CERN

Vorstoss in neue Dimensionen

Der Large Hadron Collider (LHC) am CERN hat im Dezember Teilchenkollisionen mit bisher unerreichter Energie produziert. Jetzt liegt eine erste Publikation dazu vor. Sie stützt sich auf Daten des Silizium-Pixel-Detektors, der unter anderem an der Universität Zürich entwickelt und gebaut wurde.

Theo von Däniken

Als im September 2008 erstmals Protonenstrahlen durch den 27 Kilometer langen Teilchenbeschleuniger LHC unter dem Boden von Genf geschickt wurden, waren die Augen der Weltöffentlichkeit auf das CERN gerichtet. Damals war der Beweis erbracht, dass das Jahrhundert-Experiment technologisch funktioniert.

Nach einem längeren Unterbruch konnte der LHC im vergangenen Dezember nun erstmals regulär betrieben werden. Diese erste Betriebsphase des LHC machte nun klar, dass auch die Detektoren, welche die Daten der Teilchenkollisionen aufzeichnen, ihre Arbeit zuverlässig verrichten.

«Wir haben viele bekannte Teilchen gesehen, die bei den Kollisionen entstehen», freut sich Vincenzo Chiochia, SNF-Förderungsprofessor an der Universität Zürich und stellvertretender Projektmanager des CMS Tracking-Systems (CMS = Compact Muon Solenoid).

Erste Teilchenkollisionen im Dezember 2009: Dem Ziel näher kommen, das «Higgs»-Boson nachzuweisen. (Bild: zVg)

Bisher unerreichte Energiemenge

Der LHC produzierte Teilchenkollisionen mit zuvor nicht erreichter Energie. Am Ende der Betriebsphase stiessen die Teilchen mit 2,36 Tera-Elektronenvolt (TeV) aufeinander. Im bisher leistungsfähigsten Teilchenbeschleuniger am Fermilab in Chicago konnten Kollisionen bei knapp zwei TeV erzeugt werden. «Wir stossen mit dem LHC nun in eine neue Dimension vor», sagt Chiochia.

Die Kollisionen bei 2,36 TeV sind dabei nur ein erster Schritt in Richtung der ehrgeizigen Ziele des LHC-Projekts. Geplant sind Kollisionen mit bis zu 14 TeV. Damit sollen in kleinstem Massstab Bedingungen wie kurz nach dem Urknall simuliert werden und bisher nur theoretisch beschriebene Teilchen, wie etwa das «Higgs»-Boson oder die dunkle Materie, nachgewiesen werden.

Das «Higgs»-Boson, benannt nach dem schottischen Physiker Peter Higgs, ermöglicht gemäss dem Standardmodell der Physik, dass Teilchen überhaupt Masse haben. Es nachzuweisen und damit die Standard-Theorie zu bestätigen, ist eines der wichtigsten Ziele des LHC.

«Compact Muon Solenoid» (CMS, im Bild während des Aufbaus): Dichte und Verteilung der Teilchen nach der Kollision aufzeigen. (Bild: CERN)

Erste LHC-Daten publiziert

Mit den ersten Messdaten aus dem LHC sind die Forschenden diesem Ziel einen Schritt näher gekommen. Chiochia und andere Forschende der Universität Zürich haben dabei eine wesentliche Rolle gespielt. Denn die online publizierten Daten (demnächst im «Journal of High Energy Physics») stammen aus dem innersten Teil des CMS, einem von vier verschiedenen Detektoren entlang des Beschleunigers.

Dort, nur wenige Zentimeter vom Kollisionspunkt entfernt, messen die Silizium-Pixel- und Silizium-Streifen-Detektoren Richtung und Impuls der bei der Kollision entstehenden elektrisch geladenen Teilchen. Die Silizium-Pixel-Detektoren sind von der Universität Zürich in Zusammenarbeit mit der ETH Zürich und dem Paul Scherrer Institut gebaut worden.

«Wir sind mit unseren Detektoren am nächsten an den Teilchenkollisionen dran», erklärt Chiochia. «Das ist wichtig, denn das <Higgs>-Boson oder andere Partikel, die wir in späteren Kollisionen zu finden hoffen, haben extrem kurze Lebenszeiten.» Sie zerfallen wieder, bevor sie überhaupt die Detektoren erreichen. Der Nachweis kann deshalb nur indirekt erfolgen, aufgrund der Daten, die die Silizium-Detektoren von den Zerfallsprodukten der Teilchen aufzeichnen.

Vincenzo Chiochia: «Wir sind mit unseren Detektoren am nächsten an den Teilchenkollisionen dran.» (Bild: zVg)

Herantasten an «Higgs»

Noch müssen sich die Forschenden aber langsam an die Hochenergie-Kollisionen herantasten. Denn aus Sicherheitsgründen kann die Energie jeweils nur schrittweise gesteigert werden. «Nicht nur die Energie der Protonen, die kollidieren, muss erhöht werden, sondern auch diejenige der Elektromagnete, die sie auf der Bahn halten», erklärt Chiochia. «Das erhöht die Belastung für das gesamte, äusserst diffizile System des Beschleunigers.»

Deshalb muss die gigantische LHC-Maschinerie bei jedem Schritt neu überprüft und an die höhere Energie angepasst werden. Derzeit ist geplant, so Chiochia, bis Ende 2011 Kollisionen mit sieben TeV durchführen zu können.

Doch selbst dann könnte es noch lange dauern, bis die gesuchten «Higgs»-Teilchen tatsächlich im LHC nachgewiesen werden können: «Wir benötigen sehr viele Daten, denn die Wahrscheinlichkeit, dass etwa <Higgs>-Bosone entstehen, ist sehr klein», erklärt Chiochia.

Werkzeuge sind bereit

Um diese seltenen Ereignisse in den riesigen Datenmengen erkennen zu können, müssen nun zunächst die Mechanismen analysiert werden, die bei den Teilchenkollisionen wirken. Dazu liefern die nun gesammelten Daten erste Grundlagen, indem sie Dichte und Verteilung der Teilchen nach der Kollision aufzeigen. «Dies ist ein erster Schritt zum Verständnis, wie Hadronen unter diesen hohen Energien gebildet werden», sagt Chiochia.

Die vom CMS gemessenen Daten stimmen dabei mit den in Simulationen errechneten oder aus früheren Kollisionen am Fermilab bekannten überein. Und das zeigt Chiochia und seinen Kollegen auch, dass der CMS-Detektor wie geplant funktioniert: «Nun wissen wir, dass wir alle notwendigen Instrumente zur Hand haben, um die Ziele des LHC-Experiments angehen zu können.»

Seitens der Universität Zürich sind zwei Arbeitsgruppen in die Forschung mit dem CMS involviert. Neben der im Text erwähnten Arbeitsgruppe von Vincenzo Chiochia ist Professor Claude Amslerseit den späten 1990er Jahren an der Entwicklung und am Bau des CMS beteiligt.

Theo von Däniken ist Journalist und Mitarbeiter der Abteilung Kommunikation.

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