Was wäre, wenn es möglich wäre, die grundlegenden Bausteine, auf denen das Universum basiert, zu beobachten? Kein Problem! Alles, was Sie brauchen, ist ein massiver Teilchenbeschleuniger, eine unterirdische Anlage, die groß genug ist, um eine Grenze zwischen zwei Ländern zu überschreiten, und die Fähigkeit, Teilchen bis zu dem Punkt zu beschleunigen, an dem sie sich gegenseitig vernichten – und dabei Energie und Masse freisetzen, die Sie dann mit einer Serie beobachten könnten von speziellen Monitoren.
Nun, wie es der Zufall so will, gibt es eine solche Einrichtung bereits und wird als CERN Large Hardron Collider (LHC), auch bekannt als CERN-Partikelbeschleuniger. Mit einem Umfang von rund 27 Kilometern und tief unter der Erdoberfläche nahe Genf in der Schweiz gelegen, ist er der größte Teilchenbeschleuniger der Welt. Und seit das CERN den Schalter umgelegt hat, hat der LHC einige tiefere Geheimnisse des Universums beleuchtet.
Zweck:
Collider sind per Definition eine Art Teilchenbeschleuniger, der auf zwei gerichteten Teilchenstrahlen beruht. Teilchen werden in diesen Instrumenten auf sehr hohe kinetische Energien beschleunigt und dann zur Kollision gebracht. Die Nebenprodukte dieser Kollisionen werden dann von Wissenschaftlern analysiert, um die Struktur der subatomaren Welt und die ihr zugrunde liegenden Gesetze zu ermitteln.
Der Large Hadron Collider ist der leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger der Welt. Bildnachweis: CERN
Der Zweck von Collidern besteht darin, hochenergetische Kollisionen zu simulieren, um Teilchennebenprodukte zu erzeugen, die sonst in der Natur nicht existieren würden. Darüber hinaus zerfallen diese Partikelnebenprodukte nach sehr kurzer Zeit und sind daher unter normalen Bedingungen schwer oder fast unmöglich zu untersuchen.
Der Begriff Hadron bezieht sich auf zusammengesetzte Teilchen, die aus Quarks bestehen, die durch die starke Kernkraft zusammengehalten werden, eine der vier Kräfte, die die Teilchenwechselwirkung bestimmen (die anderen sind schwache Kernkraft, Elektromagnetismus und Schwerkraft). Die bekanntesten Hadronen sind Baryonen – Protonen und Neutronen – aber auch Mesonen und instabile Teilchen, die aus einem Quark und einem Antiquark bestehen.
Entwurf:
Der LHC arbeitet, indem er zwei Strahlen von „Hadronen“ – entweder Protonen oder Bleiionen – in entgegengesetzte Richtungen um seinen kreisförmigen Apparat beschleunigt. Die Hadronen kollidieren dann, nachdem sie sehr hohe Energieniveaus erreicht haben, und die resultierenden Teilchen werden analysiert und untersucht. Es ist der größte Hochenergiebeschleuniger der Welt mit einem Umfang von 27 km (17 mi) und einer Tiefe von 50 bis 175 m (164 bis 574 ft).
Der Tunnel, in dem sich der Collider befindet, ist 3,8 Meter (12 ft) breit und diente früher als Unterbringung des Großer Elektron-Positron-Beschleuniger (die zwischen 1989 und 2000 betrieben wurde). Dieser Tunnel enthält zwei benachbarte parallele Strahllinien, die sich an vier Punkten schneiden, wobei jeder einen Strahl enthält, der sich in entgegengesetzte Richtungen um den Ring bewegt. Der Strahl wird von 1.232 Dipolmagneten gesteuert, während 392 Quadrupolmagnete verwendet werden, um die Strahlen fokussiert zu halten.
Supraleitende Quadrupol-Elektromagnete werden verwendet, um die Strahlen zu vier Schnittpunkten zu lenken, an denen Wechselwirkungen zwischen beschleunigten Protonen stattfinden. Quelle: Wikipedia Commons/gamsiz
Insgesamt kommen etwa 10.000 supraleitende Magnete zum Einsatz, die von etwa 96 Tonnen flüssigem Helium-4 auf einer Betriebstemperatur von -271,25 °C (-456,25 °F) gehalten werden – also knapp am absoluten Nullpunkt. Damit ist der LHC auch die größte kryogene Anlage der Welt.
Bei der Durchführung von Protonenkollisionen beginnt der Prozess mit dem linearen Teilchenbeschleuniger ( LINAC 2 ). Nachdem der LINAC 2 die Energie der Protonen erhöht hat, werden diese Teilchen dann in die Proton-Synchrotron-Booster (PSB), wodurch sie auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden.
