Reparatur und Umbau des LHC

Zwischen Februar 2013 und März 2015 legte der LHC eine Pause ein. Techniker und Wissenschaftler sind deshalb aber nicht arbeitslos – im Gegenteil: Sie reparieren und optimieren Beschleuniger und Detektoren, um sie künftig noch besser für die Suche nach neuer Physik einsetzen zu können.

Im Large Hadron Collider am Forschungszentrum CERN bei Genf lassen Physiker unter anderem Protonen mit bisher unerreichten Energien aufeinanderprallen. Am Ende der ersten Betriebsphase – des sogenannten ersten Runs von Anfang 2010 bis 2012 – hatte der LHC mehr als doppelt so viele Daten erzeugt wie alle vorherigen Hadronencollider zusammen. Dank dieser Datenflut konnten Wissenschaftler der Experimente CMS und ATLAS im Juli 2012 schließlich die Entdeckung des Higgs-Bosons bekannt geben.

Übersicht über den LHC und die Experimente

In der Betriebsphase ab März 2015 soll die Strahlenergie dann erstmals auf 6,5 Teraelektronenvolt angehoben werden, was einer Kollisionenergie von 13 Teraelektronenvolt entspricht. Diese Energie für die Protonenstrahlen liegt zwar leicht unter dem nominalen Wert von 7 Teraelektronenvolt, verkürzt aber die Zeit für die erneute Inbetriebnahme. In den kommenden Jahren wird die Strahlenergie dann langsam auf den Sollwert angehoben. Mit den Vorarbeiten dafür begannen die Wissenschaftler und Techniker schon kurz nachdem der LHC im Februar 2013 stillstand. Im Fokus standen dabei vor allem die insgesamt 1232 Dipolmagnete – also Magnete mit einem Nord- und einem Südpol –, welche die Teilchen auf einer geschlossenen Bahn halten.

Alle 1695 Verbindungen zwischen jeweils benachbarten Magnetsegmenten wurden geöffnet, überprüft und gegebenenfalls repariert – 1500 Verbindungen mussten komplett erneuert werden. Zudem stattete man alle Verbindungen mit zusätzlichen mechanischen Verstärkungen aus und führte vor dem Verschluss sorgfältige Messungen durch. Man traf weitere Schutzmaßnahmen, installierte beispielsweise an den Kryostaten zusätzliche Ventile, durch die das Kühlmittel – flüssiges Helium – bei einem Druckanstieg entweichen kann. Denn im September 2008 hatte eine Druckwelle entlang der Magnetkette als Folge eines technischen Unfalls schwere Schäden am LHC angerichtet.

Fast startklar

Bereits Ende 2014 kühlte man den Beschleuniger Abschnitt für Abschnitt auf 1,8 Grad über dem absoluten Nullpunkt ab. Anfang 2015 war der gesamte LHC dann wieder auf Betriebstemperatur. Danach müssen die Magnete langsam auf den geplanten Betrieb bei 6,5 Teraelektronenvolt vorbereitet werden. Mitte März 2015 hatten die supraleitenden Magnete schon in sechs von acht Sektoren ihr nominales Operationsfeld erreicht und erste Protonenstrahlen konnten in Injektionstests in den LHC eingespeist werden – Überraschungen und Verzögerungen blieben bisher aus. Ende März 2015 sollen schließlich die ersten Protonen im LHC gespeichert und beschleunigt werden, die ersten Kollisionen bei 6,5 Teraelektronenvolt werden im Mai 2015 erwartet.

Reparaturarbeiten am LHC

Der zeitliche Abstand zwischen nachfolgenden Protonenpaketen wird zunächst – wie auch im ersten Run – fünfzig Nanosekunden betragen, um möglichst schnell zu den ersten Kollisionsdaten mit einer Strahlenergie von 6,5 Teraelektronenvolt zu gelangen. Im August 2015 plant man dann, auf einen Betrieb mit einem Teilchenpaketabstand von 25 Nanosekunden umzustellen – die gegenläufigen Protonenpakete kollidieren dann zwar häufiger miteinander, enthalten aber statt etwa 160 Milliarden nur noch jeweils rund 110 Milliarden Teilchen. Auf diese Weise lässt sich die Anzahl der gleichzeitigen Reaktionen pro Kollision reduzieren – und das macht es leichter, die einzelnen Ereignisse zu untersuchen.

Doch die neue Konfiguration hat auch einen Nachteil: Durch den geringen Abstand zwischen den Teilchenpaketen baut sich im Strahlrohr eine Elektronenwolke auf, die zum einen Wärme in den Kühlkreislauf der Magnete speist und zum anderen die Protonenstrahlen im Speicherring destabilisiert und somit zu Teilchenverlusten und zu Einbußen in der Strahlqualität führen kann. Vermeiden lässt sich dieser Effekt nur durch ein zeitaufwendiges Verfahren, bei dem die Strahlintensität kontinuierlich erhöht wird, bis die Oberflächen der Strahlrohre nur noch wenige Elektronen freisetzen. Diese Prozedur dürfte mehrere Wochen oder sogar Monaten dauern.

