• 26.05.2017
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LHC liefert wieder Daten

Upgrade des Pixeldetektors im CMS-Experiment

Prof. Florencia Canelli (Universität Zürich) vort dem CMS-Detektor am CERN. Foto: B. Vogel
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Prof. Florencia Canelli (Universität Zürich) vort dem CMS-Detektor am CERN. Foto: B. Vogel
Prof. Florencia Canelli (Universität Zürich) vort dem CMS-Detektor am CERN. Foto: B. Vogel

Nach einem halben Jahr Betriebspause geht der Large Hadron Collider am CERN im Juni wieder in Betrieb. In den letzten Monaten wurden intensive Wartungsarbeiten am Teilchenbeschleuniger durchgeführt. Die Physikergemeinde hofft auf neue Erkenntnisse, welche das Wissen über die Bausteine unserer Welt vervollständigen.

Von Frühling 2010 bis Ende 2012 war der LHC in Betrieb, und dann nach einer Wartungspause wieder von Frühjahr 2015 bis Ende 2016. Das spektakulärste Resultat der LHC-Forscher war die Entdeckung des Higgs-Bosons im Juli 2012. Seither wartet die Öffentlichkeit auf neue, spektakuläre Resultate. Doch wissenschaftliche Erkenntnisse erfordern Geduld, gerade in der Teilchenphysik, die in unvorstellbar kleinen Dimensionen forscht und einen riesigen Aufwand betreiben muss, um die Grenzen der Unwissenheit zurückzudrängen.

Drei Schweizer Partner

Welche Anstrengungen die Experimente der Teilchenphysiker erfordern, macht der neue Pixeldetektor des CMS-Experiments deutlich. CMS – kurz für: Compact Muon Solenoid – ist eines der vier grossen Experimente am CERN-Teilchenbeschleuniger LHC. Der Pixeldetektor – eine zentrale Komponente des CMS-Experiments – war seit dem Start des LHC in Betrieb und wurde im Frühjahr 2017 durch einen neuen leistungsfähigeren Nachfolger ersetzt.

Der Pixeldetektor wurde wesentlich von Schweizer Physikerinnen und Physikern konzipiert und gebaut, die der ETH Zürich (Gruppe um Prof. Rainer Wallny), dem Paul Scherrer Institut (Gruppe um Prof. Roland Horisberger) und der Universität Zürich (Gruppe um Prof. Florencia Canelli und Prof. Ben Kilminster) angehören. Das Upgrade des Pixeldetektors – von Konzeption über Bau und Installation – hat sich über sieben Jahre erstreckt, rund 40 Studenten, Forscher und Professoren beschäftigt und von Schweizer Seite eine Investition von vier Millionen Franken erfordert – ein wissenschaftlerischer, technischer und organisatorischer Kraftakt.

„Ich bin 2012 als Physikprofessorin an die Universität Zürich gekommen, als das Design des neuen Pixeldetektor bereits feststand“, berichtet Florencia Canelli, eine in Argentinien geborene Teilchenphysikerin, die in Chicago forschte und lehrte, bevor sie an die Universität Zürich wechselte. „Für mich war der Pixeldetektor damals neu, doch ich hatte die Unterstützung der Leute, die über das spezialisierte Knowhow verfügten.“

Kamera mit 120 Millionen Pixel

Der neue Detektor besteht aus über 1800 Silizium-Sensoren mit insgesamt 120 Millionen Pixeln, jedes nur ein Zehntelmillimeter gross. Die Sensoren sind im Detektor in vier übereinander liegenden Schichten angeordnet. Wird ein Pixel von einem Elementarteilchen durchquert, erzeugt dies einen elektrischen Impuls. Aus den Signalen können die Physiker Flugbahn und anschliessend den Impuls der Elementarteilchen bestimmen, die bei einer Proton-Proton-Kollision entstehen.

ETH und Paul Scherrer Institut (PSI) bauten – unter anderem – die inneren beiden Schichten aus Sensormodulen (Schicht 3 wurde in Italien und am CERN gebaut, Schicht 4 in Deutschland). Die Sensormodule halten eine höhere Trefferrate aus, und die zusätzliche vierte Schicht erhöht die Präzision und schafft Redundanz.

Die Universität Zürich übernahm die herausfordernde Aufgabe der Entwicklung und Fertigung des komplexen Systems zur Steuerung und Auslese des Detektors, der Stromversorgung und der Kühlung der elektronischen Komponenten. „Im Unterschied zum ersten Pixeldetektor haben wir die Mechanik leichter gebaut und die Ausleseelektronik weiter weg vom Detektor platziert. Damit konnten wir die Auflösung des Detektors weiter verbessern“, sagt Florencia Canelli.

Die Schichten von Sensormodulen und die Ausleseelektronik wurden 2016/17 am PSI zusammengebaut und getestet, bevor der Pixeldetektor Ende Januar ans CERN transportiert wurde.

Schier unheimliche Präzision

So ist ein Gerät von schier unglaublicher Präzision entstanden, wie Günther Dissertori, Physikprofessor an der ETH Zürich und stellvertretender Sprecher des CMS-Experiments, zu verstehen gibt: „Die Protonen prallen im LHC fast mit Lichtgeschwindigkeit aufeinander. Die Elementarteilchen, die dabei entstehen, haben teilweise eine Lebenszeit von nur ca. einer Picosekunde (Billionstelsekunde), bevor sie in andere Teilchen zerfallen. Das heisst, wenn es sich nur Millimeter vom Punkt der Proton-Proton-Kollision entfernt hat, ist es schon wieder zerfallen. Der Pixeldetektor ist so genau, dass er selbst solche Vorgänge adäquat beobachten kann.“

Der neue Pixeldetektor soll im LHC nun während mindestens den nächsten fünf Jahren gute Dienste leisten. Wenn es den beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern gelingt, die Welt der Elementarteilchen in den nächsten Jahren noch besser zu verstehen, wird der Pixeldetektor dazu einen wichtigen Beitrag geleistet haben.

Bereicherung für die Studenten

So wichtig der Pixeldetektor für die Forschung, so bedeutend ist er für die akademische Tätigkeit an der Universität. „Die Studenten sind begeistert, wenn sie am Bau eines solchen Detektors mitarbeiten können. Diese Arbeit ist neu und die Studenten lernen praktische Dinge“, sagt Florencia Canelli. Und dann ergänzt die Teilchenphysikerin der Universität Zürich: „Es gibt nur wenige akademische Einrichtungen, die die Gelegenheit haben, Forschungsgeräte dieses Kalibers zu bauen. Das war eine einmalige Gelegenheit – bis der nächste Detektor ansteht, dürften einige Jahre ins Land ziehen.“

Autor: Benedikt Vogel

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