First Beam Day

Large Hadron Collider (LHC)
Anordnung der verschiedenen Beschleuniger und Detektoren des LHC
Detektoren des LHC
ATLAS	A Toroidal LHC Apparatus
CMS	Compact Muon Solenoid
LHCb	LHC-beauty
ALICE	A Large Ion Collider Experiment
TOTEM	Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation
LHCf	LHC-forward
Vorbeschleuniger des LHC
p und Pb	Linearbeschleuniger für Protonen (Linac 2) bzw. Bleiionen (Linac 3)
(nicht beschriftet)	Proton Synchrotron Booster
PS	Proton Synchrotron
SPS	Super Proton Synchrotron

Tunnel des LHC vor Einbau der Magneten

Tunnel des LHC in fertigem Zustand

Der Large Hadron Collider (LHC, deutsche Bezeichnung Großer Hadronen-Speicherring) ist ein ringförmiger Teilchenbeschleuniger für Hadronen am Europäischen Kernforschungszentrum CERN bei Genf.

Im LHC werden in Vakuumröhren Hadronen gegenläufig auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und zur Kollision gebracht, um unterschiedliche Elementarteilchen zu erzeugen. Insbesondere erhoffen sich die Wissenschaftler bei diesen Kollisionen den experimentellen Nachweis des bislang nur hypothetischen Higgs-Bosons.

Die unmittelbaren Kosten des LHC beliefen sich auf über drei Milliarden Euro, wozu Deutschland etwa 800 Millionen Euro beitrug. Die Gesamtkosten wurden über den Etat des CERN gedeckt, der von den 20 Mitgliedstaaten sowie sechs weiteren Staaten mit Beobachterstatus finanziert wurde.

Geschichte

Im Dezember 1994 gab das CERN Council grünes Licht für den Bau eines Beschleunigers mit einer Schwerpunktsenergie von 10 TeV. Später sollte dieser auf 14 TeV aufgerüstet werden. Nach einigen Zusagen - sowohl finanzieller Art als auch die Entwicklungsarbeit betreffend - von einigen Nichtmitgliedsstaaten des CERN wurde im Dezember 1996 entschieden auf den 10 TeV Zwischenschritt zu verzichten und direkt den 14 TeV in Angriff zu nehmen. Schlagendes Argument für den Bau der Maschine am CERN war der bereits vorhandene Tunnel des Large Electron-Positron Collider, wodurch der Bau sehr kosteneffizient wurde.^[1]

Aufbau und Betrieb

Der LHC wurde in einem bereits vorhandenen Tunnel der Europäischen Kernforschungsanlage CERN nahe Genf mit 26.659 m Umfang installiert. Bis zu seiner Stilllegung im Jahr 2000 beherbergte der Tunnel den LEP.

Während im LEP Elektronen und Antielektronen (Positronen) zur Kollision gebracht wurden, werden am LHC je nach Betriebsmodus entweder Protonen oder Bleiionen beschleunigt und zur Kollision gebracht. Da diese Hadronen eine viel größere Masse als Elektronen haben, verlieren sie weniger Energie durch Synchrotronstrahlung und können eine weitaus größere Schwerpunktsenergie erreichen. Aus demselben Grund wäre für den LHC eine etwas stärker gekrümmte Tunnelgeometrie besser gewesen. Aus Kostengründen wurde darauf aber verzichtet. Neben der gegenüber älteren Experimenten höheren Schwerpunktsenergie, die die Erforschung neuer Energiebereiche ermöglicht, ist auch die hohe Luminosität, die prinzipiell eine bessere Statistik in kürzerer Zeit ermöglicht, ein herausragendes Merkmal des LHC.

Der LHC-Tunnel enthält zwei benachbarte Strahlröhren, in denen zwei Hadronenstrahlen jeweils in entgegengesetzter Richtung umlaufen. Die Strahlröhren kreuzen sich an vier Punkten des Rings, um die Kollision der Hadronen zu ermöglichen.

