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Finaler Reboot des LHC

Er wird mit Hochspannung erwartet: der Reboot des Large Hadron Collider (LHC) [1] (Abb. 1 und 2) am CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) [1], des weltweit größten Teilchenbeschleunigers [1], mit dem im Jahr 2012 das Higgs-Teilchen (Higgs-Boson) [1] entdeckt wurde.

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Abb. 1 Schematische Darstellung der Lage des Large Hadron Collider
in der Nähe der Stadt Genf (Schweiz) und dem Genfer See (links oben).
Im Hintergrund befinden sich die Alpen mit dem Mont Blanc.
© CERN/ATLAS

 

Zuvor war der Beschleuniger während einer zweijährigen Auszeit wegen Wartungsarbeiten und Reparaturen "auf Vordermann" gebracht worden.

Der erste Lauf des LHC erfolgte im Zeitraum von November 2009 bis zum Februar 2013.

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Abb. 2 Blick in das "Herz" des Large Hadron Collider.
© CERN

 

Der Hochspannung wurde jedoch am 21. März, wenige Tage vor dem Start des LHC, ein jähes Ende gesetzt. Schuld daran war ein Kurzschluß, der bei einer Energie von 6,5 Terra-Elektronenvolt (TeV) [1] die Stromversorgung zu einem der Magneten [1] des Beschleunigers unterbrach.

Ein ähnliches Problem trat vor dem Start der ersten Inbetriebnahme des LHC im Jahr 2008 auf. Damals war der betreffende Magnet bereits in Betrieb. Dieses Mal konnte das verhindert werden.

Nach erfolgreichen Tests (Abb. 3) könnten bereits an diesem Wochenende (Sonntag-Montag) kleinste Teilchen, die Protonen [1], im Beschleuniger auf nahezu Lichtgeschwindigkeit [1] gebracht werden. Bei diesem 2. Lauf des Beschleunigers können Teilchen mit noch höherer Energie und einer noch größeren Rate aufeinanderprallen.

Innerhalb der nächsten drei Jahre sollen die (bis auf rund 7 TeV beschleunigten) Teilchen bei ihrer Kollision bis zu 14 TeV (Kollisioneenergie) freisetzen, doppelt so viel Energie wie bisher (zunächst 7 TeV, danach 8 TeV). [Vergleich: die Beschleunigung von Elektronen [1] in einer sog. Elektronenröhre [1] erfolgt auf rund 20.000 eV.]

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Abb. 3 Letzte Tests vor dem Reboot des LHC.
© M. Brice, D. Dominguez/CERN

 

Weshalb zunächst 13 TeV?
Der LHC wurde für eine maximale Kollisionsenergie [1] von 14 TeV konstruiert. Zunächst soll die Energie der Teilchenkollisionen im 2. Lauf jedoch maximal 13 TeV erreichen, um die Bereitstellung der Teilchen für die Kollisionen zu optimieren. Dabei sind im Beschleunigerring (Durchmesser 27 Kilometer) insgesamt 1.232 supraleitende Dipolmagnete [1] im Einsatz.

Je höher die Strahlenergie [1], desto höher muß das zugehörige Magnetfeld [1] sein, um die schnellen Teilchen auf einer konstanten Bahn im Beschleunigerring zu halten; umso höher ist der elektrische Strom, der die dazugehörigen Magnetspulen durchfließt. Bei den vom LHC verwendeten Strahlenergien fließen bis zu 12.000 Ampère [1] durch die Kabel. Nur ein ausgeklügelter Kühlmechanismus kann die Aufheizung der Kabel, Spulen und Magnete verhindern und die supraleitenden Eigenschaften der Bestandteile des LHC erhalten.

Ein erfolgreiches Betreiben des Beschleunigers hängt vor allem davon ab, ob die darin kreisenden Protonen "auf Kurs" gehalten werden. Jede Abweichung von der Kreisbahn könnte dazu führen, dass die Protonen die Wände der Magnete streifen und diese zum Schmelzen bringen.

Vor der Neu-Inbetriebnahme des LHC wurden sämtliche Magnete auf einen Stromdurchfluß getestet, der einer Kollisionsenergie von mehr als 14 TeV entspricht. Jedoch werden die Magnete beim finalen Anschalten zunächst nur mit 450 GeV (Giga-Elektronenvolt) [1] arbeiten, danach aus Zeitgründen auf eine Kollisionsenergie von 13 TeV "trainiert" (Juni 2015) bevor ein langwieriger Prozess sie schließlich auf 14 TeV "hochfährt".

Jedoch erhoffen die Forscher bereits bei einer Kollisionsenergie von 13 TeV neue wissenschaftliche Ergebnisse, denn eine höhere Kollisionsenergie ermöglicht die Erzeugung (und die Messung) neuer Teilchen mit höherer Masse als bisher.

Neue Erwartungen
Die Erhöhung der Teilchenkollisionen soll die Erforschung des Higgs-Teilchens weiter vorantreiben, die bisherigen Ergebnisse stützen und zum besseren Verständnis der Naturgesetze [1] führen (Abb. 4).

Die Forscher hoffen im 2. Lauf des LHC

  • Beweise für das Standardmodell der Teilchenphysik [1] zu finden,
  • neue Teilchen zu entdecken, beispielsweise das Z'-Teilchen [1],
  • auf ein (weiteres) neues Higgs-Teilchen zu stoßen; denn die Theorie führt bei dem bisher entdeckten Higgs-Teilchen zu Problemen; und
  • Beweise für die Existenz der sog. Dunklen Materie [1], einer unsichtbaren Substanz, die rund 26,8 Prozent der Masse des Universums ausmacht, zu erhalten. Bislang ist nicht geklärt, aus welchen Teilchen diese Dunkle Materie bestehen könnte.

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Abb. 4 Ergebnis einer Teilchenkollision im ATLAS-Detektor [1]
des LHC. © ATLAS/CERN

 

Bis zum Jahr 2022 wird der LHC rund zehn Mal so viele Daten erzeugen wie bisher.

Die Wissenschaftler erwarten innerhalb der nächsten Monate und Jahre eine "neue Sicht" auf das Universum. Möglicherweise könnte der 2. Lauf des LHC eine physikalische Revolution einleiten. Allerdings weiß bisher niemand, was die Forscher tatsächlich erwartet, und wie eine "neue Physik" aussehen könnte.

Der LHC soll bis zum Jahr 2035 in Betrieb bleiben und wird den Forschern hoffentlich zahlreiche neue Einblicke gewähren wie das Universums tatsächlich funktioniert.

Über neue Entdeckungen am LHC halten wir Sie auf dem Laufenden.

 

Falls Sie Fragen und Anregungen zu diesem Thema haben, schreiben Sie uns unter kontakt@ig-hutzi-spechtler.eu

 

Ihre
IG Hutzi Spechtler – Yasmin A. Walter

 

Quellenangaben:

[1] Mehr Information über astronomische Begriffe
www.wikipedia.de

[2] Mehr Information über das CERN und den LHC
home.web.cern.ch

 

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