Bereit für die zweite Laufzeit – die Detektoren am LHC

Mehr als zwei Jahre stand der LHC still. Diese Zeit nutzten die Teams von ATLAS und CMS, um die beiden großen Experimente am Large Hadron Collider auf den bevorstehenden Betrieb mit höheren Protonenenergien und Kollisionsraten vorzubereiten. Ein besonderes Augenmerk lag darauf, den Langzeitbetrieb einzelner Systeme zu gewährleisten, aber auch die Auflösung, Detektoreffizienz und Ereignisauswahl wurden verbessert.

Zwischen 2009 und 2012 prallten im LHC-Beschleuniger insgesamt rund drei Billiarden Protonen aufeinander – und erzeugten dabei sowohl bekannte als auch noch unbekannte Elementarteilchen und Materiezustände. Die wissenschaftliche Ausbeute aus den gesammelten Daten lässt sich durchaus als grandios bezeichnen: Die Forscher an ATLAS und CMS – den beiden großen Experimenten am LHC – haben jeweils rund vierhundert Artikel in Fachzeitschriften veröffentlicht, weitere hundert sind in Arbeit. Gut zehntausend Spuren von Higgs-Bosonen, die Physiker in den LHC-Daten aufspürten, ermöglichten 2012, die Entdeckung des lange gesuchten Teilchens zu verkünden und mittlerweile auch einige seiner Eigenschaften recht gut zu vermessen.

Teilchenspuren im ATLAS-Detektor

Die Experimente ATLAS und CMS sind schalenförmig um die Kollisionspunkte der gegenläufigen Protonenpakete aufgebaut und bestehen aus unterschiedlichen Detektorsystemen, in denen sich nicht nur die Art der Teilchen bestimmen lässt, sondern auch deren Energie und Impuls. In den beiden 7000 und 14 000 Tonnen schweren Experimenten ATLAS und CMS entstehen pro Sekunde vierzig Millionen dreidimensionale Aufnahmen mit jeweils rund tausend Teilchenspuren. Die Ortsauflösung der Flugbahnen liegt bei etwa zehn Mikrometern – dem Bruchteil einer Haardicke –, die Teilchenenergie lässt sich auf ein bis zwei Prozent genau bestimmen.

Während der ersten Laufzeit, insbesondere in den letzten Monaten, übertraf die Effizienz der Detektoren alle Erwartungen: Mehr als 96 Prozent aller Ereignisse am Kollisionspunkt konnten erfasst werden. In der Betriebspause von 2013 bis März 2015, dem sogenannten langen Shutdown LS1, bereiteten die Wissenschaftler und Ingenieure am CERN sowohl den Beschleuniger als auch die Experimente auf den kommenden „Run“ vor.

Denn in den nächsten Jahren sollen die Protonenstrahlen im LHC eine deutlich höhere Schwerpunktsenergie besitzen: Zunächst 13 und später sogar 14 Teraelektronenvolt, statt den bisher erreichten acht Teraelektronenvolt. Außerdem soll die Kollisionsfrequenz verdoppelt werden, sodass alle 25 Nanosekunden zwei gegenläufige Teilchenpakete aufeinanderkrachen.

ATLAS und CMS

Bei ATLAS und CMS installierte man ein neues Strahlrohr, durch das die Protonen zum Kollisionspunkt geleitet werden. Die ausgetauschten Rohre bestehen nicht mehr aus Stahl, sondern aus Aluminium, und haben einen kleineren Radius als ihre Vorgänger. Weil die Detektoren schalenförmig um den Kollisionspunkt angeordnet sind, entsteht dadurch Platz für eine weitere Lage sogenannter Siliziumpixeldetektoren. Nur wenige Zentimeter von den Teilchenkollisionen entfernt sind diese Detektoren aus vielen winzigen, rechteckigen Sensoren zusammengesetzt und zeichnen die Teilchenspuren auf.

Einige Teilchen lassen sich nur in diesen innersten Detektoren identifizieren, darunter beispielsweise das sogenannte Bottom-Quark – eines der sechs bekannten Quarktypen. Allerdings sind die Siliziumpixeldetektoren durch ihre Nähe zum Kollisionspunkt einer enormen Strahlungsbelastung ausgesetzt, und das verkürzt die Lebensdauer der Instrumente. Denn hochenergetische Teilchen können das Kristallgitter des Siliziums beschädigen – und damit im Lauf der Zeit die Funktion der Sensoren beeinträchtigen. Daher müssen die innersten Lagen nach einigen Jahren ausgetauscht werden.