Für den Protonenmodus im LHC ist eine Schwerpunktsenergie von 14 TeV vorgesehen. Dies entspricht 99,9999991% der Lichtgeschwindigkeit. Um solche Energien zu erreichen, werden die Protonen nacheinander durch eine Reihe von Systemen beschleunigt: Zuerst werden die Protonen in einem Linearbeschleuniger auf eine Energie von 50 MeV gebracht. Danach werden sie mittels der bereits vor dem Bau des LHC existierenden Ringe des Proton Synchrotron Booster, des Proton Synchrotron und des Super Proton Synchrotron auf 450 GeV beschleunigt, bis sie schließlich in den Hauptring des LHC eingefädelt werden und dort ihre endgültige Energie von 7 TeV erreichen. Die Beschleunigung der Protonen erfolgt nach dem Synchrotronprinzip durch ein hochfrequentes elektrisches Wechselfeld und dauert etwa 20 Minuten. Die hochenergetischen Protonen werden dabei durch 1200 supraleitende Dipolmagnete, die ein Feld von bis zu 8,6 Tesla erzeugen, in der Bahn gehalten. Die Stärke des Magnetfeldes und die Frequenz des elektrischen Feldes werden ständig der steigenden Energie der Protonen angepasst. Außerdem kommen fast 400 ebenfalls supraleitende Quadrupolmagnete zum Einsatz, um die Protonenstrahlen fokussiert zu halten und damit die Kollisionsrate bei der Kreuzung der beiden Strahlen zu erhöhen. Für die Kühlung der Magnete auf ihre Betriebstemperatur von 1,9 Kelvin sind etwa 96 Tonnen flüssiges Helium notwendig. Der LHC ist damit der größte Kryostat, der jemals gebaut wurde.

Die Protonen werden in den Strahlröhren in Pakete mit einem Durchmesser von etwa 16 µm und einer Länge von etwa 8 cm gebündelt. Jedes Paket enthält etwa 115 Milliarden Protonen. Im Vollbetrieb soll der LHC mit etwa 2800 Paketen gefüllt werden, die mit einer Frequenz von 11 kHz umlaufen. Werden die Strahlen gekreuzt, entspricht dies einer Kollision alle 30 Nanosekunden. Damit erreicht der LHC eine Luminosität von 10³⁴ cm^-2s^-1.^[2]

Der CMS-Detektor 2007

Die Kollision der Protonen durch Kreuzung der beiden Protonenstrahlen erfolgt in verschiedenen Kammern entlang des Beschleunigerringes. In den Kammern befinden sich die Teilchendetektoren ATLAS, CMS, LHCb, LHCf und TOTEM, mittels derer die teilchenphysikalischen Messungen durchgeführt werden. Die im Diagramm nicht eingezeichneten Detektoren LHCf und TOTEM befinden sich in den Kammern der vergleichsweise großen Experimente ATLAS beziehungsweise CMS. Die Verwendung von Protonenkollisionen stellt für die angeschlossenen Experimente eine Herausforderung dar, da die aufzuzeichnenden Wechselwirkungen aufgrund der inneren Struktur der Protonen sehr komplex sind.

Wegen dieser Substruktur der kollidierenden Protonen stellt der LHC eine sogenannte Entdeckungsmaschine dar: Die streuenden Teilchen sind nicht die Protonen selbst, sondern die darin enthaltenen Partonen, also Gluonen und Quarks. Daher ist der Anfangszustand der Streuung, insbesondere die Kollisionsenergie der beteiligten Partonen, nicht bekannt. Damit ist es einerseits möglich, trotz konstanter Energie der Protonen in einem großen Energiebereich nach neuen Teilchen zu suchen, andererseits wird die präzise Vermessung der Teilcheneigenschaften eingeschränkt. Aufgrund der Schwierigkeit, Präzisionsmessungen an Hadronbeschleunigern durchzuführen, wurde für solche Messungen an am LHC möglicherweise neu entdeckten Teilchen bereits ein Nachfolgeexperiment geplant, der Leptonenbeschleuniger International Linear Collider (ILC). Am ILC sollen Elektronen und Positronen zu Kollision gebracht werden, die im Gegensatz zu Protonen keine Substruktur besitzen.^[3]

