Häufige Fragen zum LHC

Welchen Energieverbrauch hat der LHC? Wie schnell sind die Protonen im LHC? Und welche Hauptziele werden mit dem LHC überhaupt verfolgt? Kurz und prägnant finden Sie hier die Antworten auf diese und viele andere Fragen.

Allgemeines

• Wofür steht „LHC“?

• Wann wurde der LHC geplant?

• Wie verläuft der Weg der Teilchen bis zum LHC?

• Wieso verläuft der LHC unterirdisch?

• Welche Energien werden am LHC untersucht?

• Welche Hauptziele werden mit dem LHC verfolgt?

Die Maschine

• Was sind die Hauptbestandteile eines Beschleunigers?

• Wie gut ist das Vakuum im LHC?

• Wie beschleunigt der LHC?

• Ist der LHC mondfühlig?

• Kreisen einzelne Protonen im LHC?

• Wie schnell sind die Protonen im LHC?

• Wie viele Zusammenstöße ereignen sich pro Sekunde?

• Für wie lange kreisen die Protonen im LHC?

• Welche Magnete kommen beim LHC zum Einsatz?

• Bildet der LHC einen perfekten Kreis?

• Was sind wichtige Parameter eines Teilchenbeschleunigers?

• Was hat es mit der Kühlung des LHC auf sich?

Detektoren

• Welche Detektoren gibt es am LHC?

• Wie werden Teilchen nachgewiesen?

• Wodurch ergibt sich die Form eines Detektors?

• Wie ist ein Detektor aufgebaut?

• Wie viele Higgs-Teilchen werden am LHC erzeugt?

• Mit welchem Datenaufkommen wird am LHC gerechnet?

Umwelt und Sicherheit

• Sind die Protonen-Zusammenstöße gefährlich?

• Welchen Energieverbrauch hat der LHC?

• Entsteht Radioaktivität?

• Wie wird der Zugang geregelt?

• Was passiert, wenn der Teilchenstrahl instabil wird?

• Welche Energie steckt in einem Teilchenstrahl?

Allgemeines

Wofür steht „LHC“?

„LHC“ ist die Abkürzung für „Large Hadron Collider“ (große Hadronen-Kollisionsmaschine).

Der LHC hat einen Umfang von knapp 27 Kilometern. Je größer ein Teilchenbeschleuniger ist, umso höhere Energien können in ihm erreicht werden. (Zusätzlich ist die maximal erreichbare Energie von der Stärke der eingesetzten Magnete abhängig, welche die Teilchen auf eine Kreisbahn bringen.)

Der LHC wird Protonen oder Blei-Ionen (Bleiatomkerne) beschleunigen. Beide Teilchen gehören zur Teilchenklasse der Hadronen (griechisch für schwer). Allgemein können Physiker auf gar nicht so viele verschiedene Teilchen für eine Beschleunigung zurückgreifen: Zum einen müssen die Teilchen elektrisch geladen sein, weil sie mit Hilfe von elektrischen Kräften beschleunigt werden. Zum anderen sollten die Teilchen nicht allzu schnell zerfallen. Dies begrenzt die Art der Teilchen auf Elektronen, Protonen und Ionen plus deren Antiteilchen. Hinzu kommt, dass Protonen, die rund 2000-mal so schwer wie Elektronen sind, in Kreisbeschleunigern wie dem LHC weit weniger Energie aufgrund der sogenannten Synchrotronstrahlung verlieren. Synchrotronstrahlung wird von elektrisch geladenen Teilchen abgegeben, wenn diese mit Hilfe von Magneten auf eine Kreisbahn gezwungen werden. Je kleiner die Masse, umso größer der Energieverlust durch Synchrotronstrahlung. Daher ist es einfacher, schwere Protonen und Ionen auf hohe Energie zu beschleunigen, als dies bei den leichten Elektronen der Fall ist.

Eine Kollisionsmaschine besteht aus zwei ringförmigen Beschleunigern, die gegenläufig operieren. An bestimmten Stellen werden die Teilchen aus den beiden Beschleunigern für Kollisionen zusammengeführt. Dies hat einen großen Vorteil gegenüber Beschleunigern, bei denen Teilchen auf ein festes Ziel prallen. Denn wenn zwei Teilchen mit derselben Energie aufeinanderstoßen, so wird dabei die doppelte Energie der Teilchen frei. Wenn ein Teilchen hingegen auf ein stehendes Ziel prallt, ist die Energie des Zusammenstoßes weit geringer. (Die frei werdende Energie ist in diesem Fall proportional zur Quadratwurzel der Energie des Teilchens.)

