LHC - Large Hadron Collider

Der LHC (large hadron collider) ist der derzeit weltgrößte Teilchenbeschleuniger (Stand 2008). Er ist Teil des Kernforschungszentrums CERN bei Genf und ging am 10. September 2008 in Betrieb.

In den Vakuumröhren des LHC werden Hadronen über mehrere Vorbeschleuniger bis auf fast Lichtgeschwindigkeit beschleunigt um sie anschließend miteinander kollidieren zu lassen.
Die dabei entstehenden Energien sind so hoch, dass sie denen ähneln, die kurz nach dem Urknall im Universum vorherrschten. Man erhofft sich dadurch unter anderem die Entdeckung des „Higgs-Teilchens“, welches die Schwerkraft erklären könnte. Dieses Teilchen ist bislang nur hypothetisch und dient als imaginäres Verbindungsglied des Standardmodels. Sollte es gefunden werden, würde sich eine komplett neue Physik eröffnen. Sollte es jedoch nicht gefunden werden, so würde das wahrscheinlich bedeuten, dass das bisherige Standardmodell der Elementarteilchen entweder falsch ist oder unzureichend ist.

Der Bau des LHC, der 10 Jahre dauerte, kostete über 3 Milliarden Euro. An den Kosten beteiligte sich Deutschland mit 800 Millionen zu einem großen Teil. Der Rest wurde von den anderen 19 Mitgliedstaaten des CERN sowie von 6 Beobachterstaaten finanziert.

Die Ziele des LHC

Vorrangig bei dem größten je von Menschen gebauten Experiment, ist die Entdeckung oder Widerlegung der hypothetischen Higgs-Bosonen, welche die Überträger der Schwerkraft sein sollen. Dabei sollen die Messdaten auch etwas über die Natur der Higgs-Bosonen aussagen.

Ein weiteres Ziel ist die Suche nach sogenannten „Supersymetrischen“ Teilchen, welche durch die Detektoren CMS und ATLAS entdeckt werden sollen.

Des weiteren soll die Natur der „Dunklen Materie“ erforscht werden, durch die Erzeugung schwarzer Mikrolöcher die Anwesenheit höherer Raumdimensionen geklärt werden und Antworten auf die Materie-Antimaterie-Asymmetrie gefunden werden.

Darüber hinaus erwartet man einen ganzen Zoo neuer, bislang unbekannter Elementarteilchen.

Bei der Kollision der Bleikerne, sollen so hohe Temperaturen erzeugt werden, dass Protonen und Neutronen schmelzen und die darin enthaltenen Quarks und Gluonen frei werden. Das dabei entstehende Quark-Gluon-Plasma, wie es kurz nach dem Urknall vorlag, soll vom Detektor ALICE untersucht werden.

Aufbau des LHC

Der LHC besteht aus einem Hauptbeschleunigerring mit 26.659 m Umfang, dem die drei älteren Speicherringe des CERN als Vorbeschleuniger vorgeschaltet sind. Die so erreichbare Geschwindigkeit wird mit 99,9999991% der Lichtgeschwindigkeit angegeben, entsprechend einer Energie von 14 Tera-Elektronenvolt. Diese Energie soll ausreichen, um Temperaturen von bis zu 1 Billion Grad zu erreichen und so einen Zustand herstellen, der dem Zustand des Universums, wenige Sekundenbruchteile nach dem Urknall gleicht. Man erhofft sich so, ein sogenanntes „Quark-Gluonen-Plasma“ herzustellen und zu studieren.

Der erste Ring des LHC ist ein Linearbeschleuniger (LINAC 2/3) welcher Protonen (LINAC 2) und Schwerionen (Bleikerne, LINAC 3) auf ca. 50MeV (Mega-Elektronenvolt) beschleunigt (Grafik P,Pb). Die nachfolgenden Beschleuniger, Proton Synchrotron Booster, Proton Synchrotron (Grafik PS) und Super Proton Synchrotron (Grafik SPS) beschleunigen die Protonen weiter auf 450GeV (Giga-Elektronenvolt), bevor der Protonenstrahl und der Bleiionenstrahl in den eigentlichen Haupt-Beschleuniger des LHC (Grafik LHC) eingespeist wird, wo er nach mehreren Umläufen schließlich seine Endenergie von etwa 7 TeV (Tera-Elektronenvolt) erreicht, mit der die Protonen in zwei gegenläufigen Strahlen zusammenstoßen. Für die Kollision der Beilkerne wird gar eine Energie von 1146 TeV vorhergesagt.

