NATUR &GEIST; - Johannes Gutenberg-Universität Mainz

PHYSIK
Abb.: © CERN
Abb. 2: Simulation einer Proton-
Proton-Kollision im ATLAS-Experiment
mit den Bahnen der erzeugten
geladenen Teilchen im Spurdetektor
(innerer Kreis) und den
Signalen von geladenen und neutralen
Teilchen in den Kalorimetern
(äußerer Bereich).
Abb. 3: Aufbau des ATLAS-Experiments
in der 100 Meter unter der
Erde befindlichen Experimentierkaverne
(Stand Oktober 2005).
Sichtbar ist das zentrale Magnetsystem
für Myonen mit acht supraleitenden
Spulen sowie eines der
drei Kalorimetersysteme. Der Aufbau
des Experiments ist mittlerweile
abgeschlossen und fast der gesamte
Raum der Kaverne ist mit Detektorkomponenten
gefüllt.
Die Magnete werden bei einer Temperatur von 1,9
Kelvin betrieben; dies ist geringer als die mittlere
Temperatur im Universum, die bei 2,7 Kelvin (rund
-270 Grad Celsius) liegt. In den Magneten wird während
des Betriebs eine Energie gespeichert sein, die
der Bewegungsenergie eines Airbus A380 im Reiseflug
entspricht und ausreichen würde, zwölf Tonnen
Kupfer zum Schmelzen zu bringen. Im LHC werden
alle 25 Nanosekunden Proton-Proton Kollisionen
stattfinden, also 40 Millionen Mal pro Sekunde. Bei
jeder dieser Kollisionen zweier entgegengesetzt auf
der Kreisbahn laufender Pakete werden bis zu einige
hundert Teilchen erzeugt werden (Abb. 2).
Der möglichst vollständige und präzise Nachweis
sowie die Vermessung der in den Proton-
Proton-Kollisionen entstehenden Teilchen erfordert
ein äußerst komplexes Detektorsystem, das ATLAS-
Experiment (ATLAS steht für „A Toroidal LHC
Apparatus“). An diesem Experiment sind Physiker
des Instituts für Physik seit über zehn Jahren aktiv
beteiligt. Das ATLAS-Experiment (Abb. 3 und 4) ist ein
Nachweisgerät zur genauen Vermessung insbesondere
von hochenergetischen Teilchen (wie zum Beispiel
Elektronen, Myonen und Photonen) und kann
diese über fast den gesamten Raumwinkelbereich
nachweisen. Das Experiment hat eine Länge von 46
Metern, eine Höhe von 25 Metern (entspricht fünf
Stockwerken) und ein Gewicht von 7.000 Tonnen
(rund 70 % dessen, was der Pariser Eiffelturm auf die
Waage bringt). Verschiedene, ineinander geschachtelte
Detektoren weisen zuerst geladene Teilchen
nach. Durch die Vermessung der Bahn in den Spurdetektoren
– diese befinden sich in einem Magnetfeld
– kann anhand der Krümmung der Impuls bestimmt
werden. Um die Spurdetektoren herum sind
hermetisch mehrere so genannte Kalorimetersysteme
angeordnet. Diese bestimmen die Energien von geladenen
wie neutralen Teilchen durch Totalabsorption.
Einzig Myonen sowie Neutrinos werden hierbei nicht
absorbiert. Zur Vermessung der Myonen befindet sich
außerhalb der Kalorimeter ein weiteres System an
Spurkammern und Magneten. Der gesamte Detektor
umfasst etwa 100 Millionen elektronischer Kanäle
und stellt somit eine äußerst große Art von Digitalkamera
dar, mit der Besonderheit, dass hierbei 40
Millionen Aufnahmen pro Sekunde (40 Megahertz)
gemacht werden. Die dabei entstehende Datenmenge
von etwa 1 PetaByte pro Sekunde (dies entspricht
10 15 Byte bzw. der Datenmenge von etwa
200.000 DVD’s) ist so enorm, dass sie durch ein komplexes
elektronisches System in quasi Echtzeit stark
reduziert werden muss. Dieser so genannte Trigger
entscheidet in sehr kurzer Zeit (siehe unten), ob eine
Kollision ein interessantes Ereignis erzeugt hat und
reduziert die Rate von 40 Megahertz auf wenige
Hundert Hertz. Pro Jahr wird so immer noch eine Datenmenge
von zirka 3 PetaByte auf Massenspeicher-
Foto: © CERN
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