Hier finden Sie eine kurze Einführung in den Large Hadron Collider (LHC), die dort auftretenden physikalischen Phänomene und wie diese mit Hilfe des CMS-Detektors untersucht werden. Weitere Informationen findet man auf den Web-Seiten des LHC Projektes, der internationalen CMS-Kollaboration und auf den Homepages der beteiligten deutschen Institute.

Der CMS-Detektor

Der 12500 Tonnen schwere CMS-Detektor ermöglicht die bei Proton-Proton-Kollisionen entstehenden Teilchen nachzuweisen und genau zu vermessen. Durch die Rekonstruktion der Kollisionsereignisse bei Schwerpunktsenergien bis 14 TeV kann nach so genannter "Neuer Physik" gesucht werden, die das bisher unvollständige Standardmodell der Teilchenphysik erweitern könnte.↵

Der abgebildete Querschnitt durch den CMS-Detektor zeigt schematisch, wie im Kollisionspunkt im Zentrum entstehende Teilchen in den verschiedenen Lagen des Detektorsystems identifiziert und ihre Energien bestimmt werden können.↵

Herz des CMS-Experiments ist eine supraleitende Magnetspule mit einer Feldstärke von 3.8 Tesla (blauer Ring), die zusammen mit dem rot eingezeichneten Magneteisen dafür sorgt, dass die Bahn geladener Teilchen gekrümmt wird. Im Bild wird dies am Beispiel der Spur eines Myons (das sind gut bekannte Elementarteilchen, die als Komponente der kosmischen Höhenstrahlung unsere Körper dauernd durchfliegen) veranschaulicht. Die Flugbahn des Myons wird mit präzisen Spurdetektoren verfolgt: mit Silizium-Detektoren (hellbraun) im Inneren von CMS, und mit gasgefüllten Myonkammern im Außenbereich (hellgrau). Aus der Bahnkrümmung kann man den transversalen Impuls, eine wesentliche Größe bei der Rekonstruktion der Proton-Proton-Wechselwirkung, berechnen. Einige Teilchen wie Elektronen werden im Kalorimeter (siehe Abbildung) absorbiert und geben dabei Licht ab, das zur Energiemessung dient. Das CMS-Kalorimeter besteht u.a. aus ca. 80 000 Bleiwolframat-Kristallen, die eine besonders hohe Messgenauigkeit erlauben.↵
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Um auch sehr seltene neue Teilchen aufspüren zu können, treffen die Protonstrahlen 40 Millionen mal pro Sekunde zusammen, und das über einen Zeitraum von mehreren Jahren. Entsprechend hoch ist die Informationsmenge, die der CMS-Detektor verarbeiten muss; selbst nach elektronischer Vorauswahl müssen pro Sekunde soviel Bytes abgespeichert werden, wie auf eine CD passen. Um aus den vielen - meist unspektakulär verlaufenden - Kollisionsereignissen die interessanten herauszufischen (etwa solche mit einem Higgs-Boson), benötigt man weltweit mehr als 10 000 Computer.↵

Die deutschen CMS-Forschergruppen haben wesentliche Beiträge zu Entwicklung und Konstruktion der Spurdetektoren (Silizium-Streifendetektor und gasgefüllte Driftkammern) geleistet. Der Silizium-Streifendektor ist mit einer aktiven Fläche von 200 m² der größte Detektor seiner Art. Er besteht aus feinen, im Abstand von typischerweise 0.1 mm angeordneten Siliziumstreifen. Er kann Spurpunkte durchfliegender Teilchen mit einer absoluten Genauigkeit von 0.02 mm (weniger als Haardicke!) rekonstruieren. Das Photo zeigt einen fertiggestellten Teil des Siliziumdetektors in einem Labor der RWTH Aachen vor dem Transport zum CERN.

