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LHC-Neustart nach Umbaupause: eine neue Ära beginnt

Neue Präzisionstechnologie made in Switzerland soll die Geheimnisse des Universums entschlüsseln

Nach drei Jahren planmässiger Umbaupause läuft der Large Hadron Collider LHC am CERN jetzt wieder auf bei voller Leistung. Er beschleunigt Teilchenstrahlen auf Rekordenergien und produziert seit dem 5. Juli 2022 wieder Kollisionen für physikalische Analysen. Institute aus der ganzen Schweiz haben zum Ausbau des riesigen Teilchenphysikkomplexes beigetragen, und die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sind gespannt auf die neuen Daten, die jetzt beginnen einzutrudeln.

SciFi Tracker inside LHCb detector
Bild: Brice, Maximilien CERN

"Kollisionen! Wir haben Kollisionen!" Wissenschaftler:innen und Ingenieur:innen in den Kontrollräumen des CERN und vor ihren Computerbildschirmen auf der ganzen Welt waren überglücklich, als der LHC diese Woche zum ersten Mal seit drei Jahren " stable beams for collisions“ vermeldete, also stabile Teilchenstrahlen für Kollisionen. Der 27 Kilometer lange Teilchenbeschleuniger war für Wartungs- und Aufrüstungsarbeiten abgeschaltet worden, und die Arbeitsgruppen, die die vier Detektoren am Beschleunigerring betreiben, nutzten die Zeit, um ihre gigantischen Teilchenkameras, die alle Kollisionen aufzeichnen, ebenfalls auf Vordermann zu bringen.

Um Ostern herum wurden die ersten Teilchenpakete mit niedriger Intensität in den LHC-Beschleuniger eingespeist, und nach gründlichen Tests und vorsichtigem Hochfahren der Strahlenergie und der Teilchenzahl waren sich die Maschinenbediener sicher, den an die Hightech-Detektoren am 5. Juli die ersten Kollisionen liefern zu können. Dies ist der offizielle Start von „Run 3“ des LHC - eine auf vier Jahre geplante Laufzeit, von der sich die Forschenden erhoffen, mehr Details über das Higgs-Boson und die Zusammenhänge innerhalb oder jenseits des Standardmodells für Teilchenphysik zu erfahren.

Was ist neu an der Maschine und den Detektoren? Ein Überblick...

Wenn ein Hightech-Gerät monatelang und rund um die Uhr in Betrieb ist, ermüden viele Materialien. Dieser erwartete Verschleiss wurde während der Betriebspause in Angriff genommen, zusammen mit einigen Neuerungen am Beschleunigerkomplex, um ihn effizienter zu machen und noch mehr Kollisionen bei etwas höheren Energien zu ermöglichen. Die Vorbeschleuniger des LHC haben neue Magnete erhalten, ihre Beschleunigungssysteme wurden aufgerüstet und neue Beam dumps eingebaut. Ein neuer Linearbeschleuniger bildet jetzt den Anfang des Beschleunigungskomplexes, und gemeinsam mit den umfangreichen allgemeinen Wartungsarbeiten sind die Beschleuniger jetzt bereit für ihre nächste Laufzeit.

Der LHC selbst ist jetzt leistungsfähiger und zuverlässiger, weil die elektrische Isolierung der Dioden, die die 1200 supraleitenden Magnete verbinden, verbessert wurde. Es gibt einige neue Magnete, bessere Stromversorgungsgeräte für das Kühlsystem und neue Instrumente zur Überwachung und Verbesserung der Strahlqualität. Dank all dieser Änderungen werden die Experimente in dieser jetzt beginnenden Laufzeit mehr Kollisionsdaten sammeln als in der gesamten Laufzeit bisher.

