Die Protonen tanzen wieder Ringelreihen
Von André Behr. Aktualisiert am 12.12.2009 3 Kommentare
Computerdarstellung der Spuren von Zerfallsprodukten nach einem Proton-Proton- Zusammenstoss. Die Daten wurden vor wenigen Tagen im CMS-Detektor aufgenommen, an dem ETH und Universität Zürich sowie das PSI entscheidend beteiligt sind. (Bild: Cern)
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Drei Jahre später als einst geplant ging am 10. September 2008 am europäischen Kernforschungszentrum Cern bei Genf der Large Hadron Collider (LHC) in Betrieb. Physiker und Journalisten aus aller Welt hatten auf diesen besonderen Tag gewartet. Doch kurz nach dem Start musste die Maschine bereits wieder abgeschaltet werden. Einer der Magnete im Speicherring war aus der Verankerung gerissen worden und hatte auch Nachbarmagnete beschädigt.
Inzwischen läuft der Teilchenbeschleuniger bestens. In den ringförmigen Strahlrohren kreisen die Protonen mit höheren Energien als zuvor durch den 100 m tief in den Boden getriebenen Tunnel. Die arg gebeutelte Presseabteilung des Cern durfte jüngst sogar einen «Weltrekord» vermelden, weil die bis anhin am Fermilab bei Chicago erreichten Energien von 1 Teraelektronenvolt (TeV) übertroffen wurden. Protonen wurden am LHC auch erstmals erfolgreich im Zentrum der Detektoren zur Kollision gebracht, und die dabei entstehenden Reaktionsprodukte wurden aufgezeichnet. Da jetzt alle Systeme stabil arbeiten, herrscht zuversichtliche Freude. Denn vom LHC erwarten Physiker und Kosmologen endlich Daten, damit wichtige Grundlagenfragen geklärt werden können.
Wie ein Surfer auf der Welle
Damals am Unfalltag war die Konsternation freilich gross. Das sei ein herber Dämpfer gewesen, erinnert sich Physikprofessor Christoph Grab, der zuvor noch bei einer Liveschaltung zwischen der ETH Zürich und dem Cern aufgetreten war. Grab kümmert sich als Vorsitzender des «Computing Boards» unter anderem um die Vernetzung der Computer für alle beteiligten Schweizer LHC-Teams und hat über 20 Jahre Erfahrung mit Experimenten an Teilchenbeschleunigern. Wie manch andere Beteiligte hatte er deshalb schon früh vor allzu enthusiastischem Optimismus gewarnt. Es dauere Monate und sei ungewiss, ob und wie schnell man eine solch komplexe Maschine auf die gewünschten höchsten Touren bringe.
Der LHC wurde zwar nach allen Regeln der Kunst konstruiert, er ist aber auch das grösste Mikroskop, das die Menschheit je gebaut hat. Insbesondere ist er ein physikalisches Experiment und damit – wie im Begriff enthalten ist – eine Versuchsanordnung mit unsicherem Ausgang. Auch die beschädigten Magnete wurden vor ihrem Einsatz im Labor ausgiebig getestet. Hintereinanderschalten und gemeinsam betreiben konnte man die insgesamt über 9600 Blöcke aber erst vor Ort im Tunnel.
Diese Magnete umhüllen als Module die beiden Strahlrohre. Sie haben die Aufgabe, die Protonen auf fast Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen, um Kurven zu lenken und zu fokussieren, damit man deren Zusammenstösse in den hausgrossen Detektoren optimal studieren kann. Die eigentliche Beschleunigung übernehmen dabei sogenannte Kavitäten, Hohlraumresonatoren, in denen Mikrowellen die aus dem Vorbeschleuniger in den LHC injizierten Teilchen weiter antreiben wie eine Meereswelle einen Surfer. Dipolmagnete wiederum halten die Teilchenwölkchen auf der Kreisbahn, Quadrupole fokussieren sie wie Linsen, und Sextupole und höhere Multipol-Magnete überwachen die Feinabstimmung.
Helium verschob Magnete
Insofern war der Start des LHC der wahre Test für ein zentrales Element des LHC. Was schieflief, lag an einem Detail. Damit die Teilchenenergien mit hohem Wirkungsgrad erreicht und alle Prozesse gesteuert werden können, müssen die Magnetspulen und die Verbindungskabel supraleitend sein, was man durch Abkühlung des Systems auf 1,9 Grad Kelvin erreicht. Der elektrische Strom zur Generierung der Magnetfelder fliesst dann praktisch ohne Widerstand. Für diese Kühlung bis nahe an den absoluten Nullpunkt wird flüssiges Helium verwendet, das unter 2,2 Grad Kelvin allerdings selbst in einen suprafluiden Zustand übergeht, wodurch es durch kleinste Ritzen gelangen kann.
