DIE ERKENNTNISMASCHINE – REKORDE ÜBER REKORDE

Der Large Hadron Collider (LHC) am Europäischen Kernforschungszentrum CERN bei Genf ist das größte und aufwendigste technologische Projekt der Menschheit.

Rüdiger Vaas
 

9200 Ingenieure und Wissenschaftler aus 500 Instituten und 80 Ländern sind an der rund vier Milliarden Euro teuren Erkenntnismaschine beteiligt – und das im Gegensatz zu allen anderen Großprojekten ohne rigide Hierarchien und in einem eigenverantwortlichen Zusammenschluss vieler unabhängiger Forschungseinrichtungen weltweit. „Es ist erstaunlich, dass ein so gigantisches Unternehmen auf diese Weise realisiert werden kann, aber die Suche nach Erkenntnis ist für alle eine enorme Motivation“, sagt Thomas Müller von der Universität Karlsruhe.

Der ursprünglich zum Jahresende vorgesehene Beginn des LHC-Betriebs musste auf Mai 2008 verschoben werden. Das gab CERN-Generaldirektor Robert Aymar im Juni bekannt. Zum einen kamen viele kleine Verzögerungen bei den diversen Geräten und Detektoren zusammen. Zum anderen ereignete sich Ende März bei einem Test von einem der neun Magnete, die die beiden gegenläufigen Protonenstrahlen fokussieren werden, ein Störfall. Aufgrund eines Materialfehlers war der 13 Meter lange Magnet stark beschädigt worden. Die Reparatur des Magneten sowie die Nachbesserung der anderen dauert zu lange, um den ursprünglichen Termin noch halten zu können. Zwar wird die Verschiebung von den Physikern bedauert, aber sie erlaubt die Fertigstellung der Experimente und die Vorbereitung der Datenanalysen mit weniger Hast. Außerdem hat der CERN-Rat einer Aufstockung der Finanzmittel für 2008 bis 2011 um 150 Millionen Euro zugestimmt, was Endausbau und Forschungsbetrieb des LHC merklich erleichtern wird. Der LHC soll mindestens 10 bis 15 Jahre lang betrieben werden. Dann wollen ihn die Physiker noch leistungsfähiger machen.

Im LHC kreisen die Teilchen im Gegensinn in zwei getrennten Vakuum-Röhren, die im Querschnitt so groß sind wie zwei Brillengläser und sich an vier Punkten kreuzen. Dort finden die Kollisionen statt. Die Röhren stecken in einem 3,8 Meter großen Ringtunnel von 8,49 Kilometer Durchmesser, 50 bis 175 Meter unter der Erde.

Riesige unterirdische Hallen beherbergen die Detektoren. Zwei gigantische Vielzweck-Detektoren – ATLAS und CMS – suchen nach Higgs-Teilchen, Extradimensionen, supersymmetrischer Materie, zerstrahlenden Schwarzen Mini-Löchern und anderen Phänomenen:

• ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) hat das Ausmaß des Kirchenschiffs von Notre Dame – der Detektor ist 46 Meter lang, 25 Meter im Durchmesser groß und 7000 Tonnen schwer. Dafür verantwortlich sind rund 2000 Wissenschaftler und Ingenieure von 165 Instituten in 35 Ländern.
• CMS (Compact Muon Solenoid) ist 21 Meter lang, 16 Meter im Durchmesser groß und 12 500 Tonnen schwer. Ihn bauten und betreiben rund 2000 Forscher von 159 Instituten aus 37 Ländern.

Außerdem gibt es zwei große Spezial-Detektoren, nämlich:

• ALICE (A Large Ion Collider Experiment) ist 25 Meter lang, 16 Meter breit und wiegt zirka 1000 Tonnen. ALICE wird die Kollisionen von Blei-Atomkernen analysieren, die ein Quark-Gluonen-Plasma erzeugen. Dieser Materiezustand herrschte im ersten Sekundenbruchteil nach dem Urknall im Universum.
• LHCb (LHC-beauty) – 7,6 Meter breit und 6,2 Meter hoch – ist spezialisiert auf die Analyse der Wechselwirkung von Teilchen, die Beauty-Quarks enthalten. Das Experiment soll unter anderem das Rätsel des Materie-Überschusses gegenüber der Antimaterie lösen helfen.

Quasi nebenbei betreibt das CERN noch noch zwei weitere Detektoren:

• TOTEM (Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation) wird die Streuung von Protonen an anderen Protonen bei niedrigen Energien vermessen und Informationen über die Kollisionsraten am LHC geben.
• LHCf (LHC-forward) ist ein Experiment der Astroteilchenphysik. Es wird die Wechselwirkung der Kosmischen Strahlung mit der Atmosphäre studieren.

Der LHC besitzt zur Beschleunigung der Teilchen rund 9300 Magnete, 1232 Dipole, 858 Quadrupole und 6208 Korrekturmagnete. Er erzeugt ein Magnetfeld von 8,33 Tesla. Die supraleitenden Kabel der LHC-Magnete sind so lang, dass sie 6,8 Mal um den Äquator gewickelt werden könnten. Alle Fasern zusammen würden 5 Mal von der Erde zur Sonne und zurück reichen und noch ein paar Mal zum Mond.

Mit 1,9 Grad über dem absoluten Nullpunkt sind die Magnete kälter als der Weltraum. Sie sind gleichsam der größte Gefrierschrank der Welt. Diese Betriebstemperatur wurde erstmals am 10. April 2007 beim Test eines drei Kilometer langen Teilstücks erreicht.

Der Energiebedarf des LHC beträgt rund 120 Megawatt – vergleichbar mit dem Strombedarf von Genf. Um Geld zu sparen, wird der LHC im Winter abgestellt. In dieser Zeit werden die Geräte gewartet. Imposant sind auch die Daten zur Physik des LHC:

Die Protonen im LHC bewegen sich mit 99,9999998 Prozent der Lichtgeschwindigkeit. Jedes Teilchen rast über 11 000 Mal pro Sekunde durch den Ring. Die beiden Protonenstrahlen sollen 10 bis 20 Stunden lang kreisen und werden aus 2808 „Bündeln“ bestehen, von denen jedes 1,15

• 1011 Protonen enthält. In jedem Strahl stecken 362 Megajoule Energie – das entspricht der Bewegungsenergie eines ICE-Zugs bei 150 Kilometer pro Stunde.

Die Energie bei der nur 10–12 Sekunden dauernden Kollision zweier Protonen beträgt bis zu 14 Teraelektronenvolt (1012 Elektronenvolt). Das entspricht dem 14 000-Fachen der Ruhemasse eines Protons. 1 Teraelektronenvolt ist etwa die Bewegungsenergie einer fliegenden Mücke. Die Kollisionsenergie der Bleikerne wird 1144 Teraelektronenvolt betragen.

Von den Myriaden an Kollisionsereignissen werden pro Jahr rund eine Milliarde gespeichert – eine Datenmenge von einer Million Gigabyte, die nur in weltweiter Zusammenarbeit analysiert werden kann. Das einzige deutsche Grid-Rechenzentrum steht am Forschungszentrum Karlsruhe.

Übrigens: Wie sein Vorgänger LEP (Large Electron Positron Collider) wird der Teilchenstrahl im LHC so empfindlich justiert sein, dass sich an ihm minimale Effekte der Schwerkraft ablesen lassen – zum Beispiel durch die Schneeschmelze im Jura-Gebirge oder den Umlauf des Mondes. ■

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