Sie werden dann in die Proton-Synchrotron (PS) und dann auf die Super Proton Synchrtron (SPS), wo sie noch weiter beschleunigt werden, bevor sie in den Hauptbeschleuniger eingespritzt werden. Dort werden die Protonenpakete angesammelt und über einen Zeitraum von 20 Minuten auf ihre Spitzenenergie beschleunigt. Zuletzt werden sie über einen Zeitraum von 5 bis 24 Stunden zirkuliert, wobei es an den vier Kreuzungspunkten zu Kollisionen kommt.
Während kürzerer Laufzeiten sind Schwerionenkollisionen (typischerweise Bleiionen) im Programm enthalten. Die Bleiionen werden zuerst vom Linearbeschleuniger beschleunigt LINAC 3 , und der Ionenring mit niedriger Energie (LEIR) wird als Ionenspeicher- und Kühleinheit verwendet. Die Ionen werden dann durch PS und SPS weiter beschleunigt, bevor sie in den LHC-Ring injiziert werden.
Während Protonen und Bleiionen kollidieren, werden sieben Detektoren verwendet, um nach ihren Nebenprodukten zu suchen. Dazu gehören die Ein toroidförmiger LHC-ApparatS (ATLAS)-Experiment und die Kompaktes Myon-Magnetventil (CMS), die beide Allzweckdetektoren sind, die entwickelt wurden, um viele verschiedene Arten von subatomaren Teilchen zu sehen.
Dann gibt es die genaueren Ein großes Ionenbeschleuniger-Experiment (ALICE) und Große Hadron Collider Schönheit (LHCb)-Detektoren. Während ALICE ein Schwerionendetektor ist, der stark wechselwirkende Materie bei extremen Energiedichten untersucht, zeichnet der LHCb den Zerfall von Teilchen auf und versucht, b- und anti-b-Quarks aus ihren Zerfallsprodukten zu filtern.
Dann sind da noch die drei kleinen und hochspezialisierten Detektoren – die TOTal Messung des elastischen und diffraktiven Querschnitts (TOTEM) Experiment, das Gesamtquerschnitt, elastische Streuung und diffraktive Prozesse misst; das Monopol- und Exoten-Detektor (MoEDAL), das nach magnetischen Monopolen oder massiven (pseudo-)stabilen geladenen Teilchen sucht; und der Large Hadron Collider vorwärts (LHCf), die auf Astroteilchen (auch bekannt als kosmische Strahlung) überwachen.
Geschichte des Betriebs:
CERN, das steht für Europäischer Rat für Kernforschung (oder European Council for Nuclear Research auf Englisch) wurde am 29. September 1954 von zwölf westeuropäischen Unterzeichnerstaaten gegründet. Der Hauptzweck des Rates bestand darin, die Einrichtung eines Labors für Teilchenphysik in Genf zu beaufsichtigen, in dem Nuklearstudien durchgeführt werden sollten.
Abbildung, die die Nebenprodukte von Bleiionenkollisionen zeigt, wie sie vom ATLAS-Detektor überwacht werden. Bildnachweis: CERN
Bald nach seiner Gründung ging das Labor darüber hinaus und begann auch mit der Forschung in der Hochenergiephysik. Es ist auch auf zwanzig europäische Mitgliedsstaaten angewachsen: Frankreich, Schweiz, Deutschland, Belgien, Niederlande, Dänemark, Norwegen, Schweden, Finnland, Spanien, Portugal, Griechenland, Italien, Großbritannien, Polen, Ungarn, Tschechien, Slowakei , Bulgarien und Israel.
Der Bau des LHC wurde 1995 genehmigt und sollte ursprünglich bis 2005 abgeschlossen sein. Kostenüberschreitungen, Budgetkürzungen und verschiedene technische Schwierigkeiten haben jedoch den Fertigstellungstermin auf April 2007 verschoben. Der LHC ging erstmals am 10. September 2008 online. jedoch verzögerten sich die ersten Tests um 14 Monate nach einem Unfall, bei dem viele der Schlüsselkomponenten des Colliders (wie die supraleitenden Magnete) erheblich beschädigt wurden.
Am 20. November 2009 wurde der LHC wieder online gebracht und sein erster Lauf lief von 2010 bis 2013. Während dieses Laufs kollidierte er mit zwei entgegengesetzten Teilchenstrahlen aus Protonen und Bleikernen bei Energien von 4 Teraelektronenvolt (4 TeV) und 2,76 TeV pro Nukleon bzw. Der Hauptzweck des LHC besteht darin, Bedingungen kurz nach dem Urknall wiederherzustellen, als Kollisionen zwischen hochenergetischen Teilchen stattfanden.