Wann wurde der LHC geplant?

Die Idee des LHC entsteht in den 1980er Jahren. Obwohl der LHC-Vorgänger LEP noch nicht gebaut war, überlegten die Teilchenphysiker bereits, wie der 27 Kilometer lange Ringtunnel von LEP in Zukunft für eine noch leistungsstärkere Maschine wieder verwendet werden könnte. In vielen Jahren Arbeit wurden die technischen Aspekte des LHC entwickelt. Im Dezember 1994 entschloss sich CERN dann, den Bau dieser Maschine zu befürworten.

Der finanzielle Rahmen erlaubte es zunächst nur, den LHC in zwei Stufen zu realisieren. Durch Zuwendungen von Japan, den Vereinigten Staaten und anderen Nicht-CERN-Staaten wurde jedoch 1995 beschlossen, das Projekt in einem Schritt durchzuführen. Zwischen den Jahren 1996 und 1998 wurden die vier LHC-Experimente ALICE, ATLAS, CMS und LHCb genehmigt und es begannen die Bauarbeiten an den vier Betriebsgeländen. Seitdem sind die beiden kleineren Experimente TOTEM und LHCf hinzugekommen.

Wie verläuft der Weg der Teilchen bis zum LHC?

Der Beschleunigerkomplex am CERN ist eine Abfolge von Teilchenbeschleunigern, in dem jede Maschine die beschleunigten Teilchen an die nächste übergibt, welche die Teilchen auf noch höhere Energien bringt. Im LHC, dem letzten Glied dieser Kette, erzielt jedes Proton eine Rekordenergie von sieben Billiarden Elektronenvolt.

Die Geschichte eines beschleunigten Protons liest sich wie folgt:

• Zunächst werden Wasserstoffatome einer Flasche mit Wasserstoffgas entnommen. Protonen erhält man daraus, indem die Elektronen von den Wasserstoffatomen abgestreift werden.
• Ein Linearbeschleuniger bringt die Protonen auf eine Energie von fünfzig Millionen Elektronenvolt (50 MeV).
• Der PS Booster (Proton Synchrotron Booster) beschleunigt die Protonen auf 1,4 Milliarden Elektronenvolt (1,4 GeV).
• Danach wird der Teilchenstrahl an das Protonen-Synchrotron (PS) übergeben, in dem die Teilchen eine Energie von 25 Milliarden Elektronenvolt (25 GeV) erreichen.
• Vom Protonen-Synchrotron werden die Teilchen in das Super Protonen-Synchrotron (SPS) geleitet. Hier werden die Teilchen auf eine Energie von 450 Milliarden Elektronenvolt (450 GeV) beschleunigt.
• Vom SPS aus werden die Protonen in den LHC überführt – in denjenigen Teil, der im Uhrzeigersinn beschleunigt, und in denjenigen, der für die entgegen gesetzte Richtung vorgesehen ist. Zwanzig Minuten dauert es, bis die Teilchen im LHC ein Energie von sieben Billiarden Elektronenvolt erreicht haben. Bei dieser Energie können sie für mehrere Stunden im LHC kreisen.

Neben der Untersuchung von Protonenzusammenstößen können am LHC auch die Kollisionen von Blei-Ionen studiert werden:

• Die Blei-Ionen stammen aus einem hochreinen Stück Blei, das auf eine Temperatur von ungefähr 550 Grad Celsius erhitzt wird. Es bildet sich Bleidampf, der mit Hilfe von Elektronen ionisiert wird. Dabei entstehen viele verschieden geladene Ionen, am häufigsten sind dabei 29-fach positiv geladene Blei-Ionen. Diese Ionen werden gesammelt und auf eine Energie von 4,2 Millionen Elektronenvolt pro Kernbestandteil beschleunigt, bevor sie durch eine Kohlenstofffolie geschickt werden, in der die meisten Ionen 54-fach positiv geladen werden. Diese Teilchen werden im Low Energie Ion Ring (LEIR) gesammelt und auf eine Energie von 72 Milliarden Elektronenvolt pro Kernbestandteil beschleunigt.
• Im Protonen-Synchrotron (PS) werden die Blei-Ionen auf 5,9 Milliarden Elektronenvolt pro Kernbestandteil (5,9 GeV/u) gebracht.
• Danach passieren sie eine zweite Folie, in der sie die restlichen Elektronen verlieren und jetzt 82-fach geladene Blei-Ionen sind.
• Im Super-Protonen-Synchrotron (SPS) werden die Blei-Ionen auf 117 Milliarden Elektronenvolt pro Kernbestandteil (177 GeV/u) beschleunigt.
• Der LHC bringt die Blei-Ionen dann schließlich auf eine Energie von 2,76 Billionen Elektronenvolt pro Kernbestandteil (2,76 TeV/u).