Die Myon-Driftkammern müssen eine Fläche von insgesamt 18 000 m² abdecken, das entpricht zwei bis drei Fußballplätzen. Myonen ionisieren das Gas in den Kammern und lösen so ein elektrisches Signal aus. Hier wird eine Ortsauflösung von 0.2 mm erreicht. In der Abbildung sieht man 10 aluminiumfarbene Myonkammern nach der Installation im roten CMS-Magneteisen.↵

Im Herzen des Experiments, in unmittelbarer Nähe des Strahlrohr, befinder sich der Silizium-Pixeldetektor. Pixel mit einer Größe von 100µm x 150µm vermessen die Bahnen von Teilchen direkt nach ihrer Entstehung. Im Shutdown 2016/2017 wurde der ursprüngliche Pixeldetektor ausgetauscht. Der neue Pixeldetektor verfügt über zusätzliche Lagen und wird mit den Bedingungen bis 2024 besser zurecht kommen; insbesondere ist die Nachweiswahrscheinlichkeit in der innersten Detektorlage bei hohen Teilchenraten höher. Die deutschen CMS-Gruppen haben sich an Entwicklung und Bau dieses neuen Detektors stark beteiligt. In zwei Clustern (KIT/Aachen und DESY/Universität Hamburg) wurden mehr als die Hälfte aller Pixelmodule für den Zentralbereich (Barrel) des Detektors gebaut und getestet. Weiterhin wurden führende Beiträge zum Powersystem geleistet.

Der LHC-Speicherring

Der Beschleuniger LHC ist das Flaggschiff des Europäischen Labors für Teilchenphysik, CERN, dem weltgrößten Zentrum dieser Art, an dem mehrere tausend Physiker und Physikerinnen aus 150 Ländern zusammenarbeiten. Der LHC - für Large Hadron Collider - beschleunigt Protonen, also Kerne von Wasserstoffatomen, auf eine Energie von derzeit 6500 GeV. Sie fliegen dann mit einer Geschwindigkeit von mehr als 99.9999 % der Lichtgeschwindigkeit, auch das ist Weltrekord.↵
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Bei der Kollision zweier Protonen wird eine Energie von 13000 GeV frei, die nach Einsteins Gleichung E = mc² ausreichen würde, 14000 neue Protonen zu erzeugen. Bei den Zusammenstößen können verschiedene Teilchen entstehen, solche, die schon aus anderen Experimenten bekannt sind, aber vielleicht auch neue, schwere Teilchen, die an bisherigen Beschleunigern, die an die LHC-Energie bei weitem nicht heranreichen, nicht erzeugt werden konnten.↵
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Mit dem Higgs-Teilchen wurde 2012 das letzte im Standardmodell der Teilchenphysik fehlende Elementarteilchen am LHC nachgewiesen. Es wurde bereits vor 40 Jahren von dem britischen Physiker Peter Higgs postuliert, um zu erklären, warum die Materiebausteine eine Masse (bzw. Gewicht) haben können, Seit seiner Postulierung wurde an verschiedenen Beschleunigern fieberhaft nach diesem Boson gesucht.↵
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Viele theoretische Überlegungen lassen aber vermuten, dass die Entdeckung des Higgs-Bosons nicht das "Ende der Fahnenstange" ist, sondern dass es noch weitere bisher unentdeckte Teilchen geben muss. Zum Beispiel schwere Partnerteilchen der bereits bekannten Elementarteilchen. Diese noch nicht entdeckten SUSY-Teilchen ("SUSY" = Supersymmetrie) sind nicht zuletzt deshalb heiß begehrt, weil möglicherweise die Dunkle Materie im Universum, für die die Astrophysiker bisher keine Erklärung gefunden haben, aus solchen SUSY-Teilchen besteht.↵

Einen Blick in den LHC-Tunnel zeigt das untenstehende Photo. Links im Vordergrund (blau) erkennt man einen Teil eines 15 m langen Diplomagneten, von denen insgesamt mehr als 1200 Stück eingesetzt werden.↵