Für die Bleikerne ist eine Schwerpunktsenergie von 1146 TeV vorgesehen. Die Bleikerne werden hauptsächlich im ALICE-Detektor zur Kollision gebracht, der eigens für die Messung von Bleikern-Kollisionen gebaut wurde. In geringerem Umfang sind allerdings auch ATLAS und CMS für Untersuchungen von Schwerionen-Kollisionen vorgesehen.

Kosten

Die unmittelbaren Kosten für das Projekt belaufen sich auf etwa 3 Milliarden Euro (€). Bei der Bewilligung der Konstruktion im Jahr 1995 wurde ein Budget von 2,6 Milliarden Schweizer Franken (SFr) (etwa 1,6 Milliarden €) für den Bau des LHC und der unterirdischen Hallen für die Detektoren veranschlagt. Jedoch wurden 2001 zusätzliche Kosten von 480 Mio. SFr. (etwa 300 Mio. €) für den Beschleuniger festgestellt.^[4] Allein die supraleitenden Magnete waren für einen Anstieg von 180 Mio. SFr (120 Mio. €) verantwortlich. Außerdem gab es technische Schwierigkeiten beim Bau der unterirdischen Halle für den Compact Muon Solenoid, teilweise aufgrund von defekten Teilen, die von den Partnerlaboratorien Argonne National Laboratory, Fermilab und KEK zur Verfügung gestellt wurden.^[5]

Zielstellung

Der ATLAS-Detektor 2007

Feynman-Diagramm der Vektorbosonfusion, einem prominenten Prozess zur Erzeugung von Higgs-Bosonen

Das wichtigste Ziel des LHC ist der Nachweis des seit Jahrzehnten erfolglos gesuchten Higgs-Bosons, um die Herkunft der Teilchenmassen zu erklären. Das Higgs ist das letzte noch nicht experimentell nachgewiesene Teilchen des Standardmodells der Teilchenphysik. Seine Beobachtung würde die Theorie der spontanen Symmetriebrechung bestätigen, mittels derer die Massen der Quarks und Leptonen sowie der Vektorbosonen in das Standardmodell beziehungsweise in die Glashow-Weinberg-Salam-Theorie der elektroschwachen Wechselwirkung eingeführt werden können. Der Nachweis des Higgs ist insbesondere Aufgabe der Experimente ATLAS und CMS.^[6]

Neben dem Higgs-Boson wird am LHC noch nach anderen Teilchen gesucht, die von neueren Theorien jenseits des Standardmodells vorhergesagt werden:

• Erweiterungen des Standardmodells prognostizieren nicht nur ein, sondern mehrere Higgs-Bosonen, nach denen ebenfalls gesucht wird. Über den bloßen Nachweis der Existenz eines oder mehrerer Higgs-Bosonen hinaus sollen auch deren Eigenschaften vermessen werden, da für die Higgs-Massen bisher nur untere und obere Grenzen existieren.

• Ein weiteres Ziel ist die Suche nach Hinweisen auf eine Theorie zur Vereinheitlichung der Grundkräfte. Dazu wird, ebenfalls vor allem durch CMS und ATLAS, nach supersymmetrischen Teilchen gesucht. Die Annahme solcher supersymmetrischer Partner für alle bisher bekannten Teilchen ist Grundlage der meisten Theorien, die auf hohen Energieskalen die elektroschwache Kraft mit der starken Kraft vereinigen.