Wichtige Entdeckungen:
Während seines ersten Laufs enthielten die Entdeckungen des LHC ein Teilchen, von dem angenommen wurde, dass es das lange gesuchte Higgs-Boson ist, das am . angekündigt wurde 4. Juli 2012 . Dieses Teilchen, das anderen Teilchen die Masse verleiht, ist ein wichtiger Bestandteil des Standardmodells der Physik. Aufgrund seiner hohen Masse und schwer fassbaren Natur basierte die Existenz dieses Teilchens ausschließlich auf der Theorie und war noch nie zuvor beobachtet worden.
Die Entdeckung des Higgs-Bosons und der laufende Betrieb des LHC haben es den Forschern auch ermöglicht, Physik jenseits des Standardmodells zu untersuchen. Dies beinhaltete Tests bezüglich Supersymmetrietheorie . Die Ergebnisse zeigen, dass bestimmte Arten des Teilchenzerfalls weniger verbreitet sind als einige Formen der Supersymmetrie vorhersagen, aber immer noch mit den Vorhersagen anderer Versionen der Supersymmetrietheorie übereinstimmen könnten.
Im Mai 2011 wurde berichtet, dass im LHC Quark-Gluon-Plasma (theoretisch die dichteste Materie neben Schwarzen Löchern) entstanden ist. Am 19. November 2014 gab das LHCb-Experiment die Entdeckung von . bekannt zwei neue schwere subatomare Teilchen , die beide Baryonen waren, die aus einem Bottom-, einem Down- und einem Strange-Quark bestanden. Die LHCb-Zusammenarbeit beobachteten während des ersten Durchlaufs auch mehrere exotische Hadronen, möglicherweise Pentaquarks oder Tetraquarks.
Seit 2015 führt der LHC seinen Second Run durch. In dieser Zeit widmete es sich der Bestätigung des Nachweises des Higgs-Bosons und der weiteren Untersuchungen der Supersymmetrietheorie und der Existenz exotischer Teilchen auf höheren Energieniveaus.
Der ATLAS-Detektor, einer von zwei Allzweck-Detektoren am Large Hadron Collider (LHC). Bildnachweis: CERN
In den kommenden Jahren ist für den LHC eine Reihe von Upgrades geplant, um sicherzustellen, dass er nicht unter Ertragseinbußen leidet. In den Jahren 2017-18 soll der LHC einer Aufrüstung unterzogen werden, die seine Kollisionsenergie auf 14 TeV erhöht. Darüber hinaus soll der ATLAS-Detektor nach 2022 ein Upgrade erhalten, das die Wahrscheinlichkeit erhöhen soll, seltene Prozesse zu erkennen, die als bekannt sind LHC . mit hoher Leuchtkraft .
Die gemeinschaftliche Forschungsanstrengung, bekannt als die LHC-Beschleuniger-Forschungsprogramm (LARP) forscht derzeit daran, den LHC weiter aufzurüsten. Hierzu zählen vor allem die Erhöhung des Strahlstroms und die Modifikation der beiden lichtstarken Wechselwirkungsbereiche sowie der ATLAS- und CMS-Detektoren.
Wer weiß, was der LHC bis zu dem Tag entdecken wird, an dem er endlich den Strom abschaltet? Mit etwas Glück wird es mehr Licht auf die tieferen Geheimnisse des Universums werfen, zu denen die Tiefenstruktur von Raum und Zeit, die Schnittmenge von Quantenmechanik und allgemeiner Relativitätstheorie, die Beziehung zwischen Materie und Antimaterie und die Existenz von „Dunkler Materie“ gehören könnten “.
Wir haben viele Artikel über CERN und den LHC für Universe Today geschrieben. Hier ist Was ist das Higgs-Boson? , Die Hype-Maschine entleert sich, nachdem CERN-Daten keine neuen Partikel zeigen , BICEP2 noch einmal? Forscher stellen Higgs-Boson-Entdeckung in Zweifel , Zwei neue subatomare Partikel gefunden , Wird ein neuer Partikel angekündigt? , Physiker bestätigen vielleicht, nur vielleicht die mögliche Entdeckung der 5. Naturgewalt .
Weitere Informationen zum Large Hadron Collider finden Sie im LHC-Startseite , und hier ist ein Link zum CERN-Website .
Astronomy Cast hat auch einige Episoden zu diesem Thema. Hör zu, Folge 69: Der Large Hadron Collider und die Suche nach dem Higgs-Boson und Episode 392: Das Standardmodell – Intro .
Quellen:
