LHC: Erkennen, was die Welt zusammenhält

Experimente

Higgs-Zerfall An vier Stellen am Ring befinden sich Versuchsaufbauten, die sogenannten Experimente. Deren Aufgabe ist es, die Kollisionen zu registrieren und Daten zu sammeln. Sie sind darauf optimiert, Elektronen, Myonen und hochenergetische Photonen, sogenannte "Jets", von Quarks und Gluonen sowie fehlende transversale Energie, die eine indirekte Messung der direkt nicht nachweisbaren Neutrinos erlaubt, zu registrieren. Hochauflösende Vertexdetektoren erkennen längerlebige Teilchen. Sie sollen schwere Quarks, vor allem sogenannte Bottom-Quarks, identifizieren. Diese sind ein Indiz für viele Reaktionen der supersymmetrischen Theorie und für Higgs-Zerfälle.

Dabei müssen die Detektoren rund 100 Milliarden Teilchen mit Datenraten in der Größenordnung von TByte pro Sekunde verarbeiten. Diese Datenraten stellen neben der Materialschädigung durch Strahlung enorme Anforderungen an die Detektoren. Die Strahlungsdosis, welche die Detektoren in der Nähe der Wechselwirkungszone in zehn Jahren verkraften müssen, beträgt 1 Billiarde Teilchen pro Quadratzentimeter oder 600 Kilogray. Dies ist zwei Milliarden Mal mehr als die bei einer Röntgenaufnahme der Lunge absorbierte Strahlendosis.

Atlas Die beiden Vielzweckdetektoren Atlas und CMS haben im Prinzip die gleiche Aufgabe: Sie zeichnen auf, was passiert, wenn Protonen miteinander kollidieren. So kann ein Experiment unter Umständen eine Entdeckung des andere Experiments bestätigen. Oberste Priorität hat dabei das Higgs-Boson.

Der 46 Meter lange und 25 Meter hohe Atlas ist der größte je gebaute Detektor der Teilchenphysik. Er bestimmt die Impulse geladener Teilchen mit einem inneren supraleitenden Solenoidmagneten mit einer Feldstärke von 2 Tesla und einem großen Toroidmagneten ohne Eisenkern. So soll er Myonen sehr genau messen können. Mehrere verschiedene Detektoren verfolgen die Spuren der Teilchen. Zudem verfügt Atlas über mehrere Kalorimeter, die die Gesamtenergie von Teilchen messen, sowie Driftkammern, in denen Myonen nachgewiesen werden können. Myonen sind Teilchen, die Elektronen ähneln, aber schwerer sind.

CMS Der CMS (Compact Muon Solenoid) ist mit 12.500 Tonnen das schwerste der Experimente. Es will dem Higgs-Teilchen mit einem Kalorimeter aus Blei-Wolframat-Kristallen auf die Spur kommen. Diese Kristalle können sehr gut hochenergetische Photonen, wie sie bei Higgs-Zerfällen auftreten, nachweisen. Ein Halbleiterspurdetektor in einem Solenoidmagneten registriert ebenfalls Teilchenspuren. Wie Atlas verfügt auch CMS über mehrere Detektoren für Myonen.

An Hand der vom vierten Experiment, dem LHCb, gesammelten Daten wollen Wissenschaftler herausfinden, warum die Natur Materie der Antimaterie vorzieht. Wenn die Teilchen im LHC mit beinahe Lichtgeschwindigkeit kollidieren, simulieren sie die Situation, die nach dem Hundertstel einer Milliardstel Sekunde nach dem Urknall herrschte. In dem Moment entstand aus Energie Materie in Form von Paaren aus Quarks und Antiquarks. Heute existiert ein solches Gleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie nicht mehr. Der LHCb soll dazu beitragen, herauszufinden, woher diese Asymmetrie kommt.

Alice Alice schließlich soll die Reaktionen untersuchen, die bei der Kollision von Bleiionen entstehen. Dabei entstehen so hohe Energiedichten, dass ein neuer Materiezustand auftritt, das Quark-Gluon-Plasma.

Hadronen, wie die Kernbausteine Neutronen und Protonen, sind nicht die kleinsten Teilchen, sondern bestehen ihrerseits wieder aus Quarks, die von Gluonen zusammengehalten werden. Die Bindung zwischen den Quarks ist sehr stark. Allerdings sollen sie unter bestimmten Bedingungen freigesetzt werden: bei einer Temperatur, die 100.000-mal höher ist als die im Innern der Sonne, oder einer Dichte, wie sie im Zentrum von Neutronensternen auftritt. Die Quarks verbinden sich dann nicht mehr zu Hadronen, sondern bilden zusammen mit den Gluonen das Quark-Gluon-Plasma. Mit Alice wollen die Wissenschaftler diesen Zustand, in dem die Materie sich einige Milliardstel Sekunden nach dem Urknall befand, erforschen.