FASER – das ‚ForwArd Search ExpeRiment‘ am CERN-Teilchenbeschleuniger

Kleines Experiment, grosse Physik

Wenn man vom CERN spricht, denkt man unweigerlich an die Grossexperimente am Teilchenbeschleuniger ‚Large Hadron Collider‘ (LHC). Doch das Europäische Labor für Teilchenphysik hat noch mehr zu bieten: Dort wird zur Zeit ein kleines, aber feines Experiment mit dem Namen FASER aufgebaut, an dem Forscherteams von Professorin Anna Sfyrla und Professor Giuseppe Iacobucci in Genf sowie des Berner Professors Akitaka Ariga beteiligt sind. FASER beweist: Auch vergleichsweise günstige Experimente haben das Potenzial für bahnbrechende wissenschaftliche Erkenntnisse.

Der FASER-Detektor am CERN, in einem Tunnel 80 Meter unter der Erdoberfäche. Der Detektor ist so ausgerichtet, dass er jene Teilchen erfasst, die bei Proton-Proton-Kollisionen im ATLAS-Experiment entstehen und von dort ohne Ablenkung geradeaus weiterfliegen.
Bild: Claire Antel / FASER

Wer die vier grossen Experimente besucht, die gegenwärtig am Teilchenbeschleuniger LHC durchgeführt werden, gerät ins Staunen: Tief unter der Erde befinden sich Felskavernen, in denen gewaltige Forschungsgeräte Platz finden. Eines dieser Geräte ist der Detektor des ATLAS-Experiments: ein 46 Meter langer Zylinder, 25 Meter im Durchmesser, 7000 Tonnen schwer. Der Koloss besteht aus mehreren Schichten unterschiedlicher Sensortypen. Die Sensoren erfassen die Teilchen, die entstehen, wenn im Innern des Detektors zwei Protonen aufeinander prallen und neue Teilchen erzeugen.

Für die Forschungsziele des ATLAS-Experiments ist dieser Detektor genau richtig dimensioniert. Das heisst aber nicht, dass man zur Erforschung der kleinsten Materiebausteine nicht auch einfachere Wege gehen kann. Das beweist das FASER-Experiment, das gegenwärtig nur wenige hundert Meter vom ATLAS-Detektor entfernt aufgebaut wird, ebenfalls 80 Meter unter der Erdoberfläche. Der FASER-Detektor sieht aus wie der kleine Bruder von ATLAS: Er besteht aus einem fünf Meter langen Rohr mit 20 cm Durchmesser und drei Tonnen Gewicht. „Wir sind eine gemütliche Kollaboration, wo jeder jeden kennt und jeder das ganze Experiment überblickt“, sagt Claire Antel. Die ausgebildete Teilchenphysikerin südafrikanischer Herkunft hat an der Universität Heidelberg promoviert und arbeitet heute als Postdoc bei Teilchenphysikprofessorin Anna Sfyrla an der Universität Genf. Sie ist eine von 64 Forschenden aus acht Ländern, die am FASER-Experiment mitarbeiten.

Messen, was der ATLAS-Detektor nicht erkennt

Die „gemütliche Kollaboration“ will mit FASER einen Beitrag zur Klärung von grossen naturwissenschaftlichen Fragen des 21. Jahrhunderts leisten: Aus welchen Teilchen besteht die Dunkle Materie, die das Universum ausfüllt, die bislang aber nie beobachtet wurde? Wie entsteht die Masse des Neutrinos? Warum gibt es im Weltall viel weniger Antimaterie, als man erwarten würde? Um Antworten auf diese Fragen zu finden, suchen Physikerinnen und Physiker mit neuen Experimenten fieberhaft nach bisher unbekannten Elementarteilchen. FASER ist eines der jüngsten Experimente: Die Idee dafür entstand im Jahr 2017. Seither wurde es im Rekordtempo aufgebaut.

ATLAS misst Eigenschaften der Teilchen, die entstehen, wenn zwei im LHC beschleunigte Protonen aufeinanderprallen. Nachdem über Jahre Daten gesammelt wurden, zeigt sich, dass der ATLAS-Detektor nicht ohne weiteres neue Teilchen zu entdecken vermag, sei es, weil sie zu schwer sind oder sie zu schwach wechselwirken. „Es braucht einen Paradigmenwechsel, um nach etwas leicht Unterschiedlichem zu suchen und damit zu gewährleisten, dass kein offenkundiges Signal für neue Physik übersehen wird“, sagt Claire Antel. Genau das versucht nun der neue, kleine Detektor mit dem Namen FASER einige Hundert Meter vom ATLAS-Detektor entfernt. Sein Ziel ist, bisher nicht beobachtete Elementarteilchen (wie z.B. das ‚dunkle Photon‘) nachzuweisen, die – einigen theoretischen Modellen zufolge – bei Proton-Proton-Kollisionen entstehen, die vom ATLAS-Detektor aber nicht ohne weiteres aufgespürt werden können, da sie sehr leicht sind und dazu tendieren, sich entlang der Strahlrohre zu bewegen – genau dort, wo der ATLAS-Detektor nicht sensitiv ist.