• Am LHC soll außerdem die bislang ungeklärte Natur der Dunklen Materie erforscht werden, aus der ein Großteil des Universums besteht. Ein möglicher Kandidat für die Dunkle Materie ist das leichteste supersymmetrische Teilchen (LSP), nach dem ebenfalls Ausschau gehalten wird. Um mit dem LSP die Dunkle Materie erklären zu können, müsste es stabil sein und es wäre damit am LHC relativ leicht nachweisbar. ^[7]

• Eine andere denkbare Erweiterung des Standardmodells, die am LHC untersucht werden soll, sind mögliche, bislang auf Grund ihrer geringen Größe unbeobachtete Raumdimensionen. Diese Zusatzdimensionen würden sich durch verstärkte Wechselwirkung mit Gravitonen^[8] oder durch die Erzeugung kurzlebiger schwarzer Löcher^[9] bemerkbar machen.

• Ein weiteres wichtiges Forschungsfeld ist schließlich die Erforschung der Materie-Antimaterie-Asymmetrie im Universum. Diese Asymmetrie beschreibt die Beobachtung, dass das sichtbare Universum ausschließlich aus Materie und nicht aus Antimaterie aufgebaut ist, obwohl beim Urknall nach gängigen Theorien Materie und Antimaterie in gleichen Mengen entstanden. Das Studium der B-Physik, schwerpunktmäßig am LHCb-Experiment, aber auch bei ATLAS, soll helfen, die CKM-Matrix genauer zu vermessen. Diese Matrix enthält einen CP-verletzenden Anteil, der einen wichtigen Baustein für die Erklärung der Materie-Antimaterie-Asymmetrie darstellt. Die Größe der durch das Standardmodell vorhergesagten CP-Verletzung kann jedoch die beobachtete Asymmetrie nicht erklären, so dass die Messungen wiederum über dessen Grenzen hinausgehen.^[10]

Über die Erforschung von neuen Teilchen und Phänomenen hinaus sind auch Studien zur genaueren Vermessung bereits bekannter Teilchen vorgesehen:

• Am LHC werden Top-Quarks in großer Anzahl erzeugt, er ist damit die erste sogenannte t-Fabrik. Dies ermöglicht trotz seines Charakters einer Entdeckungsmaschine das genaue Studium dieses noch wenig erforschten Teilchens.^[11]

• Der im Vergleich zu Protonenkollisionen seltener angewandte Betriebsmodus der Kollision von Bleikernen soll dazu dienen, kurzzeitig ein sehr hochenergetisches Plasma quasifreier Quarks und Gluonen zu erzeugen (Quark-Gluon-Plasma). Am Detektor ALICE sollen auf diese Weise die Bedingungen sehr früher Phasen des Universums nachgebildet und untersucht werden.^[12]

Computing am LHC

Die Simulation der Hadronenkollisionen und der Wechselwirkung der entstehenden Teilchen mit den Detektoren verursacht gewaltige Datenmengen und benötigt enorme Rechenleistung, die durch große Cluster bereit gestellt wird. Um die Effizienz zu erhöhen, wurden weltweit hunderte Cluster in einem Grid vernetzt – dem LHC Computing Grid (LCG). Für die Simulation der Teilchenbahnen im LHC gab es außerdem das LHC@Home-Projekt, das mit verteiltem Rechnen auch normale Computerbesitzer einbezog. Dabei wurde simuliert, wie sich die Teilchen auf dem Weg durch die Röhre verhalten und ob es durch fehlerhafte Magnetablenkungen zu Schäden kommen kann.^[13]

Gegner

Da am LHC eventuell schwarze Mini-Löcher oder seltsame Materie erzeugt werden könnten, gibt es vereinzelte Warnungen vor möglichen Risiken der LHC-Experimente.^[14][15] Vor dem Europäischen Gerichtshof für Menschenrechte in Straßburg wurde eine Klage gegen die geplante Inbetriebnahme des LHC von einer Gruppe um den Chemiker Otto Rössler eingereicht. Am 29. August 2008 wies der Europäische Gerichtshof für Menschenrechte den dort gestellten Eilantrag gegen die Inbetriebnahme des LHC ab.^[16] Das Hauptsacheverfahren steht noch aus. Fachwissenschaftler stellen wiederholt fest, dass vom LHC und anderen Teilchenbeschleunigern keine Gefahren ausgehen. Ein tragendes Argument ist hierbei die Tatsache, dass die im LHC nachgebildeten Prozesse in der Natur allgegenwärtig sind.^{[17][18][19][20][21][22]}