Wieso verläuft der LHC unterirdisch?

Für den LHC werden die Tunnelanlagen wiederverwendet, die für den LHC-Vorgänger LEP gebaut wurden. Ein unterirdischer Tunnel war die beste Lösung für die 27 Kilometer lange Maschine, weil ein Tunnel billiger als der Erwerb des oberirdischen Landes ist, er die Belastung für die Umwelt auf ein Minimum reduziert und der Erdboden über dem Tunnel eine gute Abschirmung gegen Strahlung darstellt.

Die Tiefe des Tunnels ergab sich aus geologischen und finanziellen Erwägungen. Er ist leicht geneigt mit einer Steigung von 1,4 Prozent. Seine Tiefe erreicht 175 Meter unter dem Jura-Gebirge und fünfzig Meter in Richtung des Genfer Sees.

Welche Energien werden am LHC untersucht?

Jedes Proton wird im LHC auf eine Maximal-Energie von sieben Billionen Elektronenvolt (7 TeV) beschleunigt, so dass die Kollisionsenergie zweier Protonen 14 Billionen Elektronenvolt beträgt. Bei den weit schwereren Blei-Ionen wird eine noch viel größere Kollisionsenergie von 1150 Billionen Elektronenvolt erreicht, die sich aber auf viele Kernbestandteile verteilt. Keine der beiden Energien wurde jeweils in einem Labor erzielt.

Eine Billion Elektronenvolt entsprechen in etwa der eher wenig beeindruckenden Bewegungsenergie einer Mücke. Beim LHC ist diese Energie jedoch auf einen Bereich konzentriert, der rund eine Million Million mal kleiner ist als eine Mücke.

Welche Hauptziele werden mit dem LHC verfolgt?

Unser derzeitiges Verständnis des Universums ist unvollständig. Dieses Wissen wird im sogenannten Standard-Modell der Teilchenphysik zusammengefasst, das mit Hilfe verschiedener Experimente gut getestet werden konnte und sich insbesondere erfolgreich bei der Vorhersage von Teilchen gezeigt hat. Dennoch bleiben viele Fragen offen, die der LHC zu beantworten helfen wird.

• Das Standard-Modell erklärt den Ursprung der Masse nicht, und auch nicht, wieso manche Teilchen sehr schwer sind, andere hingegen masselos. Eine Antwort auf diese Fragen könnte der sogenannte Higgs-Mechanismus sein. Danach ist der gesamte Raum vom sogenannten Higgs-Feld durchzogen, mit dem die Teilchen wechselwirken und auf diese Weise an Masse gelangen. Teilchen, die sehr stark mit dem Higgs-Feld wechselwirken, sind schwerer als solche, bei denen es nur zu einer leichten Wechselwirkung kommt. Mit diesem Higgs-Feld muss mindestens eine neue Teilchensorte verknüpft sein, die Higgs-Bosonen. Wenn diese Teilchen existieren, werden sie von den Experimenten am LHC aufgespürt werden.
• Das Standard-Modell der Teilchenphysik liefert keine einheitliche Beschreibung aller fundamentalen Kräfte. Denn es gestaltet sich schwierig, die Schwerkraft auf ähnliche Weise zu erklären wie die anderen Wechselwirkungen. Die sogenannte Supersymmetrie könnte eine vereinheitlichte Beschreibung vereinfachen. Wenn unsere Welt supersymmetrisch ist, muss es schwere supersymmetrische Partner zu jedem Teilchen geben. Die leichtesten supersymmetrischen Teilchen sollten am LHC gefunden werden können.
• Kosmologische und astrophysikalische Beobachtungen haben gezeigt, dass die sichtbare Materie im Universum nur etwa vier Prozent des Universums ausmacht. Der Rest besteht aus „Dunkler Materie“ (23 Prozent) beziehungsweise „Dunkler Energie“ (73 Prozent). Eine beliebte Idee ist, dass Dunkle Materie aus elektrisch neutralen supersymmetrischen Teilchen besteht, die mit dem LHC nachgewiesen werden könnten.
• Der LHC wird helfen, das Rätsel zu untersuchen, wieso wir in unserem Universum so viel Materie und so wenig Antimaterie finden, obwohl Materie und Antimaterie beim Urknall zu gleichen Teilen entstanden sein müssten.
• Mit Hilfe von Kollisionen von schweren Blei-Ionen kann am LHC ein Materiezustand untersucht werden, der zu Beginn des Universums existiert haben soll: das Quark-Gluon-Plasma. In diesem Gemisch bewegen sich Quarks frei, anstatt zu Teilchen wie Protonen oder Neutronen gefangen zu sein. In den Detektoren können die Eigenschaften des Plasmas und seiner Bestandteile sowie der Übergang des Plasmas zu normaler Materie untersucht werden.