Ein ‚dunkles Photon‘, wenn es denn existiert, könnte auch durch FASER nicht direkt nachgewiesen werden. Das Experiment zielt aber darauf ab, so ein Teilchen einzufangen, während es innerhalb des FASER-Detektors zerfällt (z.B. in ein Elektron und ein Positron), und so die sichtbaren Zerfallsprodukte im Detektor zu erkennen. „Das FRASER-Experiment erlaubt einen neuen Approach, die LHC-Kollisionen zu nutzen. Es hat das Potenzial, entweder revolutionäre Entdeckungen zu machen, oder neue Theorien und Modelle in Bereichen einzuschränken, zu denen kein gegenwärtiges Experiment Zugang bietet. Gleichzeitig wird es erste Messungen von Neurinos in Kollisionsereignissen liefern“, erklärt Anna Sfyrla.

Ein günstiger Ort für neuartige Beobachtungen

Der FASER-Detektor ist exakt für diese Aufgabe konzipiert. Sein Standort ist so gewählt, dass möglichst wenig andere Teilchen die Messungen stören. Die starken Magnete des LHC helfen, die meisten der geladenen Teilchen (an diesen ist FASER nicht interessiert) so abzulenken, dass sie den FASER-Detektor erst gar nicht erreichen. Vier sogenannte Szintillatoren am Eingang des Detektors markieren eintreffende Myonen, welche dann bei der Suche nach Anzeichen von neuer Physik nicht analysiert werden. Gelangt nun tatsächlich ein unbekanntes Teilchen (z.B. ‚dunkles Photon‘) in den Detektor, würde es in einem bestimmten Sektor des Detektors (‚Zerfallsvolumen‘) zerfallen. Die Zerfallsprodukte würden anschliessend in der dreistufigen Nachweiskammer (‚Tracker‘) vermessen (für Details siehe Legende zu Illustration 01). Das FASER-Experiment wird durch einen Emulsionsdetektor ergänzt: 1000 fotografische Schichten, die mit Wolframplatten verschachtelt sind, werden Neutrinos einfangen, die den Detektor durchqueren, und zwar mit den höchsten jemals von Menschen gemessenen Energien. Einige Komponenten des Detektors wurden von den grossen LHC-Experimenten gespendet, da sie Ersatzteile waren oder nicht mehr benötigt wurden. Dies erlaubte, den Aufbau in kurzer Zeit zu realisieren und reduzierte die Kosten.

Um neuartige Teilchen wie das dunkle Photon aufzuspüren, müssen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am FASER-Experiment während langer Zeit Teilchenspuren in der Nachweiskammer messen und die aufgezeichneten ‚Ereignisse‘ dann mit statistischen Methoden auswerten. So liessen sich – im Erfolgsfall – Rückschlüsse auf die Existenz neuartiger Teilchen ziehen. Das Auslesesystem für die FASER-Daten ist die Spezialität von Claire Antel. An dieser Detektorkomponente arbeitet sie, seit sie 2019 zum FASER-Experiment gestossen ist. "Eine Herausforderung ist sicherzustellen, dass beim Start des Experiments alle Detektorkomponenten ihren Teil der Daten auslesen und auf 25 Nanosekunden genau synchronisiert sind, damit wir später, wenn wir die Daten zusammenfügen, das Gesamtbild korrekt rekonstruieren können", sagt Claire Antel.

Start im Februar 2022

Trotz der restriktiven Vorschriften des CERN im Zusammenhang mit der Pandemie wurden Vorkehrungen getroffen, damit es mit der Installation des FASER-Detektors voranging. Umfassende Tests wurden – auch über Weihnachten – durchgeführt, bei denen die Forschenden die Daten verschiedener Komponenten erfolgreich auslesen konnten und deren Funktionsweise durch die Messung von kosmischer Strahlung überprüften. Der Detektor wurde Ende März 2021 vollständig installiert, wird aber erst im Februar 2022 in Betrieb gehen, wenn die aktuelle Wartungspause des LHC endet. Die ersten Ergebnisse von FASER werden für Ende 2022 erwartet.

Obwohl der FASER-Detektor noch nicht mit der Datenaufnahme begonnen hat, denkt die FASER-Kollaboration bereits über einen neuen Detektor nach, der den aktuellen nach dessen dreijähriger Lebensdauer ergänzen soll. Der neue FASER-2 wird deutlich grösser und leistungsfähiger sein, so dass die Physikerinnen und Physiker nach einem breiteren Spektrum an neuen Phänomenen suchen können.