LHCb: bereit für die Datenflut nach einer Generalüberholung

Unter den vier grossen Experimenten am LHC ist der LHCb-Detektor derjenige, der am radikalsten umgebaut wurde. LHCb sucht nach Hinweisen auf winzige Unterschiede zwischen Teilchen und Antiteilchen, insbesondere solchen, die ein b- oder c-Quark enthalten. Denn sie könnten die Frage beantworten, warum die Welt nur aus Materie besteht, obwohl Materie und Antimaterie beim Urknall in gleichen Mengen entstanden sein müssen. Feine Unterschiede im Verhalten oder in den Eigenschaften von Materie- und Antimaterieteilchen könnten die Ursache dafür sein. Um möglichst effizient alles aufspüren zu können , hat der Detektor einen ganz besonderen Aufbau.

LHCb ist nicht wie die anderen Detektoren wie eine Zwiebel in konzentrische Lagen um den Kollisionspunkt aufgebaut. Stattdessen ist er in vertikalen Scheiben angeordnet. Der erste Subdetektor sitzt ganz in der Nähe des Kollisionspunktes, die anderen folgen nacheinander auf einer Länge von 20 Metern. Diese Anordnung fängt vor allem "vorwärtsgerichtete" Teilchen auf, also Teilchen, die bei Kollisionen entstehen und in einem kleinen Winkel zum Strahl in Richtung des Detektors emittiert werden.

Sci-Fi - Science-Fiction? Richtig, und „scintillating fibres“

Weil der LHC in Zukunft mehr Kollisionen liefern wird, hat die LHCb-Kollaboration ihre Strategie zur Datennahme komplett geändert und einige ihrer Schlüsselkomponenten ersetzen. Eine dieser neuen Komponenten ist der Scintillating Fibre (SciFi) Tracker, ein komplexes Detektorsystem, das aus zwölf Detektionsebenen mit insgesamt 11 000 Kilometern szintillierender Fasern und etwa 340 m2 aktiver Detektionsfläche besteht. Er sitzt acht Meter vom Wechselwirkungspunkt entfernt hinter dem Magneten und zeichnet Signale von geladenen Teilchen auf, deren Flugbahn durch den Magneten gekrümmt wurde. Der bisherige Tracker mit Siliziumstreifendetektoren im inneren Bereich und Gasdetektoren im äusseren Bereich war der erwarteten höheren Teilchenrate nicht gewachsen. "Das war eine der Herausforderungen", erzählt Oliver Schneider von der EPFL in Lausanne. "Es wäre zu teuer gewesen, für so eine grosse Fläche Gasdetektoren durch Siliziumstreifendetektoren zu ersetzen, also brauchten wir eine andere Technologie, die mit grossen Teilchenraten zurechtkommt und hoher Strahlung aushält, und das zu erschwinglichen Kosten. Die gab es nicht, also mussten wir unsere eigene erfinden und bauen."

Die Lösung des Problems: Man nehme eine Standard-Lichtleitfaser aus Kunststoff, füge einen Szintillator hinzu, wickle sie auf einem grossen Rad in dichten Lagen auf eine Breite von 15 Zentimetern und eine Länge von 2,5 Metern, verbinde alle Schichten mit Klebstoff und wiederhole den Vorgang, bis die Fasern eine 1,5 Millimeter dicke Matte bilden. Das Ergebnis ist eine Matte aus szintillierenden Fasern, die dann zu Modulen zusammengesetzt und mit Silizium-Photomultipliern (SiPMs) verbunden wird. Für den SciFi-Tracker wurden insgesamt 1500 Matten benötigt, von denen 500 in Lausanne hergestellt wurden. "Das ist ein komplexer Herstellungsprozess, für den wir Produktionsstätten in drei Labors in Europa aufbauen mussten. Die Produktion dauerte mehr als zwei Jahre", sagt Fred Blanc, ebenfalls von der EPFL.