Die Beschleunigung der Protonen dauert etwa 20 Minuten und wird von den 1200 supraleitenden Dipolmagneten erreicht, deren Magnetfeldstärke bis zu 8.6 Tesla beträgt, was etwa 290.000 mal so stark ist, wie das Erdmagnetfeld. Um die beiden Protonenstrahlen auf der bahn zu halten, kommen weitere 400 Quadrupolmagnete zum Einsatz, welche mithilfe von fast 100 Tonnen flüssigen Heliums auf eine Temperatur von 1,9 Kelvin heruntergekühlt werden. Die beiden Strahlen umlaufen das 5,8 km durchmessende Synchrotron in Volllast etwa 11000 mal pro Sekunde. Dies führt bei Kreuzung der beiden Strahlen zu Kollisionen mit einer Rate von 30 Nanosekunden, sprich, alle 30 Nanosekunden kollidieren zwei Protonen miteinander.

Die Kollisionen der Protonen erfolgen dabei in mehreren Kammern, in welchen sie die verschiedenen Teilchendetektoren, ATLAS, CMS, LHCb, LHCf und TOTEM befinden mit deren Hilfe man die Teilchen messen will, die bei den extrem hochenergetischen Kollisionen entstehen, bzw, die Teilchen, welche aus dem Zerfall anderer Teilchen hervorgehen. Die Kollision der Bleikerne wird von Detektor ALICE ausgewertet.

ATLAS

ATLAS (A Toroidal LHC AparatuS) ist ein 7000 Tonnen schwerer, 45 m langer, zylindrischer Koloss mit einem Durchmesser von 22 m. Er besteht aus 4 übereinander geschichteten Einzelsystemen, dem inneren Detektor, dem Kalorimetersystem, dem Myon-Detektor und dem Magnetsystem, welches die für die Ablenkung der Teilchen zuständige Magnetfelder erzeugt.

Die Aufgabe des Detektors besteht darin, die Existenz der bislang postulierten „Higgs-Bosonen“ zu bestätigen oder zu widerlegen. Des weiteren soll mit ihm geklärt werden, ob Leptonen und Quarks eine Masse besitzen.

CMS

Der CMS-Detektor (Compact Muon Solenoid) hat eine 21m lange, zylindrische Struktur mit einem Gesamtgewicht von etwa 12500 Tonnen bei einem Durchmesser von 16 Metern.

CMS soll zusammen mit ATLAS nach den Higgs-Bosonen fahnden. Des weiteren soll er Hinweise auf eine eventuell vorhanden Supersymmetrie liefern und die Kollision schwerer Ionen studieren.

LHCb

Das LHCb-Experiment (für Large Hadron Collider beauty) ist dafür ausgelegt, die CP-Verletzung in B-Hadronen zu untersuchen und durch die Messung des B-Mesonen-Zerfalls verschiedene Parameter des Standardmodells zu verifizieren.

TOTEM

TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement) ist einer relativ kleiner Detektor, welcher vor allem die Größe des Protons mit bislang ungekannter Genauigkeit ermitteln soll. Des weiteren soll die Luminosität der beschleunigten Teilchen gemessen werden.

Das TOTEM-Experiment hat die Ausmaße von 440m * 5m * 5m und ein Gewicht von 20 Tonnen. Das Experiment befindet sich in Kammer 5 nahe dem CMS-Detektor.

ALICE

ALICE (A Large Ion Collider Experiment) ist eines der größten Einzelexperimente mit 25m Länge und 16m Breite und einem Gesamtgewicht von etwa 10000 Tonnen.

In ALICE werden Bleikerne mit einer Energie von über 1100 TeV (Tera-Elektronenvolt) zusammenstoßen. ALICE untersucht dabei Hinweise auf das Vorhandensein des postulieren „Quark-Gluon-Plasmas“, einem Zustand, wie er Sekundenbruchteile nach dem Urknall im Universum vorgeherrscht hat.

Datenauswertung

Alle Experimente des LHC zusammen produzieren in jeder Sekunden gewaltige Datenmengen, die kein Computer der Welt alleine abarbeiten kann.
Daher verteilt man die Datenströme auf viele verschiedene Rechnercluster (dem LHC Computing Grid, LCG) weltweit, um so maximale Rechenpower zu erhalten.

Weiterführende Themen und Verweise

» Homepage des LHC am CERN
» LHC-News