Insertable B-Layer im ATLAS-Experiment

Einen solchen Austausch umging das Team von ATLAS, indem es bereits im vergangenen Jahr eine weitere Lage in den Detektor schob: den Insertable B-Layer, kurz IBL, der mit neuer strahlungstoleranter Technologie ausgerüstet ist. Mit der zusätzlich eingebauten Lage können Physiker noch näher am Kollisionspunkt messen – und interessante Teilchenreaktionen noch präziser erfassen.

Das CMS-Team plant seinen dreilagigen Pixeldetektor im Januar 2017 gegen einen vierlagigen auszutauschen. Die lange Betriebspause nutzte es, um den jetzigen Detektor zu verbessern: Im ersten Run funktionierten nur rund 96 Prozent der Sensoren, jetzt sind es mehr als 99 Prozent. Außerdem senkten die Wissenschaftler und Ingenieure die Temperatur des Siliziumspurendetektors um zwanzig Grad ab, um einem Effekt der Strahlenbelastung entgegenzuwirken: Normalerweise ionisiert ein durchquerendes Teilchen die Siliziumatome, und die dabei erzeugten freien Ladungsträger lassen sich dann mithilfe einer speziellen Elektronik nachweisen. Durch Gitterfehler – verursacht durch die intensive Strahlung – entsteht nun ein zusätzlicher permanenter Stromfluss in den Sensoren. Dieser unerwünschte Effekt nimmt zu, bis die Detektorelemente schließlich nicht mehr betriebsfähig sind. Genau dieser Fall wäre bereits 2016 eingetreten, wenn man nicht die Temperatur abgesenkt hätte.

Denn durch Herabkühlen lässt sich der Betriebsstrom reduzieren, pro sieben Grad um die Hälfte. Die dafür nötigen Kühlrohre bringen allerdings ein weiteres Problem mit sich: In ihrer Nähe kondensiert Wasser aus der Luft an den teils empfindlichen Bauteilen des Detektors und kann elektrische Verbindungen kurzschließen. Um die Luftfeuchtigkeit zu senken, versiegelte das CMS-Team den Detektor und seine Zuleitungen hermetisch und installierte zwei neue Trockengasanlagen mit dem Zwanzigfachen der ursprünglichen Kapazität.

Alles auf Start

Ein weiteres wichtiges Projekt der LS1 war das Triggersystem bei ATLAS. Denn längst nicht jede Reaktion am Kollisionspunkt ist für die Forscher interessant und so wird anhand bestimmter Kriterien automatisch eine Vorauswahl getroffen: Weniger als 0,0025 Prozent der aufgenommenen Daten werden überhaupt gespeichert. Mit einem sogenannten toplogischen Trigger gehen die Forscher bei ATLAS künftig neue Wege. Bisher werden für die Entscheidung, ob ein Ereignis interessant ist, einerseits die Anzahl hochenergetischer Myonen – diese Elementarteilchen ähneln in vielen Eigenschaften den Elektronen, sind aber zweihundertmal schwerer – und andererseits Ereignisse ab einer vordefinierten Energie gezählt. Künftig fließt auch die Richtungsinformation in die Berechnungen ein. All dies geschieht innerhalb weniger Mikrosekunden und verbessert nochmals die Auswahl von lohnenden Ereignissen.

Myonendkappe bei CMS

Darüber hinaus fügte man in den Außenbereichen von ATLAS acht kleine und vier große Sektoren zu den Myonkammern hinzu. In diesen Kammern lässt sich aus der Krümmung der Teilchenbahnen in einem Magnetfeld auf die Geschwindigkeit der Myonen schließen. Insgesamt wuchs die Fläche bei ATLAS nun um mehr als achtzig Quadratmeter an.

Das CMS-Team erweiterte seinen Detektor gleich um zwei komplette Myonendkappen: 72 neue Kammern mit einer Fläche von insgesamt zweihundert Quadratmetern wurden an den Enden des gesamten Detektors installiert und ergänzen nun die bereits existierenden 468 Kammern. Durch die zusätzlichen Myonkammern lassen sich die Spuren der Teilchen weiter verfolgen, was die Impulsauflösung verbessert. Und das ist – bei den erwarteten höheren Kollisionsraten im zweiten Run – wichtig für das Triggersystem. Außerdem wurde eine 125 Tonnen schwere Scheibe zum CMS-Detektor hinzugefügt, um die Myonkammern vor gestreuten Neutronen abzuschirmen.

Die Detektoren sind damit nun bestens auf die zweite Laufzeit vorbereitet. Durch die deutlich höhere Protonenenergie wird es dann möglich sein, massereichere Teilchen zu produzieren und damit vielleicht neue Physik aufzudecken. Nach dem Fund des Higgs-Bosons in im ersten Run stellen sich die Fragen: Werden wir endlich Dunkle Materie, supersymmetrische Teilchen oder zusätzliche Dimensionen aufspüren?