Autor: Benedikt Vogel

  • Ausgehend vom benachbarten ATLAS-Experiment treffen hochenergetische Teilchen (100 GeV bis 10 TeV) von links auf den FASER-Detektor. Vier „Veto“-Szintillatoren eliminieren die im Teilchenstrahl enthaltenen Myonen, da sie für das FASER-Experiment uninteressant sind. Wenn Teilchen anschliessend im ‚Zerfallsvolumen‘ (‚decay volume‘) zerfallen, können die Zerfallsprodukte in den drei Nachweisstationen (‚tracking stations‘) des Spektrometers nachgewiesen werden. Jede Nachweisstation besteht aus drei Schichten zum Nachweis geladener Teilchen. Ungeladene Teilchen (z.B. Photonen) werden im Kalorimeter am Ende des Detektors nachgewiesen. Die Bahnen der Zerfallsprodukte und ihre Eigenschaften können aus den Messdaten rekunstruiert  werden. Der Emulsionsdetektor (FASERν) am Anfang des Detektors weist  Wechselwirkungen von hochenergetischen Neutrinos nach. Anders als die Agenda des FASER-Hauptexperiments – neue Teilchen zu entdecken – wird FASERν die Häufigkeit von Wechselwirkungen von Neutrinos messen. Diese Teilchen sind bekannt und im Standardmodell der Teilchenphysik beschrieben, aber viele ihrer Eigenschaften sind noch nicht bekannt.
  • Claire Antel von der Universität Genf vor dem FASER-Testaufbau für kosmische Strahlung in einer oberirdischen Experimentierhalle am CERN. Sie und ihr Team nutzen die Messung der kosmischen Strahlung aus der Atmosphäre, um die Trigger- und Datenerfassungspipeline der FASER-Hard- und Softwarekomponenten zu testen. Der Aufbau besteht aus drei Tracker-Ebenen, die zwischen drei Szintillatoren (die wie glänzende Paddel aussehen) eingebettet sind – zwei auf der Oberseite und einer auf der Unterseite. Das Triggersystem initiiert das Auslesen der Daten auf den Nachführebenen, wenn die Signale aller drei Szintillatoren übereinstimmend eintreffen, was den Durchgang eines Teilchens der kosmischen Strahlung von oben anzeigt.
  • Ausgehend vom benachbarten ATLAS-Experiment treffen hochenergetische Teilchen (100 GeV bis 10 TeV) von links auf den FASER-Detektor. Vier „Veto“-Szintillatoren eliminieren die im Teilchenstrahl enthaltenen Myonen, da sie für das FASER-Experiment uninteressant sind. Wenn Teilchen anschliessend im ‚Zerfallsvolumen‘ (‚decay volume‘) zerfallen, können die Zerfallsprodukte in den drei Nachweisstationen (‚tracking stations‘) des Spektrometers nachgewiesen werden. Jede Nachweisstation besteht aus drei Schichten zum Nachweis geladener Teilchen. Ungeladene Teilchen (z.B. Photonen) werden im Kalorimeter am Ende des Detektors nachgewiesen. Die Bahnen der Zerfallsprodukte und ihre Eigenschaften können aus den Messdaten rekunstruiert werden. Der Emulsionsdetektor (FASERν) am Anfang des Detektors weist Wechselwirkungen von hochenergetischen Neutrinos nach. Anders als die Agenda des FASER-Hauptexperiments – neue Teilchen zu entdecken – wird FASERν die Häufigkeit von Wechselwirkungen von Neutrinos messen. Diese Teilchen sind bekannt und im Standardmodell der Teilchenphysik beschrieben, aber viele ihrer Eigenschaften sind noch nicht bekannt.Bild: FASER collaboration1/2
  • Claire Antel von der Universität Genf vor dem FASER-Testaufbau für kosmische Strahlung in einer oberirdischen Experimentierhalle am CERN. Sie und ihr Team nutzen die Messung der kosmischen Strahlung aus der Atmosphäre, um die Trigger- und Datenerfassungspipeline der FASER-Hard- und Softwarekomponenten zu testen. Der Aufbau besteht aus drei Tracker-Ebenen, die zwischen drei Szintillatoren (die wie glänzende Paddel aussehen) eingebettet sind – zwei auf der Oberseite und einer auf der Unterseite. Das Triggersystem initiiert das Auslesen der Daten auf den Nachführebenen, wenn die Signale aller drei Szintillatoren übereinstimmend eintreffen, was den Durchgang eines Teilchens der kosmischen Strahlung von oben anzeigt.Bild: CHIPP2/2

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  • Elementarteilchenphysik

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