Das Ergebnis ist ein Detektor mit seinem eigenen Datenerfassungssystem. Er besteht nur aus Fasern, ohne "totes" Material oder Elektronik, die interessante Spuren der Kollisionen stören oder absorbieren könnten. "Das macht ihn sehr elegant. Er ist sehr gleichförmig und hat wenig Masse", sagt Olivier Schneider. Die SiPM-Sensoren wurden auch deshalb bis an ihre Grenzen gebracht, weil sie noch nie in einer Umgebung mit hoher Strahlung eingesetzt wurden. "Wir haben festgestellt, dass sie ihre vorgesehene Lebensdauer erreichen würden, wenn man sie auf minus 40 Grad herunterkühlt und entsprechend trainiert", erklärt Guido Haefeli von der EPFL. "Alle SiPMs für das SciFi kommen von der EPFL, so dass unsere Studierenden in den letzten Jahren viel Praxis in Detektortechnologie bekommen haben. Jetzt sind wir alle gespannt, ob es so funktioniert und altert, wie wir es erwarten."

Auch andere Teile des LHCb wurden mit neuer Siliziumtechnologie ausgestattet, zum Beispiel der kleinere Tracker vor dem Magneten, an dem die Universität Zürich beteiligt ist. Noch näher am Kollisionspunkt wurde der "Vertex Locator" oder VELO mit Silizium-Pixeldetektoren umgebaut. Dieses Gerät sitzt am nächsten an den Protonenstrahlen – dazwischen liegen nur 5 Millimeter! Er muss so dicht dran sein, um extrem kurzlebige Teilchen zu erfassen, nämlich die, die b- oder c-Quarks enthalten, und die Punkte, an denen sie in andere Teilchen zerfallen.

Der LHCb-Detektor so komplett modernisiert, um die Effizienz der Datenerfassung deutlich zu steigern. Dafür hat die Kollaboration ihre Datenerfassungsstrategie radikal geändert, indem sie die erste Stufe des Triggersystems abgeschafft haben. Der Trigger ist eine Art Torwächter, der nur potenziell interessante Kollisionen in das Datenerfassungssystem von Detektoren einlässt, wodurch viele Daten verloren gingen. Jetzt gibt es diesen Trigger nicht mehr und LHCb kann alle Kanäle für jedes Kollisionsereignis auslesen, also alle 25 Nanosekunden. Zu diesem Zweck wurde die Ausleseelektronik der meisten Subdetektoren geändert. Nach all diesen Änderungen können es die Physikerinnen und Physiker kaum erwarten, die neuen Run-3-Kollisionsdaten in die Hände zu bekommen. "Mit der gesteigerten Effizienz können wir eine viel grössere Stichprobe von Teilchen mit b- und c-Quarks aufzeichnen und die Präzision unserer Messungen verbessern", sagt Blanc. "Die gesamte Kollaboration freut sich darauf, loszulegen."

CMS: Mehr Leistung für das Herz des Detektors

Lea Caminada ist Teilchenphysikerin durch und durch, aber manchmal wird sie zur Herzchirurgin - für das Herz des CMS-Detektors, wenn der Beschleuniger stillsteht. CMS brauchte eine neue, innerste Schicht für seinen innersten Subdetektor, den Pixeldetektor, und Caminada, die am PSI und an der Universität Zürich arbeitet, ist Projektleiterin für dieses Grossprojekt. Das Hauptziel des Pixeldetektors besteht darin, die Spuren der geladenen Teilchen, die aus den Kollisionen herausfliegen, und die Orte, von denen sie stammen, genau zu messen. Mit diesen Informationen können sich die Wissenschaftler:innen ein vollständiges Bild von allen Wechselwirkungen während einer Kollision machen. Der Pixeldetektor stellt sich dieser Aufgabe nach dem Umbau während des Shutdowns noch effizienter.

Der Pixeldetektor ist durch seine Position in unmittelbarer Nähe des Strahlrohrs einer grossen Menge schädlicher Strahlung ausgesetzt und braucht mehr Aufmerksamkeit als viele andere Komponenten. Er wurde bei einem früheren Shutdown komplett ausgetauscht undin den letzten Monaten mit einer neuen innersten Lage aus Silizium-Detektormodulen ausgestattet, die am PSI gebaut wurden. Diese Lage besteht aus etwa hundert Modulen mit jeweils 66 000 Pixeln, die ihren Teil zu den insgesamt 120 Millionen Pixeln des Pixeldetektors beitragen. Der komplette Subdetektor wurde aus CMS ausgebaut und gelagert, bis die neue Lage 2021 eingebaut werden konnte. "Es hat mehr als zwei Jahre gedauert, einschliesslich einiger pandemiebedingter Verzögerungen", sagt Caminada. "Wir haben die Ausleseelektronik vergessert, alle Module bei der Betriebstemperatur von minus 20 Grad und bei Raumtemperatur getestet und kalibriert, sie montiert und alles verkabelt. Jetzt haben wir einen Detektor, der sehr viel besser in der Lage ist, mit den vielen Kollisionen klarzukommen, die der LHC liefert."

Die neue Lage wurde im Sommer 2021 installiert. Seitdem hat das Team die Funktionalität des Detektors getestet, alle Kanäle kalibriert und den Detektor mit kosmischer Strahlung betrieben. Und es sieht sehr gut aus. Caminada sagt: "Wir arbeiten mit einer Effizienz von fast 100 % und sind bereit für Daten – die nächsten Jahre versprechen sehr spannend zu werden!"

ATLAS: mit neuen "kleinen Rädern" im Rennen

Auch für den gigantischen ATLAS-Detektor gab es Änderungen während der Betriebspause. Die grösste waren zwei „new small wheels“ („neue "kleine" Räder“) - mit einem Durchmesser von 10 Metern und einem Gewicht von je 100 Tonnen eigentlich alles andere als klein. Sie werden das ATLAS-Triggersystem für interessante Kollisionen verbessern und sind in der Lage, die höheren Myonenraten zu bewältigen, die vom Hochluminositäts-LHC erwartet werden, der nach der nächsten Betriebspause in etwa vier Jahren in Betrieb gehen wird.

Schweizer Institute (in diesem Fall die Universität Genf) waren zwar nicht an der Konstruktion dieser „kleinen“ Räder beteiligt, trugen aber zum oben erwähnten Erstauswahlsystem oder Trigger bei. Die Universität Bern hat an einem neuen Silizium-Tracker gearbeitet, der ebenfalls bereits eine Vorbereitungsmassnahme für den LHC mit hoher Leuchtkraft ist. "Wir müssen in Zukunft mit einer viel höheren Datenrate zurechtkommen, deshalb ist eine hocheffiziente optische Auslese für die Siliziumtechnologie absolut entscheidend", sagt Hans Peter Beck von der Universität Bern. Der Vorteil in Bern: Die Forschenden können im hauseigenen Zyklotron viele Tests durchführen, zum Beispiel die Strahlungshärte von Kabeln, die in den Tracker eingeführt werden sollen.

Noch sind Beck und seine Kollegen aus aller Welt damit beschäftigt, die Daten der letzten Laufzeit auszuwerten - rund 500 Analysen sind noch in Arbeit, schätzt er. Dennoch ist er sehr gespannt auf das, was der LHC in Lauf 3 zu bieten hat. Seiner Meinung nach könnte die leichte Energieerhöhung entscheidend sein, und bis Ende 2025 werde der LHC doppelt so viele Daten produziert haben wie bei allen Vorläufen zusammen. "Neue Erkenntnisse über das Higgs oder Hinweise auf Supersymmetrie, dunkle Materie oder Leptoquarks könnten in den nun erreichbaren Energie- und Intensitätsregionen lauern. Es gibt viel Stoff für unsere Studien - und auch viel zum Nachdenken!"

Author: Barbara Warmbein

ATLAS New Small Wheel's (NSW) removal of supporting frame
ATLAS New Small Wheel's (NSW) removal of supporting frameBild: Anthony, Katarina ATLAS, CERN
Start of the installation of the SciFi detector inside the LHCb cavern
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Kontakt

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c/o Prof. Dr. Michele Weber
Universität Bern
Laboratory for High Energy Physics LHEP
Sidlerstrasse 5
3012 Bern