Die Maschine

Was sind die Hauptbestandteile eines Beschleunigers?

In einem Beschleuniger kreisen Teilchen in einer Vakuumröhre und werden durch elektromagnetische Bauteile beeinflusst: Dipolmagnete halten die Teilchen auf einer kreisförmigen Bahn, Quadrupolmagnete bündeln die Teilchenstrahlen und Beschleunigerelemente bringen die Teilchen auf höhere Energien oder gleichen Energieverluste aus.

Wie gut ist das Vakuum im LHC?

Im LHC kommt nicht nur ein Vakuumsystem zum Einsatz, es sind gleich drei: eines für die gekühlten Magnete, eines für die Versorgungsleitungen mit flüssigem Helium und eines für das Teilchenstrahlrohr. Das beste Vakuum herrscht im Teilchenstrahlrohr. Es liegt bei 10^-13 Atmosphären. Mit diesem geringen Druck sollen zufällige Zusammenstöße der Protonen mit Luftmolekülen vermieden werden.

Wie beschleunigt der LHC?

Die Teilchenbeschleunigung erfolgt in sogenannten Hohlraumresonatoren. In ihnen werden die Teilchen mit Energie versorgt – um entweder auf die Zielenergie von sieben Billionen Elektronenvolt gebracht zu werden oder um Energieverluste beim Umkreisen auszugleichen und so für viele Stunden Teilchen mit der Zielenergie zur Verfügung stellen zu können.

Pro Strahl kommen im LHC jeweils acht Hohlraumresonatoren zum Einsatz, die jeweils zwei Megavolt (das entspricht einer Feldstärke von fünf Megavolt pro Meter) bei einer Frequenz von 400 Megahertz bereitstellen. Die Resonatoren arbeiten supraleitend bei 4,5 Grad Celsius über dem absoluten Nullpunkt. Sie sind dazu zu viert in Kältemodulen zusammengefasst und befinden sich in einem der geraden Abschnitte der Maschine.

Ist der LHC mondfühlig?

Wie beim Vorgänger LEP werden auch am LHC die Auswirkungen des Mondes auf die Erde spürbar sein. Zwar kommt es bei den LHC-Experimenten nicht ganz so sehr auf die exakte Kollisionsenergie an wie bei den LEP-Experimenten, dennoch werden Gezeiteneffekte bei der Injektion der Teilchen in den LHC berücksichtigt werden müssen.

Denn die Anziehung von Mond und Erde wirkt sich nicht nur auf das Wasser der Ozeane aus, auch die Erdkruste ist davon betroffen. Dies führt dazu, dass sich die Erde in der Genfer Region bei Neumond und Vollmond um etwa 25 Zentimeter hebt. Dadurch ändert sich der Umfang des LHC um etwa einen Millimeter (bei einer Gesamtlänge von 26,6 Kilometern). Diese Änderungen müssen von den Physikern berücksichtigt werden.

Kreisen einzelne Protonen im LHC?

Nein, vielmehr sind die Protonen zu Teilchenpaketen gruppiert. Ein LHC-Teilchenstrahl besteht aus 2808 solcher Teilchenpakete, die jeweils rund hundert Milliarden Protonen enthalten.

Die Größe der Teilchenpakete ändert sich im Verlauf einer Umrundung. Weit entfernt von den Kollisionspunkten ist ein Teilchenpaket rund einen Millimeter breit. Kurz vor den Detektoren werden die Teilchenpakete magnetisch auf 16 Mikrometer zusammengedrückt, um dadurch die Wahrscheinlichkeit für Zusammenstöße zu erhöhen. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar ist rund fünfzig Mikrometer dick.

Wie schnell sind die Protonen im LHC?

Die Protonen sind mit nahezu Lichtgeschwindigkeit (99,9999991 Prozent) unterwegs und bringen es dabei auf 11.245 Umläufe pro Sekunde.

Wie viele Zusammenstöße ereignen sich pro Sekunde?

Bis zu 600 Millionen.