Eine wochenlange Analyse des Vorfalls zeigte, dass an einem der 1232 Dipolmagnete eine äusserst geringe Widerstandsschwankung in der Schweissnaht zweier Verbindungskabel einen Mikrofunken und damit eine Kettenreaktion ausgelöst hatte. Erwärmtes Helium expandierte in das Vakuum des Zwischenraums, der die Magnete vor der Aussenwelt abschirmt, und prallte mit solcher Wucht auf die Eisenblöcke an den Seitenenden, dass das etwa 15 Meter lange und einige Tonnen schwere Metallungetüm aus seiner Verankerung katapultiert wurde.
Wie heftig flüssiges Helium knallt, wenn man es nur schon als Tropfen auf den Boden fallen lässt, ist eine beliebte Demonstration im Physikunterricht. Damit das Kühlhelium im LHC in Zukunft keinen Schaden mehr anrichten kann, hat man nun verschiedene Vorkehrungen getroffen. Man senkte beispielsweise den Toleranzwert von erlaubten Widerstandsänderungen auf wenige Milliardstel Ohm, verbesserte die Mess- und Kontrollelektronik, verlegte dazu insgesamt 200 Kilometer neue Kabel und rüstete die Magnetmodule mit leistungsfähigeren Notventilen aus. Da allein schon die Aufwärmphase des Beschleunigerrings oder der Transport von etwa 50 tatsächlich oder möglicherweise lädierten Magneten zum einzigen Schacht des 27 km langen Tunnels Wochen dauerte, wird klar, warum einige Nanoohm Widerstand zu viel ein solch komplexes Experiment wie den LHC ein Jahr lang lahmlegen können.
Zwangspause sinnvoll genutzt
Der Unterbruch hielt alle Forscher auf, die auf Daten aus den Detektoren angewiesen sind, speziell Doktoranden, deren Zeithorizont für ihre wissenschaftlichen Arbeiten begrenzt ist. Dagegen konnten andere Physiker am Cern und an den beteiligten Universitäten und Instituten die Zwangspause sinnvoll nutzen. So wurden etwa die Computermodelle weiterentwickelt, mit deren Hilfe die Schauer von Zerfallsteilchen analysiert werden, die beim Zusammenprall der Protonenstrahlen in den Detektorkammern entstehen.
Auch die Elektronik in den Detektoren selber konnte ausführlich getestet und feinjustiert werden. Dazu verglich man bekannte Daten mit denjenigen, die der Detektor aufzeichnet, wenn er Teilchenspuren registriert, die kosmische Protonen nach der Kollision mit Partikeln in der Erdatmosphäre hinterlassen. Alle Teams der Teilexperimente am LHC, in die weltweit Tausende von Physikern involviert sind, konnten auf diese oder ähnliche Weise arbeiten, sowohl in den beiden grossen Detektoren, genannt «CMS» und «Atlas», wie in den kleineren namens «Alice», «LHCb» «LHCf» und «Totem».
«Wir alle sind jetzt bestens bereit für die Entdeckung von Neuem», resümiert Christoph Grab, der in der CMS-Gruppe der ETH Zürich mit Professor Günther Dissertori zusammenarbeitet. Bis am LHC freilich «neue Physik» gemacht werden kann, wie die Experten sagen, also Strahlenergien von 3, 4 TeV oder sogar die projektierte Höchstmarke von 7 TeV erreicht sind, wird es noch Monate oder vielleicht Jahre dauern.
Erst bei den höheren Energien mit der vorgesehenen Strahlintensität und nach nochmals Monaten der Datenanalyse und -verifizierung ist mit verlässlichen Ergebnissen im Bereich des Unbekannten zu rechnen, beispielsweise der Nachweis des Higgs-Teilchens. Auf jeden Fall wird die Menschheit dann um Erfahrungen reicher sein, die als Spin-offs der Teilchenphysik für Anwendungen wie früher das World Wide Web oder heute die vernetzte Computertechnologie Grid Computing von unschätzbarem Wert sind. (Tages-Anzeiger)
Erstellt: 12.12.2009, 08:00 Uhr
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3 Kommentare
Zukünftige neue Stromunterbrüche, wie derjenige vom 2.12.2009, können am LHC, wenn er in Betrieb ist, an den tausenden von Elektromagneten zu einem 3-5 fachen Ausschalt-Stromstoss führend, der das flüssige Helium innert Sekundenbruchteilen unzulässig erwärmt und zu einer neuen Explosion am LHC führen kann. Bei geplanten Eingangsleistungen von 1-7 TeV ab 2010 sind die Folgen unvorstellbar. Antworten
@ Hans Lehner: Mein Tip an Sie wäre etwas mehr Vorsicht walten zu lassen, wenn physikalische Grössen für Angstmacherei verwendet werden. 1. die physikalische Einheit TeV ist keine Leistung, sondern eine Energie 2. Die Energiemenge von 1 TeV entspricht etwa der kinetischen Energie eines Stecknadelkopfes, welcher gemächlich (ca. 6 cm/sec) über einen Tisch rollt. Denken ist nicht verboten ! Antworten
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