«10'000 Verbindungen müssen ersetzt werden»

Teilchenphysiker Günther Dissertori erklärt, weshalb die Cern-Forscher die Arbeit am Large Hadron Collider (LHC) für zwei Jahre stoppen. Und zu welchen Erkenntnissen die Experimente bereits geführt haben.

Muss abgeschaltet werden: Der Large Hadron Collider (LHC) im Cern hat defekte Kabel.

Muss abgeschaltet werden: Der Large Hadron Collider (LHC) im Cern hat defekte Kabel. Bild: Cern

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Was wissen Sie Neues über das Higgs-Teilchen? Letzten Sommer avancierte es zur Mediensensation, obwohl viele Fragen offen waren.
Die Analysen der bis Weihnachten 2012 gesammelten Datenmenge laufen auf Hochtouren. Dass wir einer statistischen Fluktuation aufgesessen sind und gar kein neues Teilchen entdeckt haben, ist mittlerweile so unwahrscheinlich, wie mit einer Münze 40-mal hintereinander Kopf zu werfen. Und spezifische Merkmale des Teilchens wie Spin oder Parität scheinen mit den Vorhersagen des Standardmodells der Teilchenphysik kompatibel zu sein. Alles, was wir testen, weist bisher in Richtung Standardmodell-Higgs. Leider.

Das als Standardmodell bezeichnete Gerüst der Teilchenphysik hat trotz allen Erfolgen Lücken. Hätten Sie statt einer Bestätigung lieber experimentelle Hinweise auf Neues?
Ja, deshalb haben wir zum Beispiel begonnen, genauer hinzuschauen, ob es in der Umgebung dieses Teilchens noch ein zweites gibt. Gewisse supersymmetrische Modelle sagen zwei Higgs-Teilchen voraus, die in Bezug auf ihre Masse sehr nahe beieinanderliegen könnten. Laut anderen Theorien wiederum könnte das Higgs-Teilchen auch aus fundamentaleren Komponenten zusammengesetzt sein. Tests solcher Art laufen parallel.

Welche der vielen Interpretationen favorisieren Sie?
Eine schwierige Frage. Ich fände es sehr interessant, wenn das Higgs nicht fundamental wäre, sondern eine innere Struktur hätte. Protonen und Neutronen im Atomkern beispielsweise bestehen auch aus elementaren Quarks, die von Gluonen zusammengehalten werden. Dann gäbe es bei hohen Energien einen völlig neuen physikalischen Sektor mit neuen Wechselwirkungen und fundamentalen Teilchen. Für mich am allerwichtigsten wäre wohl, wenn die Supersymmetrie in der Natur realisiert wäre. Da laut dieser Vorstellung jedes Teilchen einen sogenannten supersymmetrischen Partner hat, gäbe es eventuell im Energiebereich des LHC noch sehr viel zu entdecken.

Sie forschen am CMS-Detektor. Gibt es neben dem Higgs-Teilchen auch andere Erfolge zu vermelden?
Wir versuchen, möglichst viel abzudecken. Ein wichtiger Erfolg sind sicher die Messungen des Topquarks, des schwersten der sechs Quarks, dessen Existenz nach langem Suchen erst 1995 nachgewiesen werden konnte. Da ist es uns trotz der kurzen Zeit gelungen, sogar sehr seltene Prozesse zu dokumentieren.

Neben dem CMS forschen am LHC auch andere Forschergruppen. Was hat Sie da besonders beeindruckt?
Dem LHCb sind viele fantastische Messungen von zum Teil äusserst seltenen Teilchenzerfällen gelungen. Abweichungen vom Standardmodell haben aber auch sie nicht gefunden. Und Alice liefert interessante Resultate zur Schwerionenphysik, ist dabei allerdings entgegen den Erwartungen von uns am CMS und vom Atlas unter Druck gesetzt worden.

Wie das?
Jedes Experiment hat seinen eigenen Fokus. Alice beispielsweise ist optimiert auf Kollisionen von Blei-Ionen, doch in allen Phasen, in denen für einige Wochen im Beschleuniger anstatt Protonen solche schwere Teilchen kursierten, haben auch wir und Atlas Daten genommen und dabei einige interessante und überraschende Resultate erzielt.

Sind Sie generell überrascht von der Performance des LHC?
Ja und nein. Die Steigerungsraten bei der sogenannten Luminosität waren sehr beeindruckend. Noch vor zwei Jahren gingen wir stolz mit Datenmengen zu einer Konferenz, die wir heute in unseren Detektoren in wenigen Stunden sammeln. Nicht überrascht haben mich die Technik-Experten des Beschleunigers. Ich wusste, dass sie exzellent sind. Dieses Vertrauen haben sie bestätigt.

Nun ruht die Datennahme für zwei Jahre. Warum wird der Beschleuniger abgeschaltet?
Der Hauptgrund ist der Defekt an Kabel-Verbindungen Ende 2008, der den LHC für ein Jahr lahmlegte. Damit man den LHC ohne Risiko auf der angestrebten maximalen Energie betreiben kann, müssen zuerst alle Verbindungen zwischen den über 1200 Dipolmagneten ersetzt werden, die im 27 Kilometer langen Ringtunnel für die Lenkung und Fokussierung der Teilchenstrahlen zuständig sind. Das betrifft an die 10'000 Verbindungen und braucht viel Zeit. Allein das erneute Abkühlen der Magnete nach der Reparatur auf wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt dauert Monate. 2018 ist dann ein weiterer Upgrade geplant, um auch die Intensität der Teilchenstrahlen zu erhöhen.

