LHC – der weltgrößte Teilchenbeschleuniger

Hamburg, DeutschlandGroß, größer, LHC: Der Large Hadron Collider am CERN bei Genf ist mit einem Umfang von 27 Kilometern der größte und leistungsfähigste Teilchenbeschleuniger, der jemals gebaut wurde. An dieser „Weltmaschine“ wurden mehrere Teilchen erstmals nachgewiesen – darunter ein grundlegender Baustein des Standardmodells der Teilchenphysik, das sogenannte Higgs-Boson. Nach umfangreichen Wartungsarbeiten stoßen die Wissenschaftler nun in noch höhere Energiebereiche vor. Damit hoffen sie, offene Fragen der Teilchenphysik und des Ursprungs unserer Welt zu klären.

Wie ist Materie aufgebaut? Und was hält sie im Innersten zusammen? Mit diesen Fragen beschäftigten sich bereits Philosophen wie Demokrit in der Antike. Während den griechischen Atomisten ausschließlich Gedankenmodelle zur Verfügung standen, um über die Beschaffenheit der Materie im Kleinsten zu philosophieren, ergänzen sich in der modernen Naturwissenschaft Theorie und Experiment. Das Bild, das wir heutzutage vom Aufbau der Materie und den zugrunde liegenden Kräften haben, hat sich inzwischen drastisch geändert und präzisiert. Beschrieben wird es in dem sogenannten Standardmodell der Teilchenphysik. Mit dem bisher leistungsstärksten Teilchenbeschleuniger, dem Large Hadron Collider (LHC) am CERN bei Genf, stellen Physiker in internationaler Zusammenarbeit dieses Modell auf den Prüfstand.

Der Beschleuniger

Large Hadron Collider am CERN

Der Large Hadron Collider (LHC) befindet sich im Grenzgebiet zwischen Schweiz und Frankreich. Hauptbestandteil ist ein unterirdischer, rund 27 Kilometer langer Beschleunigerring, in den Protonen – die positiv geladenen Bausteine der Atomkerne – eingespeist werden. Supraleitende Magnetspulen, die keinen elektrischen Widerstand besitzen, halten die geladenen Teilchen mit starken Magnetfeldern auf ihrer Bahn innerhalb des Speicherrings. Im LHC werden zwei gegenläufige Protonenstrahlen auf Energien bis zu 6,5 Teraelektronenvolt beschleunigt und stoßen schließlich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit aufeinander.

Die Energien sind bei derartigen Kollisionen so hoch, dass die Protonen im Einzelnen zerstört werden, aber sämtliche elementaren Wechselwirkungen – die Gravitation, der elektromagnetische, die schwache und die starke Kraft – zum Zuge kommen und dadurch neue Teilchen erzeugt werden. Zwar zerfallen viele dieser Partikel rasch wieder in andere Teilchen, so dass die Ursprünglichen sich gar nicht direkt detektieren lassen. Jedoch entstehen bei diesen Zerfällen Teilchen, die in speziell dazu gefertigten Detektoren ihre Spuren hinterlassen.

Die Experimente: ATLAS, CMS, ALICE und LHCb

Von der Bildmitte geht in verschiedene Richtungen ein Gewirr von leicht gekrümmten Linien aus. Sie symbolisieren die Spuren von Teilchen, die bei einer Kollision von zwei Protonenstrahlen entstehen.
Spuren eines zerfallenen Higgs-Teilchens

Insgesamt sind vier große Teilchendetektoren in den LHC eingebaut. Mit ATLAS, einem der beiden Vielzweckdetektoren, vermessen die Physiker unter anderem das Higgs-Boson und suchen Teilchen, die die Dunkle Materie ausmachen könnten. Der zweite große Vielzweckdetektor, CMS, hat ähnliche Ziele wie ATLAS. Hiermit stellen die Forschenden ebenfalls das Standardmodell der Teilchenphysik auf den Prüfstand. Allerdings unterscheiden sich die beiden Detektoren in ihrem technischen Aufbau.

Beide Detektoren ergänzen sich und werden von unabhängigen Arbeitsgruppen betrieben. Dies ist vor allem auch für Neuentdeckungen wie etwa des Higgs-Teilchens im Jahr 2012 von Bedeutung. Auf diese Weise lassen sich die Ergebnisse beider Experimente gegenseitig auf ihre Zuverlässigkeit überprüfen.

In der Bildmitte verläuft quer ein Abschnitt der Beschleunigerstrecke. Konzentrisch dazu sind fächerartig die Elemente des ATLAS-Detektors angeordnet, die ihrerseits von innen nach außen in sechs Segmente unterteilt sind.
ATLAS-Detektor

Die beiden weiteren Experimente sind speziellen Formen von Materie gewidmet. Mit ALICE untersuchen die Wissenschaftler das Quark-Gluon-Plasma – ein Materiezustand, der kurz nach dem Urknall herrschte und sich ebenfalls nur bei extrem hohen Energien erzeugen lässt. Damit wollen sie die Natur der starken Wechselwirkung besser verstehen. Mit dem Experiment LHCb überprüfen die Physiker das Standardmodell der Teilchenphysik, indem sie nach winzigen Unterschieden zwischen Materie und Antimaterie suchen.

Deutsche Beiträge zum LHC

Deutschland übernimmt mit ca. 200 Millionen Euro im Jahr rund 20 Prozent des CERN-Haushaltes, aus dem der Betrieb des LHC bezahlt wird. Damit ist Deutschland der größte Geldgeber und sichert sich so eine herausragende Position innerhalb der Teilchenphysik. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert außerdem alle vier LHC-Experimente mit Mitteln aus der sogenannten Verbundforschung. Diese Förderung ermöglicht es deutschen Universitäten, sich mit wesentlichen Beiträgen an ATLAS, CMS, ALICE und LHCb zu beteiligen. Mit ihrem Fachwissen – vor allem im Detektorbau und in der Datenauswertung – sorgen die Universitäten dafür, dass die LHC-Experimente ständig weiterentwickelt und wissenschaftlich effizient genutzt werden.

Im Zuge des – weiter unten beschriebenen – High-Luminosity-Upgrades soll die Leistungsfähigkeit des LHC ab Ende 2023 weiter erhöht werden. Damit die Experimente mit dieser Entwicklung Schritt halten können, ist ein Ausbau der Detektoren ATLAS und CMS geplant. Für dieses sogenannte Phase-II-Upgrade stellt das Ministerium in einem ersten Schritt zusätzliche Mittel bereit. Daraus werden Forschungs- und Entwicklungsarbeiten an den beiden Detektoren finanziert. Insgesamt sind mehr als 1000 deutsche Forscherinnen und Forscher an den CERN-Experimenten beteiligt.

Bisheriger Betrieb und aktuelles Upgrade

Der LHC hat  während der ersten Betriebsphase bis 2012 doppelt so viele Daten geliefert wie ursprünglich vorgesehen. Während dieser ersten Laufzeit entdeckten die Physiker sowohl in den Daten des ATLAS- als auch des CMS-Experiments das gesuchte Higgs-Teilchen. Für Wartungs- und Umbauarbeiten wurde die Beschleunigeranlage ab Februar 2013 für gut zwei Jahre heruntergefahren.

Das Beschleunigerrohr verläuft von der linken oberen Bildecke diagonal nach rechts unten. Im rechten Drittel ist der innere Teil des CMS-Experiments ähnlich einem massiven Metallring konzentrisch um das Beschleunigerrohr angeordnet.
Blick in den CMS-Detektor

Nach der Wartung läuft der LHC nun erstmals mit Strahlenergien von 6,5 Teraelektronenvolt. Die Anlage ging im Frühjahr 2015 wieder in Betrieb und nimmt seit Juni 2015 neue Daten auf. Die Kollisionsenergie ist dabei fast doppelt so hoch wie zuvor. Mit diesen neuen Möglichkeiten hoffen die Physiker unter anderem, das Higgs-Teilchen genauer charakterisieren zu können. Während die bisherigen Experimente das Standardmodell bestätigt haben, werden in dem neu zugänglichen Energiebereich zudem völlig neue physikalische Phänomene erwartet. Man hofft, das Modell der sogenannten Supersymmetrie testen zu können. Es kann als Erweiterung des Standardmodells verstanden werden und schließt unter anderem die Dunkle Materie mit ein.

Für 2019/2020 ist eine weitere Wartungsphase geplant, bei der die Vorbeschleuniger, mit denen die Protonen in den Beschleunigerring eingespeist werden, verbessert werden sollen. Zudem sind für alle Experimente Upgrades geplant.

High-Luminosity-Upgrade für den LHC

Weitere Wartungsarbeiten sind für 2024 bis 2026 vorgesehen. In dieser Zeit soll der LHC für eine noch bessere Strahlleistung und genauere Messungen fit gemacht werden. Dann sollen unter anderem neue supraleitende Magnete an den Detektoren ATLAS und CMS eingebaut werden, mit denen sich der Protonenstrahl besser bündeln lässt. Außerdem sollen sie der neuen Strahlleistung besser standhalten können als ihre Vorgänger. Um die kollidierenden Teilchenpakete besser ausrichten zu können, wollen die Physiker zusätzliche Ablenkelemente installieren und die Detektoren mit neuer Technologie ausstatten.

In der darauffolgenden Messphase von 2026 bis 2035 soll der LHC bei entsprechend höheren Kollisionsraten ein zehnmal höheres Datenvolumen liefern als in der ersten Betriebsphase von 2010 bis 2022. Auf diese Weise lassen sich auch sehr seltene Teilchen nachweisen – und möglicherweise neue Physik jenseits des Standardmodells entdecken.

Steckbrief LHC

Typ:

Teilchenbeschleuniger

Technologie:

Synchrotron, supraleitender Speicherring

Standort:

Genf, Schweiz

Betreiber:

CERN – Europäische Organisation für Kernforschung

Gesamtbudget CERN:

1,127 Milliarden Schweizer Franken (Stand 2016)

Deutsche Beteiligung am CERN:

rund 20 Prozent – ca. 200 Millionen Euro (Stand 2015)

Betriebsbeginn:

2008

Wartung und erstes Upgrade:

2013 – 2015

Neustart:

Frühjahr 2015

Länge des Beschleunigers:

27 Kilometer

Strahlenergie:

max. 6,5 Teraelektronenvolt

Kollisionsenergie:

max. 13 Teraelektronenvolt

Kollisionsrate:

600 Millionen pro Sekunde

Strahleigenschaften:

Protonenstrahl aus 2808 Teilchenpaketen mit einer Länge von 30 Zentimetern

Teilchen pro Paket:

1,15 ⋅ 1011 Protonen

Betriebstemperatur:

−271,3 °C

Großexperimente:

4: ALICE, ATLAS, CMS und LHCb

Bestandteil folgender Roadmaps:

The European Strategy for Particle Physics Update 2013 (High Luminosity Upgrade), ESFRI, BMBF

Beteiligte Länder:

22: Belgien, Bulgarien, Dänemark, Deutschland, Finnland, Frankreich, Griechenland, Großbritannien, Israel, Italien, Niederlande, Norwegen, Österreich, Polen, Portugal, Rumänien, Schweden, Schweiz, Slowakei, Spanien, Tschechien, Ungarn