleich: Dies ist zwei Milliarden Mal mehr als die bei einer Röntgenaufnahme der Lunge absorbierte Strahlendosis.

Diese extremen Verhältnisse stellen hohe Anforderungen an die Experimentierkunst. Neue Konzepte zu Nachweis und Identifikation von Teilchen und Strahlung, neue Ideen zur Elektronik und Mechanik sowie innovatives Computing wurden für den Aufbau der Experimente bei LHC in Zusammenarbeit mit der Industrie entwickelt. Viele dieser Ideen führten zu interessanten „spin-off“-Entwicklungen in andere Bereiche der Wissenschaft und der Medizin. Die Analyse der aufgezeichneten Kollisionen erfolgt durch ein internationales Netz verteilter Computer. Um der großen Datenflut zu begegnen, wurde dazu zusammen mit der Europäischen Union das „DataGrid“-Projekt ins Leben gerufen.

Die Experimente CMS und ATLAS

Für die beiden größten Experimente, ATLAS und CMS, wurden neue große Untergrundhallen errichtet. ALICE und LHCb konnten dagegen existierende Experimentierhallen benutzen. Die insgesamt mehr als 5000 Wissenschaftler aus 46 Nationen, die an den LHC-Experimenten beteiligt sind, machen das LHC-Projekt zur größten gemeinschaftlichen Anstrengung der Physik in der Grundlagenforschung.

Aufbauend auf dem Standard-Modell der Teilchenphysik wurde das Entdeckungspotenzial der LHC-Experimente im Detail studiert – insbesondere im Hinblick auf neue Phänomene und auf Erweiterungen der Standardtheorie. Die Detektoren müssen für verschiedene wichtige Fragestellungen optimale Nachweisbedingungen schaffen. Sie sind auf den genauen Nachweis von Elektronen, Myonen und hochenergetischen Photonen optimiert, auf „Jets“ von Quarks und Gluonen sowie auf fehlende transversale Energie, die eine indirekte Messung der direkt nicht nachweisbaren Neutrinos erlaubt. Anhand von hochauflösenden Vertexdetektoren, die direkt um den Wechselwirkungspunkt herum angeordnet sind, lassen sich längerlebige Teilchen erkennen. Dadurch wird es möglich, schwere Quarks – wie insbesondere Bottom-Quarks – zu identifizieren, die ein Indiz sowohl für viele Reaktionen der supersymmetrischen Theorie und als auch für Higgs-Zerfälle darstellen. Bei der Planung und Entwicklung der LHC-Experimente wurde insbesondere sichergestellt, dass das Higgs-Boson auf jeden Fall gefunden werden kann, falls es eine Masse zwischen 100 GeV und 1 TeV besitzt.

Der Kryostat für das Kalorimeter des ATLAS-Detektors

Die beiden Großdetektoren ATLAS und CMS sind die komplexesten Nachweisgeräte, die je gebaut wurden. Sie sind in der Lage, die Frage nach dem Higgs-Boson zu klären und die von Theorien jenseits des Standard-Modells erwarteten neuen Phänomene zu entdecken. Bei der Planung wählte man zwei Detektorkonzepte, die ähnlich genug sind, damit eine gegenseitige Überprüfung der wissenschaftlichen Resultate garantiert ist. Andererseits unterscheiden sich ATLAS und CMS in ihren Nachweisstrategien. ATLAS besitzt zur Bestimmung der Impulse geladener Teilchen einen inneren supraleitenden Solenoidmagneten mit einer Feldstärke von zwei Tesla und im Außenraum einen großen Toroidmagneten ohne Eisenkern, um Myonen sehr genau messen zu können. Die Spuren der Teilchen lassen sich bei derart hohen Teilchenraten nicht mehr mit konventionellen, gasgefüllten Spurkammern verfolgen. Stattdessen werden hochauflösende Halbleiterstreifen- und -pixeldetektoren sowie Übergangsstrahlungs-Spurdetektoren eingesetzt. Ein Kalorimeter für elektromagnetisch und hadronisch wechselwirkende Teilchen, ein in Ort und Energie hochauflösendes Flüssig-Argon-Kalorimeter und ein Eisen-Szintillator-Kalorimeter sowie präzise, großflächige Driftkammern für den Myonnachweis vervollständigen den ATLAS-Detektor.

Die Eisenstrukturen des Magneten für das CMS-Experiment

Die Besonderheit des CMS-Experiments ist ein Kalorimeter aus Blei-Wolframat-Kristallen, die eine ausgezeichnete Auflösung für hochenergetische Photonen (zum Beispiel aus Higgs-Zerfällen) besitzen. Die Spuren der Teilchen werden ebenfalls mit Hilfe eines sehr großen Halbleiterspurdetektors in einem Solenoidmagneten von vier Tesla nachgewiesen. Zum Bau dieses Spurdetektors wurden spezielle Automaten entwickelt, um die fast zweihundert Quadratmeter große Gesamtfläche von Silizium-Mikrostreifendetektoren fertigen zu können. Das aus Driftröhren bestehende Myonsystem sorgt für den Nachweis von Myonen mit genauer Positions- und Winkelauflösung.
LHCb ist ein Experiment, das auf die Erforschung der CP-Verletzung im System der B-Mesonen spezialisiert ist und an die bei den B-Mesonen-Fabriken KEK-B und PEP-II erwarteten Erkenntnisse anknüpft. Wichtige Fragestellungen auf diesem Gebiet zu erforschen, ist nur mit den sehr hohen Ereigniszahlen möglich, wie sie bei LHC erzeugt werden 10¹² Paare von B-Mesonen und Anti-B-Mesonen pro Jahr). Dazu gehören zum Beispiel Präzisionsmessungen von CP-Asymmetrien und Prozessen, welche die „Flavour“ – die Teilchensorte – von Quarks und Leptonen verändern. Das LHCb-Experiment überdeckt insbesondere die Winkelbereiche nahe der Strahlachse. Optimiert wird es durch Spurdetektoren auf Halbleiterbasis und Ring-Tscherenkow-Detektoren zur Teilchenidentifikation. Eine besondere Herausforderung stellen die hohe Wechselwirkungsrate und das Verhältnis von Untergrund und Signal von 1000 zu 1 dar, weshalb die Rekonstruktion der Ereignisse bei LHCb bereits „online“ erfolgen muss.

Die Experimente ALICE und LHCb

ALICE schließlich ist ein Experiment zur Untersuchung von Schwerionenreaktionen, das heißt von Materiewechselwirkungen bei extremen Energiedichten – hundertmal größer als in normaler Materie in Atomkernen. Bei diesen hohen Dichten wird ein neuer Materiezustand, das Quark-Gluon-Plasma, erwartet. Darunter versteht man die Koexistenz von Quarks und Gluonen ohne Bildung von Hadronen. Die Existenz dieses Plasmas und seine Eigenschaften sind Kernfragen der Quantenchromodynamik, sowohl für das Verständnis des Confinements, dem Übergang von der hadronischen in die Quark-Gluon-Phase, als auch bezüglich der Wiederherstellung der „chiralen Symmetrie“ – einer Symmetrie zwischen links- und rechtshändigen Teilchen. Im frühen Universum wurde ein solcher Plasmazustand der Materie etwa eine Mikrosekunde nach dem Urknall erreicht. Mit dem ALICE-Detektor wird man die Anzeichen für solch einen Zustand beobachten können. ALICE kann sowohl Elektronen, Myonen und Photonen als auch die Energieflüsse von Hadronen nachweisen.