Im LHC sind viele Teilchen unterwegs: Jeder Teilchenstrahl besteht aus 2808 Teilchenpaketen, wobei jedes dieser Pakete rund hundert Milliarden Protonen enthält. Da die Protonen extrem winzig sind, ist die Wahrscheinlichkeit für einen Zusammenstoß sehr gering: Wenn zwei Teilchenpakete mit ihren 200 Milliarden Protonen aufeinander prallen, kommt es nur zu etwa zwanzig Zusammenstößen. Dies geschieht etwa dreißig Millionen Mal pro Sekunde, so dass sich bis zu 600 Millionen Kollisionen pro Sekunde ereignen.

Für wie lange kreisen die Protonen im LHC?

Die Teilchenstrahlen können für bis zu zehn Stunden im LHC verweilen, bevor sie erneuert werden.

Da es ein Proton auf 11.245 Umläufe pro Sekunde bringt, legen die Teilchen eine Strecke von zehn Milliarden Kilometern zurück – das reicht aus, um zum Planeten Neptun und zurück zu gelangen.

Welche Magnete kommen beim LHC zum Einsatz?

Für den LHC kommen viele verschiedene Magnettypen zum Einsatz: Dipole, Quadrupole, Sextupole, Oktopole, Dekapole und so weiter. Insgesamt finden rund 9600 Magnete Verwendung. Jeder Magnet hat dabei die Aufgabe, die Bahn der Teilchen zu optimieren.

Die meisten kleineren Korrekturmagnete sind in die großen Dipol- und Quadrupolmagnete integriert. Die größten Magnete sind die 1232 Hauptdipolmagnete. Sie bringen die Teilchen auf eine Kreisbahn und sind so aufgebaut, dass sie beide Teilchenstrahlrohre umgeben. An den Kollisionspunkten bündeln spezielle Quadrupolmagnete die Teilchenstrahlen auf ein Minimum und erhöhen somit die Wahrscheinlichkeit dafür, dass es zu einem Teilchenzusammenstoß kommt.

Die Hauptdipolmagnete stellten die größte technologische Herausforderung für den LHC dar. Da die Bahn der Teilchen durch den Tunnel bereits festgelegt war, bestimmt die Stärke der Magnete, welche Teilchenenergien erreicht werden können. Beim LHC kommen Magnete mit einer sehr großen Feldstärke von 8,3 Tesla zum Einsatz. Diese kann nur mit Hilfe supraleitender Technologie erreicht werden. Dafür werden die Magnete auf minus 269,4 Grad Celsius herabgekühlt – das ist nur 1,9 Grad über dem absoluten Temperaturnullpunkt – und von einem Strom von 11.700 Ampere durchflossen. Jeder dieser Hauptdipolmagnete ist 15 Meter lang und wiegt rund 35 Tonnen.

Bildet der LHC einen perfekten Kreis?

Der LHC ist kein perfekter Kreis. Er besteht vielmehr aus acht Kreisbögen, die durch gerade Abschnitte von rund 528 Metern Länge verbunden sind. Die Bögen enthalten jeweils 154 Dipolmagnete zur Ablenkung der Teilchen. Der genaue Aufbau der geraden Abschnitte hängt davon ab, wie der jeweilige Bereich genutzt wird – ob für Teilchenkollisionen in einem der Detektoren, für die Injektion der Teilchen, die Teilchenstrahlentsorgung oder die Teilchenstrahlreinigung.

Die gesamte ringförmige Anlage wird in acht Sektoren beziehungsweise Oktanten unterteilt. Als Sektor wird ein Teil der Maschine zwischen der Mitte zweier benachbarter gerader Abschnitte bezeichnet. Diese Einteilung wird als eine Arbeitseinheit für den LHC verwendet: Die Montage der Magnete etwa erfolgt Sektor für Sektor, die Anlage wird Sektor für Sektor in Betrieb genommen und alle Dipolmagnete in einem Sektor sind in Reihe geschaltet. Auch die Stromversorgungen der acht Sektoren sind unabhängig voneinander. Ein Oktant hingegen reicht von der Mitte eines Bogens bis zur Mitte des nächsten Bogens und überstreicht damit einen geraden Abschnitt vollständig. Die Beschreibung der Anlage mit Hilfe von Oktanten eignet sich daher besser, wenn es um die Beschreibung der Detektoren, die Magnete zur Vorbereitung der Kollisionen, die Injektion, die Strahlentsorgung oder die Strahlreinigung geht.

Was sind wichtige Parameter eines Teilchenbeschleunigers?

Teilchenbeschleuniger werden gebaut, um seltene Prozesse zu untersuchen, deren Wahrscheinlichkeit von der Kollisionsenergie abhängt. Daher sind für Physiker die Energie der Teilchen und die Anzahl der Zusammenstöße die beiden wichtigsten Parameter eines Teilchenbeschleunigers. Es ist daher wichtig, an den Stellen der Kollision so viele Teilchen wie möglich in einen so kleinen Bereich wie möglich zu packen – und das mit der gewünschten Energie.