Einzelnachweise

1. ↑ Lyndon Evans et al - LHC Machine 2008 JINST 3 S08001 doi: 10.1088/1748-0221/3/08/S08001
2. ↑ P. Buning et al.: LHC design report, CERN 2004-003-v2.
3. ↑ G. Weiglein et al.: Physics interplay of the LHC and the ILC, Phys.Rept. 426, 47–358, 2006.
4. ↑ Maiani, Luciano (16 October 2001). LHC Cost Review to Completion. CERN. Abgerufen am 15. Januar 2001.
5. ↑ Toni Feder: CERN Grapples with LHC Cost Hike. In: Physics Today. 54, Nr. 12, December 2001, S. 21. doi:10.1063/1.1445534
6. ↑ M. Spira et al.: Higgs boson production at the LHC, Nucl. Phys. B 453, 17–82, 1995.
7. ↑ I. Hinchliffe et al.: Precision SUSY measurements at CERN LHC, Phys. Rev. D 55, 5520–5540, 1997.
8. ↑ G. C. Nayak: Graviton and Radion Production at LHC: From pp and PbPb Collisions, e-Print: hep-ph/0211395.
9. ↑ S. Dimopoulosa, G. Landsberg: Black Holes at the LHC, Phys. Rev. Lett. 87, 161602, 2001.
10. ↑ P. Ball et al.: B Decays at the LHC, Geneva 1999, Standard model physics (and more) at the LHC, 305–417.
11. ↑ W. Bernreuther: Top quark physics at the LHC, J.Phys.G 35, 083001, 2008.
12. ↑ Paolo Giubellino - Heavy Ion Physics at LHC.
13. ↑ Offizielle Homepage von LHC@Home.
14. ↑ Adrian Kent: A critical look at risk assessments for global catastrophes, Risk Anal. 24, 2004, S. 157–168 (englisch)
15. ↑ Rainer Plaga (10. August 2008): On the potential catastrophic risk from metastable quantum-black holes produced at particle colliders. (englisch)
16. ↑ Der Spiegel: Gericht weist Eilantrag gegen Superbeschleuniger ab.
17. ↑ J.-P. Blaizot et al.: Study of potentially dangerous events during heavy-ion collisions at the LHC, Report of the LHC safety study group.
18. ↑ Arnon Dar, Alvaro De Rújula, Ulrich Heinz: Will relativistic heavy-ion colliders destroy our planet?, Phys. Lett. B 470, 1999, S. 142–14).
19. ↑ W. Busza et al.: Review of speculative „disaster scenarios“ at RHIC, Rev. Mod. Phys. 72, 2000, S. 1125–1140.
20. ↑ S. B. Giddings/M. L. Mangano (20. Juni 2008): „Astrophysical implications of hypothetical stable TeV-scale black holes“, Proceedings of APS/DPF/DPB Summer Study on the Future of Particle Physics, Snowmass, Colorado, 2001, pp P328.
21. ↑ Stellungnahme zu den Behauptungen von Prof. Rössler, Komitee für ElementarTeilchenphysik (KET).
22. ↑ J. Ellis et al.: Review of the Safety of LHC Collisions, Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics, Vol. 35, 115004 (2008).

Weblinks

• Homepage des LHC am CERN
• LHC the guide, 60-seitige Broschüre des CERN über den LHC, Januar 2008 (englisch)
• Ausführliche Seite über den LHC auf Welt der Physik
• Bilder- und Videosammlung rund um den LHC auf dem CERN Document Server
• Dennis Overbye: Let the Proton Smashing Begin. (The Rap Is Already Written.), The New York Times, 29. Juli 2008 (englisch) über den Large Hadron Rap

46.2333333333336.057Koordinaten: 46° 14′ 0″ N, 6° 3′ 0″ O; CH1903: (492881 / 121160)