CERN’ed – Crashes Machen Spaß

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Die Frontseite des CMS-Detektor
Frontseite von CMS – Foto von marcofantoni84

Warum wissen wir eigentlich soviel über das CERN, warum beschäftigt uns das so stark? Zum einen ist es natürlich eine weltweite Forschungseinrichtung und hat den größten. Teilchenbeschleuniger natürlich. Zum anderen ist unsere Lieblings-Eliteuniversität in ihrem elementarisiertem Teilchenphysikteil kräftig an diesem Projekt beteiligt, hauptsächlich in Planung, Entwicklung, Bau und mittlerweile auch Betrieb von CMS.

CMS-Logo mit lustigen kleinen Einhornflügeln. Oder Teilchenspuren. Wer weiß das schon. CMS, das ist eines der großen Experimente im LHC und wird, ähnlich wie ATLAS auf die Suche nach neuen Teilchen gehen. Ganz besonders heiß sind die Physiker bekanntlich auf das Higgs-Teilchen. Das Higgs-Teilchen, so besagt es die Theorie von Peter Higgs, sorgt dafür, dass bestimmte Elementarteilchen eine Masse bekommen, was man sich sonst nicht erklären könnte. Dazu aber in einem extra Artikel später mehr. Außerdem soll auch noch nach Hinweisen für andere Theorien wie SUSY und der Stringtheorie mit ihren 10 Dimensionen gesucht werden.

Und wie findet man nun diese Teilchen, wenn sie nicht gerade auf der Straße liegen? Man erzeugt sie. Gemäß Einsteinscher Massen-Energie-Äquivalenz braucht man einfach nur genug Energie, dann entstehen die schon. Die Energie kommt von den Protonen, die im LHC umhersausen und wird beim frontalen Zusammenstoß freigesetzt. Zur Detektion der Teilchen, die beim Zusammenprall entstehen, kommen nun verschiedene Bereiche innerhalb des zylindrischen Detektors zum Einsatz (von innen nach außen):

Aufbau des CMS-Detektors
1) Silizium-Tracker: Sie erfassen die Spur der entstandenen geladenen Teilchen, um daraus ihre Geschwindigkeit (bzw. physikalisch den Impuls) ableiten zu können.
2) ECAL/HCAL1: Die messen, wie weit ein Teilchen in Materie eindringt. Je weiter es rein geht, desto höher war seine Energie. Wie bei dem Auto, dass in das Haus fährt.
3) dicke Magneten: Sie erzeugen ein ca. 4 T großes magnetisches Feld, dass die Teilchen in ihrer Bahn ablenkt. Ohne dieses würden sie einfach geradeaus fliegen und man könnte ihre Geschwindigkeit nicht messen.2
4) Myon-Kammern: Mit ihnen werden die Bahnen von Myonen bestimmt – das sind Schwesterteilchen der Elektronen, nur in schwer. Dass sie extra Geräte benötigen liegt daran, dass sie einfach durch die anderen Teile fliegen und nichts machen. Man sieht sie also nicht.

Zur Verdeutlichung des Aufbaus hier noch eine Flash-Animation.

Je nach Krümmung der Bahn liegt ein größerer oder kleinerer Impuls vor und zusammen mit der gemessenen Energie kann man dann die Masse der Teilchen bestimmen. Und über die Masse sind die Teilchen schließlich unterscheidbar und definiert.

Ein Blick in das innere von CMS, ist aber mittlerweile zusammengefahren. Soweit so gut, aber das macht ATLAS auch alles so ähnlich und hat auch ein ähnliches Augenmerk auf das, was gesucht wird. Doch warum gleich zwei dieser Experimente, die nicht gerade billig sind? Einerseits ist es nicht verkehrt, wenn man etwas neues und unbekanntes misst, das Gemessene gleich durch eine unabhängige Messung verifizieren zu können. Andererseits erwartet man so schneller die gesuchten Teilchen zu finden, immerhin suchen jetzt zwei Augen statt nur einem.

Der CMS-Control-Room Und CMS sucht viel und effektiv. Innerhalb einer Sekunde produzieren alle Detektoren eine Datenmenge, die 10.000 Encyclopaedia Britannica entspricht.3 Oder für die jüngeren unter euch: ca. 2342,314 Wikipedias. Für die Güte der Daten soll der größte jemals produzierte Magnet sorgen, der auch das Besondere an CMS ist: Nur die Myon-Kammern sind außerhalb, alles andere ist innerhalb des Magneten platziert. Daher ist das alles extrem kompakt und es passt kein Kätzchen mehr rein4 – ist vielleicht auch besser so. Die Strahlung wäre nicht gut für das Kleine. Der ganze Aufwand hat jedenfalls den Vorteil, dass der Magnet die Messung nicht stört, weil die Teilchen erst die Messgeräte und dann den Magneten passieren.
Die Kompaktheit ist übrigens auch der Namensgeber: Compact Myon Solenoid.

Damit das auch alles so klappt, gibt es eine Menge Leute, die daran mitarbeiten. Seit 1992 hat sich die Zahl derer, die mit planen, organisieren und werkeln stetig erhöht. 2003 waren es dann 2300 Leute aus 159 Instituten und 36 Ländern.5 Wie eingangs schon erwähnt, bemüht sich auch die RWTH an diesem Projekt und kümmert sich im Wesentlichen um Bereiche der Silizium-Tracker-Entwicklung (I B und III B) oder Myonen-Kammer-Entwicklung (III A).

Und wem das Zugucken bei Andi-und-André-machen-Physikpraktikum langweilig geworden ist, der kann den Leuten im CMS-Control-Room bei der Arbeit über die Schulter blicken.

  1. Das ECAL (Electronic Calorimeter) ist auf geladene Teilchen, z.B. Elektronen, ausgelegt; das HCAL (Hadron Calorimeter) ist auf hadronische Teilchen, z.B. Protonen, Neutronen, ausgelegt. []
  2. Für die Interessierten: Die Geschwindigkeit kann man nicht einfach mit zwei Lichtschranken oder sowas messen, weil sich die Teilchen alle fast mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Und das ist so schnell, dass man eigentlich nur messen kann, dass sie mit Lichtgeschwindigkeit unterwegs sind. Man braucht es aber etwas genauer, sonst wirkt ein Kätzchen nachher wie ein Löwe oder ein Nacktmull. []
  3. Ein paar weitere Trivia-Facts gibts auf den CMS-Seiten. []
  4. Eigentlich passt noch nichtmal ein zusätzliches Kabel rein. Sollte also irgendwer in der Planung ein Kabel vergessen haben, so hat derjenige echt ein Problem, denn es passt einfach nicht mehr rein. []
  5. Quelle: CMS-Seite []
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