Konkret hängt die Häufigkeit für einen bestimmten Prozess von der sogenannten Luminosität ab. Diese Größe ergibt sich aus der Anzahl der Teilchen in den beschleunigten Teilchenpaketen, der Zahl der Teilchenpakete, der Umlaufhäufigkeit und dem Teilchenstrahlquerschnitt.

Was hat es mit der Kühlung des LHC auf sich?

Der LHC ist das größte gekühlte System auf der Welt und einer der kältesten Orte auf der Erde. Mit 1,9 Grad Celsius über den absoluten Nullpunkt (1,9 Kelvin) werden im LHC Temperaturen erreicht, die kälter sind als das Weltall (2,7 Kelvin).

Die tiefen Temperaturen werden für die Magnete benötigt, welche die Protonen auf eine Kreisbahn bringen. Es dauert mehrere Wochen, um den LHC auf seine Betriebstemperatur herabzukühlen.

Detektoren

Welche Detektoren gibt es am LHC?

Am LHC gibt es sechs Experimente:

• ALICE (A Large Ion Collider Experiment)
• ATLAS
• CMS (Compact Muon Solenoid)
• LHCb (Large Hadron Collider beauty experiment)
• LHCf (Large Hadron forward experiment)
• TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement)

Siehe LHC-Glossar und die LHC-Experimente.

Wie werden Teilchen nachgewiesen?

Ziel der LHC-Physiker ist es, für jeden Zusammenstoß möglichst genaue Angaben über die entstehenden Teilchen zu erlangen. Schon die Bahn der Teilchen gibt wichtige Informationen – vor allem wenn es sich um ein geladenes Teilchen in einem Magnetfeld handelt. Denn das Magnetfeld krümmt die Bahn. Positiv geladene Teilchen werden dabei in andere Richtungen gekrümmt als negativ geladene Teilchen. Auch der Impuls der Teilchen (eine Eigenschaft, die sich aus dem Produkt von Geschwindigkeit und Masse ergibt) lässt sich auf diese Weise bestimmen: Teilchen mit sehr hohem Impuls verfolgen eine nahezu gerade Bahn, Teilchen mit geringem Impuls können auf Spiralbahnen geraten.

Wodurch ergibt sich die Form eines Detektors?

Ein wesentliches Designkriterium für moderne Allzweckdetektoren ist, dass ihnen möglichst wenige Teilchen entgehen. Aus diesem Grund muss die Wahrscheinlichkeit gering gehalten werden, dass ein nachweisbares Teilchen einen Ausweg aus dem Detektor findet, der nicht instrumentiert ist. Aus technischen Gründen bietet sich dabei die Form eines Zylinders mit zwei Endkappen an. Im Zylinder werden die eher senkrecht zu den Teilchenstrahlen davon eilenden Teilchen registriert, in den kreisförmigen Endkappen können Teilchen nachgewiesen werden, deren Bahn eher parallel zum Teilchenstrahl verläuft. ATLAS und CMS besitzen diese Form.

Da sich ALICE und LHCb auf weniger allgemeine Fragen der Physik konzentrieren, ist deren Form asymmetrisch.

Wie ist ein Detektor aufgebaut?

Die Aufgabe der großen Detektoren am LHC ist es, Teilchen nachzuweisen, die bei den Zusammenstößen der Protonen oder Blei-Ionen entstehen. Dabei werden Position, Ladung, Geschwindigkeit, Masse und Energie der Teilchen gemessen.

Ein Detektor besteht nun aus vielen Schichten von Unterdetektoren, denen jeweils eine eigene Rolle bei der Rekonstruktion des Zusammenstoßes zukommt. Diese Komponenten befinden sich in der Regel im Feld eines starken Magneten, das Teilchen mit unterschiedlicher Ladung trennt und dabei hilft, den Impuls der Teilchen zu messen – eine physikalische Größe, die mit der Masse und Geschwindigkeit der Teilchen verknüpft ist.

Spurdetektoren und Kalorimeter bilden dabei zwei wichtige Kategorien von Detektoren:

Mit Spurdetektoren lässt sich die Bahn geladener Teilchen nachweisen. Dabei wird die frei werdende Ladung genutzt, die entsteht, wenn die Teilchen auf ihrem Weg Materie ionisieren. Befindet sich das Teilchen in einem Magnetfeld, so wird seine Bahn in Abhängigkeit seines Impulses gekrümmt und der Impuls kann gemessen werden. Zwei besonders wichtige Spurdetektoren sind Vertexdetektoren und Myonenkammern. Vertexdetektoren befinden sich in unmittelbarer Nähe des Zusammenstoßes (dem sogenannten Primärvertex; Vertex = Knoten). Sie erreichen eine Ortsauflösung von zehn Mikrometern und bestehen aus einem Halbleiter, der zu Streifen oder Punkten angeordnet ist. Myonkammern bilden meist die äußere Schicht eines Großdetektors, da Myonen die einzigen geladenen Teilchen sind, die die vielen Meter dichte Materie im Inneren des Detektors passieren können. Hier kommen meist mit Gas gefüllte Kammern zum Einsatz, die mit Elektroden versehen sind, an denen eine hohe elektrische Spannung anliegt. Frei werdende Elektronen wandern zu den Elektroden und lassen Rückschlüsse auf die Bahn der Myonen zu. Dabei wird eine Ortsauflösung von fünfzig bis hundert Mikrometern erreicht.

Kalorimeter messen die Energie von Teilchen, indem sie die Teilchen stoppen und bestimmen, wie viel Energie bei diesem Vorgang frei wird. Physiker unterscheiden elektromagnetische und hadronische Kalorimeter. In elektromagnetischen Kalorimetern geben Photonen und Elektronen ihre Energie in der Regel völlig ab. Hadronen wie etwa Protonen werden erst in den hadronischen Kalorimetern vollständig abgebremst. Myonen durchqueren Kalorimeter unbeeindruckt. Elektrisch neutrale Teilchen wie Photonen und Neutronen können hingegen in Kalorimetern nachgewiesen werden.

Um die Geschwindigkeit von Teilchen zu messen, kommen Tscherenkow- und Übergangsstrahlungs-Detektoren zum Einsatz. Tscherenkow-Strahlung entsteht, wenn ein Teilchen Materie schneller als das Licht in dieser Materie durchquert. Die Strahlung wird dabei in einem Winkel abgegeben, der von der Geschwindigkeit abhängt. Zudem geben hochenergetische Teilchen Übergangsstrahlung ab, wenn sie ein Medium mit ungleichmäßigen elektrischen Eigenschaften durchqueren. Dieser Effekt wird in Übergangsstrahlungs-Detektoren (englisch Transition Radiation Detector, kurz TRD) genutzt.

Wie viele Higgs-Teilchen werden am LHC erzeugt?

Die Häufigkeit, mit der Higgs-Teilchen erzeugt werden, wenn sie denn existieren, ist sehr gering. Die genauen Werte kennt man nicht, da man diese ja gerade messen will. Es gibt aber Modellrechnungen. Unter guten Voraussetzungen würde alle paar Stunden ein Higgs-Teilchen pro Experiment beobachtet werden können.

Daher rechnen Physiker damit, dass es trotz der großen Zahl an Teilchenzusammenstößen pro Sekunde zwei bis drei Jahre dauern wird, bis ausreichend Daten gesammelt wurden, um verlässliche Aussagen über das Higgs-Teilchen zu machen.

Mit welchem Datenaufkommen wird am LHC gerechnet?

In allen LHC-Experimenten zusammen liefern rund 150 Millionen Sensoren vierzig Millionen Mal pro Sekunde Daten. Nach einer ersten Aussortierung weniger wichtiger Ereignisse verbleiben immer noch hundert Zusammenstöße pro Sekunde, die für die Wissenschaft von Interesse sind.

Das Datenaufkommen aller vier Experimente zusammen beträgt ungefähr 700 Megabyte pro Sekunde. Das sind etwa 15 Millionen Gigabyte pro Jahr – auf CDs gebrannt würde dies einem Stapel von zwanzig Kilometern Höhe entsprechen.

Diese Datenflut muss tausenden Physikern auf der ganze Welt zu Analysezwecken zur Verfügung gestellt werden. Dazu wurde eine eigene Infrastruktur zur Datenspeicherung und -analyse entwickelt, das LHC Computing Grid.

Das Datenaufkommen der einzelnen Detektoren:

• ATLAS: 320 Megabyte pro Sekunde
• CMS: 220 Megabyte pro Sekunde
• LHCb: 50 Megabyte pro Sekunde
• ALICE: 100 Megabyte pro Sekunde

Umwelt und Sicherheit

Sind die Protonen-Zusammenstöße gefährlich?

Am LHC werden Teilchenzusammenstöße bei Energien untersucht, wie sie noch an keinem Teilchenbeschleuniger zuvor erreicht wurden. Entsprechende Zusammenstöße kommen aber durchaus in der Natur vor. Der LHC ermöglicht es Physikern, diese Zusammenstöße systematisch zu studieren und somit wichtige Rätsel des Universums genau zu untersuchen.

Einige Personen haben hier Sicherheitsbedenken geäußert. Studien zeigen jedoch, dass diese Bedenken nicht gerechtfertigt sind.

Welchen Energieverbrauch hat der LHC?

Der Energieverbrauch des LHC und der Detektoren beträgt ungefähr 120 Megawatt. Dies entspricht in etwa dem Verbrauch aller Haushalte des Kantons Genf.

Ausgehend von 270 Betriebstagen (der LHC ist im Winter ausgeschaltet) wird dies 800.000 Megawattstunden für das Jahr 2009 ergeben. Die jährliche Stromrechnung wird sich auf rund 19 Millionen Euro belaufen.

CERN wird vom französischen Energiekonzern EDF versorgt. Auf die schweizerischen Firmen EOS und SIG kann im Falle eines Engpasses zurückgegriffen werden. Der größte Teil der Elektrizität kommt für die Kühlung der Magnete zum Einsatz.

Entsteht Radioaktivität?

Strahlung ist unvermeidbar an Teilchenbeschleunigern wie dem LHC, da sie unweigerlich bei der Beschleunigung und dem Zusammenstoß von Teilchen entsteht. Der LHC-Tunnel befindet sich mit hundert Metern jedoch so tief unter der Erde, dass Streustrahlung während des Betriebs und Restradioaktivität an der Erdoberfläche nicht gemessen werden können.

Außerhalb des Betriebs werden die größten Teile des LHC nur schwach radioaktiv sein. Verbleibende Radioaktivität wird auf wenige Stellen konzentriert sein – wie etwa in den Strahlauffängern, die nicht mehr benötigte Teilchenstrahlen aufnehmen, und in den Regionen, an denen die Strahlen zusammengeführt werden.

Am LHC werden aktive und passive Strahlenschutzmaßnahmen getroffen, um zu gewährleisten, dass die Strahlungsbelastung für das Personal und die umliegende Bevölkerung so gering wie möglich ist. Die Luft aus dem Beschleunigertunnel wird beispielsweise gefiltert, so dass die Radioaktivität, die in die Luft freigesetzt wird, für die umliegende Bevölkerung zu einer Belastung von weniger als zehn Mikrosievert pro Jahr führt. Dies liegt weit unter dem international festgelegten Grenzwert von tausend Mikrosievert pro Jahr.

Zum Vergleich: Die natürliche Strahlenbelastung aufgrund der kosmischen Strahlung und natürlicher radioaktiver Quellen liegt in der Schweiz bei etwa 2400 Mikrosievert pro Jahr. Ein Hin- und Rückflug Europa-Los Angeles schlägt mit etwa hundert Mikrosievert zu Buche.

Wie wird der Zugang geregelt?

Nur eine ausgewählte Personengruppe wird den LHC-Tunnel in Wartungsperioden betreten dürfen. Dazu wird die entsprechende Stelle zunächst von einem Strahlenschutzexperten inspiziert, der die radioaktive Belastung misst und festlegt, wann und für wie lange die Wartung erfolgen kann.

Was passiert, wenn der Teilchenstrahl instabil wird?

In den Teilchenstrahlen des LHC steckt eine bisher unerreichte Energie, die den Beschleuniger stark beschädigen könnte, wenn sie außer Kontrolle geraten würde. Aus diesem Grund wird alles getan, um eben dieses zu verhindern.

Wenn der Teilchenstrahl instabil wird, wird dies von speziellen Strahlverlustsensoren erkannt und innerhalb von drei Umläufen (das heißt in weniger als 0,3 Millisekunden) kann der Strahl mit Hilfe von Magneten aus dem LHC entfernt werden. Der Strahl wird dann durch einen speziellen Tunnel zum Strahlauffänger geleitet, dem einzigen Bestandteil des LHC, der der Wucht des Strahls standhalten kann. Das Innere dieses Auffängers besteht aus einer Reihe von Graphitplatten mit unterschiedlicher Dichte.

Welche Energie steckt in einem Teilchenstrahl?

Die Gesamtenergie in jedem der beiden Strahlen bei Maximalenergie der Protonen beläuft sich auf etwa 350 Megajoule. Dies entspricht in etwa einem 400 Tonnen schweren Zug bei einer Geschwindigkeit von 150 Kilometern pro Stunde. Diese Energie reicht aus, um eine halbe Tonne Kupfer zu schmelzen.

Die Energie, die in den Magneten des LHC steckt, ist mit elf Gigajoule noch einmal dreißigmal höher.