In regelmäßigen Abständen werden weitere Wartungs-, Verbesserungs- und Ausbauarbeiten stattfinden, sodass der LHC-Betrieb etwa alle drei Jahre pausiert. Der zweite längere Stopp ist von 2018 bis 2019 geplant und konzentriert sich auf eine Leistungsverbesserung der vier Vorbeschleuniger LINAC2, PSB, PS und SPS. In diesen sogenannten Injektoren wird die Energie der Protonen schrittweise erhöht, um sie schließlich mit rund 450 Gigaelektronenvolt in den LHC einspeisen zu können. Teils stammen die Vorbeschleuniger noch aus den 1950er-Jahren, und so bedarf es einer Generalüberholung, um einen stabilen Betrieb zu gewährleisten und die Strahlanforderungen zu erfüllen.

Weitere Umbauphasen

Darüber hinaus soll 2018 der neue Linearbeschleuniger LINAC4 eingebaut werden und den alten LINAC2 ablösen. Zudem will man den ersten Beschleunigungsabschnitt im LINAC4 von Protonen auf negativ geladene Wasserstoffatome umstellen, mit einem Proton als Kern und zwei Elektronen in der Hülle. Mit solchen Ionen lassen sich beim ersten Strahltransfer höhere Teilchendichten erreichen. Auch die Injektionsenergie des ersten kreisförmigen Vorbeschleunigers, des sogenannten PS-Booster, will man erhöhen. Ferner möchte man die Probleme durch Elektronenwolken im rund sechs Kilometer langen Kreisbeschleuniger SPS beim Betrieb mit nur 25 Nanosekunden auseinanderliegenden Teilchenpaketen überwinden.

Im LHC selbst werden das Kollimationssystem – spezielle Absorber, die Teilchen mit zu hohen Abweichungen von der idealen Teilchenbahn aus dem Speicherring entfernen, bevor sie auf die supraleitenden Magnete treffen können – und das Heliumkühlsystem überarbeitet. Zudem sind während der zweiten längeren Pause erste Ausbaustufen für die Detektoren geplant. Dabei will man Komponenten mit Strahlungsschäden, insbesondere Sensoren und Elektronik, gegen strahlungshärtere Komponenten austauschen und den Detektor für die Verarbeitung von mehr Ereignissen pro Kollision vorbereiten. Die dritte längere Auszeit findet voraussichtlich von 2023 bis 2025 statt und hat hauptsächlich das sogenannte High Luminosity Project, kurz HL-LHC, zum Ziel. Im Rahmen dieses Projekts sollen unter anderem neue supraleitende Quadrupolmagnete aus einer Niob-Zinn-Legierung auf beiden Seiten der Hauptexperimente ATLAS und CMS installiert werden. Mit solchen Magneten, die zwei Nord- und zwei Südpole besitzen, lässt sich der Protonenstrahl stärker als bisher fokussieren. Die neuen Magneten können zudem der erhöhten Strahlungsbelastung beim HL-LHC-Betrieb besser standhalten.

Kollidierende Teilchenpakete ohne und mit speziellen Ablenkelementen

Um den Überlapp der Teilchenpakete am Wechselwirkungspunkt zu optimieren, wollen die Techniker weitere Ablenkelemente einbauen, sogenannte transversal ablenkende Hochfrequenzresonatoren. Denn die Form der Teilchenpakete erinnert an eine Zigarre, allerdings mit einer Länge von rund zehn Zentimetern und einem Durchmesser von zehn Mikrometern – und eine optimale Leistungsausbeute beim LHC verlangt eine möglichst genaue Ausrichtung der kollidierenden Teilchenpakete.

Außerdem sollen alle elektronischen Komponenten im Tunnel entfernt beziehungsweise Abschirmeinrichtungen verstärkt werden, um Fehlfunktionen aufgrund von Strahlung zu minimieren. Um die hohe Datenflut beim HL-LHC-Betrieb verarbeiten zu können, müssen auch die Detektoren aufgerüstet werden. Mithilfe dieser Maßnahmen soll das zwischen 2025 und etwa 2035 produzierte Datenvolumen zehnmal größer ausfallen als in der Zeit von 2010 bis 2022. Und eine solche Leistungssteigerung ist wichtig, um die Genauigkeit der Messungen zu erhöhen und in neue Energiebereiche vordringen zu können. Dies verbessert die Möglichkeit, neue Teilchen und neue Physik entdecken zu können.