Ein Update für ATLAS

Der weltweit größte Teilchenbeschleuniger LHC soll ab 2025 pro Sekunde deutlich mehr Protonen als bisher zur Kollision bringen – und dadurch noch tiefere Einblicke in die Materie ermöglichen. Teilchendetektoren wie ATLAS müssen dabei Schritt halten. Das Bundesforschungs­ministerium fördert daher den Ausbau des ATLAS-Experiments.

Der Large Hadron Collider oder kurz LHC am Forschungszentrum CERN bei Genf ist der derzeit größte und leistungsfähigste Teilchenbeschleuniger der Welt: In einem Ring mit einem Umfang von rund 27 Kilometern werden Protonen bis auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt, bevor sie aufeinanderprallen. Bei diesen Kollisionen entstehen viele neue Teilchen, die Physiker beispielsweise mit dem ATLAS-Detektor vermessen. 2012 gelang so der bislang größte Erfolg am LHC: Man spürte das lange gesuchte Higgs-Teilchen auf.

ATLAS-Detektor am LHC

Doch auch nach dem Fund des Higgs-Teilchens bleiben noch viele ungelöste Fragen, die Physiker mithilfe des LHC beantworten wollen. Wie kommen die Massen der verschiedenen Teilchen zustande? Welche Eigenschaften hat das Higgs-Teilchen? Und gibt es bisher noch gänzlich unbekannte Teilchen? Um tiefere Einblicke in die Materie zu erlangen, sollen künftig noch mehr Protonen bei noch höheren Energien als bislang durch den Ring rasen und zusammenstoßen. Dafür wird der Large Hadron Collider in den nächsten Jahren umgebaut und erweitert: Ab 2025 sollen im LHC dann mehr als fünf Milliarden Teilchenkollisionen pro Sekunde stattfinden. Die beiden riesigen Detektoren am LHC – ATLAS und CMS – müssen dann rund zehnmal mehr Daten als jetzt aufzeichnen und weiterverarbeiten.

Um diese Datenflut zu bewältigen, werden auch die Detektoren aufgerüstet. „Wenn Sie möchten, dass Ihr Auto nicht mehr 150 Kilometer pro Stunde, sondern 1500 Kilometer pro Stunde schafft, dann müssten Sie es auch komplett umbauen“, verdeutlicht Ulrich Parzefall von der Universität Freiburg. „Und wir wollen das neue Potenzial des Large Hadron Colliders voll ausschöpfen, aber ATLAS wurde für Anforderungen gebaut, die der LHC schon lange übertrifft.“ Parzefall ist einer der Tausenden von Wissenschaftlern, die am LHC gemeinsam das ATLAS-Experiment betreiben. Der leistungsfähige Detektor erfasst die Energien und die Bahnen der Teilchen, die aus den Kollisionen hervorgehen. Aus diesen Daten kann die Kollaboration anschließend die beim Zusammenprall ablaufenden Prozesse rekonstruieren. Seitdem der Teilchenbeschleuniger 2008 in Betrieb ging, verrichtet ATLAS seine Dienste.

Das Innere des ATLAS-Detektors

„Wir müssen da komplett neu ran“, so Parzefall zum Umbau des Experiments. Denn es gilt viele Faktoren zu beachten. So muss der Detektor pro Sekunde nicht nur viel mehr Teilchenkollisionen als bislang aufzeichnen und weiterverarbeiten, die in ihm verbauten Materialien sind auch einem erhöhten Teilchenbeschuss ausgesetzt. Bei den Kollisionen entstehen nämlich auch energiereiche Partikel, die das Detektormaterial beschädigen. „Mit diesen Schäden müssen wir irgendwie leben“, sagt Parzefall. Und das ist die nächste Herausforderung – denn damit leben müssen die Wissenschaftler recht lange: Sobald der Detektor einmal umgebaut ist, ist es nicht mehr möglich, Einzelteile auszutauschen oder zu ersetzen. „Der innere Detektor von ATLAS muss nach seinem Ausbau zehn Jahre lang praktisch wartungsfrei und ohne Service funktionieren“, bestätigt Parzefall.

Deshalb entwickelt die ATLAS-Kollaboration derzeit beispielsweise ganz neue Materialien für ihren Detektor, die dem Teilchenbeschuss besser standhalten sollen. Außerdem wollen die Physiker die Elektronik des Detektors anpassen, damit die Daten schneller gesammelt und weitergeleitet werden können. ATLAS soll aber auch ganz neue Bauteile bekommen: Der Detektor ist zwiebelförmig um den Kollisionspunkt aufgebaut und besteht aus verschiedenen Komponenten, die jeweils verschiedene Aufgaben übernehmen. Bislang bestehen die inneren Komponenten aus Silizium. Daran schließen sich gasgefüllte Röhrchen an, die ähnlich wie ein Geigerzähler geladene Teilchen vermessen. „Diese gasbasierten Komponenten sind aber nicht leistungsfähig genug“, erzählt Parzefall. Der künftige innere Teil des ATLAS-Detektors soll deshalb komplett aus siliziumbasierten Elementen bestehen.

Prototyp für ein Element des neuen Silizium-Streifendetektors

Das Bundesforschungsministerium fördert den Umbau des ATLAS-Detektors im Rahmen der Verbundforschung. Daran beteiligt sind Forschergruppen von 13 deutschen Universitäten, das DESY sowie das Max-Planck-Institut für Physik in München. In verschiedenen Teilprojekten entwickeln die Wissenschaftler unterschiedliche Komponenten für den Detektor sowie ein neues System für die Datenanalyse. Die Gruppe um Parzefall hat sich neben anderen beispielsweise auf den Silizium-Streifendetektor spezialisiert. Dieses Detektorelement erfasst die Bahnen von geladenen Teilchen und liegt etwas weiter entfernt vom Kollisionspunkt. „Gerade sind wir in der Prototypenphase, wir stellen also einzelne Elemente her und testen sie,“ erläutert Parzefall. „Eine Neuerung gegenüber dem derzeitigen Streifendetektor ist, dass wir als Basis ein anderes Siliziummaterial verwenden, das weniger unter Strahlenschäden leidet. Auf diese Weise wollen wir die registrierten Signale auch nach hohen Strahlungsdosen verlässlich aufzeichnen.“

Der Umbau des LHC und seiner Detektoren folgt einem genau festgelegten Zeitplan. „Der Ausbau von ATLAS erfolgt stückchenweise in mehreren Ausbaustufen“, erklärt Parzefall. Denn umgebaut werden kann der Detektor nur, wenn der LHC nicht in Betrieb ist. „Ab Ende 2018 macht der LHC eine zweijährige Pause. Da wird unsere Kollaboration zunächst kleinere Upgrades an ATLAS durchführen, bei denen bereits einige neue Komponenten eingebaut werden.“ Von 2021 bis 2023 sollen Teilchenbeschleuniger und Detektoren wieder laufen, während die Kollaboration die neuen Detektorelemente fertigstellt. Ab 2023 beginnt voraussichtlich der Einbau – und bis 2025, wenn der LHC seine Rekordkollisionsraten erzielt, wird der neue ATLAS-Detektor fertig und einsatzbereit sein.