Nutzt CMS die Pause für Upgrades am Detektor?
Im grossen Stil erst 2018. Jetzt werden wir nur bei einer Detektorkomponente neue Fotosensoren und einige zusätzliche Myon-Detektoren einbauen, damit wir die Bahnen dieses Elementarteilchens, das dem Elektron sehr ähnlich ist, über noch grössere Winkelbereiche präzise messen können. Ohnehin werden die zwei Jahre schnell vorbeigehen. Neben der Datenanalyse müssen wir 2014 bereits die Vorbereitungen für die neue Phase 2015 in Angriff nehmen.

Einer breiten Öffentlichkeit bekannt wurde das Cern durch die Erfindung des World Wide Web. Ist aus dem IT-Bereich des LHC eine ähnliche Erfindung absehbar, die der Allgemeinheit zugutekommt?
Die riesigen Datenmengen, die in allen Experimenten anfallen und von Tausenden Wissenschaftlern weltweit gleichzeitig abgerufen werden wollen, können von einem Rechenzentrum allein nicht bewältigt werden. Deshalb wurde sehr früh am Konzept des verteilten Rechnens gearbeitet, das örtlich getrennte Rechner virtuell zusammenschliesst. Die Entwicklung dieses Gridcomputings wurde durch den LHC sicherlich stark vorangetrieben. Nun gibt es Projekte, mit derselben Methode beispielsweise Kliniken und Ärzte zu vernetzen, um die Diagnose nach einer Mammografie zu verbessern.

Morgen Donnerstag um sechs Uhr früh endet am LHC die Datennahme. Ein Grund zum Feiern?
Ich fahre Mittwochabend zurück an die ETH nach Zürich. Aber die Beschleunigergruppe am LHC oder die Leute im Kontrollraum dürften wohl eine Sektflasche entkorken.

Erstellt: 16.02.2013, 22:10 Uhr

Günther Dissertori ist Professor für Teilchenphysik an der ETH Zürich und war bis 2011 stellvertretender Physikkoordinator des CMS-Experiments. (Bild: Giulia Marthaler/ETH Zürich)

Erste Resultate: Das Spannendste aus dem Datenwust

Nach der Havarie in der Startphase hat der LHC-Teilchenbeschleuniger am Cern bei Genf mehr als drei Jahre lang Daten geliefert. An den Experimenten sind sechs Forschergruppen aus jeweils Hunderten bis Tausenden Wissenschaftlern aus der ganzen Welt beteiligt. Diese Kollaborationen arbeiten an zentralen Problemen der Teilchenphysik und der Kosmologie und überprüfen bewährte Modelle experimentell. Ihre Resultate haben bereits zu über 700 Publikationen geführt. Eine Auswahl:

¬ Atlas ist gemeinsam mit dem CMS das grösste Experiment am LHC. Beide Forschungsgruppen arbeiten unabhängig, haben ähnliche Inhalte, aber eine unterschiedliche Detektorarchitektur, wodurch Fehlerquellen minimiert werden. Im Dezember 2011 wies die Atlas-Kollaboration als Erste am LHC ein neues Teilchen nach, und später mit dem CMS das mutmassliche Higgs. Umfangreichere Resultate werden im März präsentiert. Laut Michele Weber, der an der Uni Bern die Atlas-Gruppe koordiniert, konzentriert man sich in Bern nun vornehmlich auf die Suche nach supersymmetrischen Teilchen. Während der Pause wird man im Zentrum des Detektors eine zusätzliche Lage einbauen, damit die Spuren von Zerfallsteilchen noch näher am Kollisionspunkt registriert werden können.

¬ Das LHCb-Experiment liess letzten November aufhorchen, als Physiker die erstmalige Beobachtung des seltenen Zerfalls eines speziellen Mesons in zwei Myonen präsentierten. Dessen nun ebenfalls gemessene Häufigkeit ist ein Indikator für unbekannte Teilchen und Wechselwirkungen. Auf solch seltene Prozesse ist der LHCb spezialisiert. Den TrackingDetektor, der die Positionen von Teilchenspuren erfasst, hat die Uni Zürich in sechs Jahren entwickelt. «Es gibt Prozesse», sagt Professor Ulrich Straumann, «bei denen man eine Milliarde Zerfälle studieren muss, um einen bestimmten zu finden.» Analysiert wird am LHCb auch die Struktur der Protonen, die im LHC zur Kollision gebracht werden.

¬ Alice modelliert die früheste Phase des Universums mithilfe von Blei-BleiKollisionen, die eine Art «Tröpfchen des Urknalls» darstellen, wie es Kai Schweda von der Uni Heidelberg formuliert. Dazu werden im LHC über einige Wochen nicht Protonen, sondern Blei-Ionen in den Beschleuniger eingespeist. Bei der Kollision entsteht ein Plasma aus Quarks und Gluonen, das zwei Billionen Grad heiss ist und länger lebt, als man es bei tieferen Energien beobachtet hatte: ein Zehnmillionstel einer Billionstelsekunde. «Wir wollen herausfinden, wie sich Materie bei derart extremen Bedingungen verhält», sagt Schweda. (André Behr)

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