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Large Hadron Collider

Der Large Hadron Collider (LHC, zu deutsch Großer Hadronen-Speicherring ) ist ein Teilchenbeschleuniger für Hadronen, der zurzeit am Europäischen Kernforschungszentrum CERN bei Genf gebaut wird. Im LHC werden im Vakuum Protonen und Bleiatomkerne mit nahezu Lichtgeschwindigkeit zur Kollision gebracht, um Elementarteilchen zu erzeugen. Dabei hofft man auf die Entstehung besonders massereicher Elementarteilchen, insbesondere des zwar vorhergesagten, bislang jedoch noch nicht nachgewiesenen Higgs-Bosons. Die Kosten des LHC werden sich auf über drei Milliarden Euro belaufen.

Der LHC wird der leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger der Welt sein und – so hoffen Physiker – ein neues Tor der Physik öffnen.

Am 5. April 2007 erreichte der Sektor 7-8 des LHC seine vorgesehene Betriebstemperatur von −271 Grad Celsius, das ist rund ein Grad kälter als die Durchschnittstemperatur im Weltall. Das drei Kilometer lange Teilstück hielt der Belastung stand, die Röhre schrumpfte beim Abkühlen um nahezu 10 Meter.[1] Das komplette Abkühlen des Beschleunigers soll bis Mitte Juni 2008 erfolgen, bereits kurz danach soll die erste Teilchenbeschleunigung erfolgen. Mit den ersten Kollisionsexperimenten rechnet man zwei Monate später.[2]

Inhaltsverzeichnis

Aufbau

Der LHC ist ein Ringbeschleuniger und ist in einem bereits durch vorhergehende Experimente bestehenden Tunnel installiert. Dieser Tunnel mit 27 km Umfang beherbergte bis zu seiner Stilllegung im Jahr 2000 den Large Electron-Positron Collider (LEP).

Während im LEP Elektronen und Antielektronen (Positronen) zur Kollision gebracht wurden, werden am LHC je nach Betriebsmodus entweder Protonen oder Bleiionen beschleunigt und zur Kollision gebracht. Da Protonen bzw. Bleiionen eine viel größere Masse als Elektronen haben, können sie eine weitaus größere Schwerpunktsenergie erreichen, es werden 14 TeV (Protonmodus) und 1146 TeV (Bleikerne) angestrebt. Die erreichbare Energie wird im Wesentlichen durch die Stärke des verwendeten Magnetfeldes begrenzt. Die am LHC verwendeten supraleitenden Strukturen zur Strahlführung und Beschleunigung helfen, die durch die größere Strahlenergie entstehenden technischen Probleme zur Erzeugung hoher Magnetfelder zu bewältigen. Für den Protonmodus ist eine Luminosität im Bereich 1034 cm − 2s − 1 vorgesehen. Neben der gegenüber älteren Experimenten höheren Schwerpunktsenergie, die die Erforschung neuer Energiebereiche ermöglicht, ist auch die hohe Luminosität, die prinzipiell eine bessere Statistik in kürzerer Zeit ermöglicht, ein herausragendes Merkmal des LHC.

Entlang der Ringstrecke sind Kammern verteilt, in denen die Teilchen zur Kollision gebracht werden. In diesen Kammern sind die Teilchendetektoren ALICE, ATLAS, CMS, LHCb, LHCf und TOTEM untergebracht, an denen die teilchenphysikalischen Messungen durchgeführt werden. Die im Diagramm nicht eingezeichneten Detektoren LHCf und TOTEM befinden sich in den Kammern der vergleichsweise großen Experimente ATLAS bzw. CMS.

Die Verwendung von Protonen in den Kollisionen ist für die angeschlossenen Experimente eine Herausforderung, da die aufgezeichneten Wechselwirkungen durch die innere Struktur (aus Quarks und Gluonen) der hadronischen Protonen vielfältiger sind. Insbesondere sind Präzisionsmessungen an Hadronbeschleunigern schwierig. Für Präzisionsmessungen an möglicherweise am LHC entdeckten neuen Teilchen ist bereits ein Nachfolgeexperiment, der Leptonenbeschleuniger International Linear Collider (ILC) geplant.

Physik am LHC

ATLAS und CMS sind so genannte Mehrzweck-Experimente, deren Ziel es ist, die Existenz bislang nicht entdeckter Elementarteilchen nachzuweisen. Am meisten erwartet wird dabei der experimentelle Nachweis des Higgs-Bosons, des einzigen noch nicht nachgewiesenen Teilchens des Standardmodells. Darüber hinaus existiert die Hoffnung, Hinweise auf mögliche Erweiterungen des Standardmodells zu finden, beispielsweise durch Nachweis supersymmetrischer Teilchen oder bislang unbekannter Raumdimensionen durch verstärkte Wechselwirkung mit Gravitonen[3] oder durch die Erzeugung kurzlebiger schwarzer Löcher.[4]

Beim LHCb-Experiment werden Bottom-Quarks enthaltende Hadronen untersucht, um Elemente der CKM-Matrix genauer zu bestimmen (B-Physik).

Der im Vergleich zu Protonkollisionen seltener angewandte Betriebsmodus der Kollision von Bleikernen soll dazu dienen, kurzzeitig ein sehr hochenergetisches Plasma quasifreier Quarks und Gluonen zu erzeugen (Quark-Gluon-Plasma). Am Detektor ALICE sollen so experimentelle Tests der Bedingungen zu sehr frühen Phasen des Universums durchgeführt werden.

Wissenswertes

Videos

 Commons: Large Hadron Collider – Bilder, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

  1. Cern Bulletin No.16/2007, Montag 16. April 2007, "The height of cool" (Englisch)
  2. The CERN Bulletin
  3. Siehe beispielsweise: Hagiwara et.al.: Graviton production with 2 jets at the LHC in large extra dimensions, hep-ph/
  4. Harris et.al.: Exploring Higher Dimensional Black Holes at the Large Hadron Collider, hep-ph/0411022
  5. Savas Dimopoulos, Greg Landsberg: Black Holes at the LHC, Phys. Rev. Lett. 87:161602, 2001 (englisch)
  6. Adrian Kent: A critical look at risk assessments for global catastrophes, Risk Anal. 24, 2004, S. 157–168 (englisch)
  7. Dennis Overbye: Asking a Judge to Save the World, and Maybe a Whole Lot More, The New York Times, 29. März 2008 (englisch)
  8. Felix Knoke: Angst vor Weltuntergang – Amerikaner klagt gegen Teilchenbeschleuniger, Spiegel Online, 31. März 2008
  9. Jean-Paul Blaizot, John Iliopoulos, Jes Madsen, Graham G. Ross, Peter Sonderegger, Hans-Joachim Specht: Study of potentially dangerous events during heavy-ion collisions at the LHC, CERN Scientific Information Service, Genf 2003
  10. Arnon Dar, Alvaro De Rújula, Ulrich Heinz: Will relativistic heavy-ion colliders destroy our planet?, Phys. Lett. B470, 1999, S. 142–148 (englisch)
  11. W. Busza, Robert L. Jaffe, J. Sandweiss, Frank Wilczek: Review of speculative "disaster scenarios" at RHIC, Rev. Mod. Phys. 72, 2000, S. 1125–1140 (englisch)
  12. Safety at the LHC, CERN 2007 (englisch)