Schwerpunkt

Technische Meisterwerke

In internationalen Kollaborationen entwickelt und aufgebaut, zeichnen die Detektoren die komplexen Reaktionen auf.

  • Stephanie Hansmann-Menzemer, Christian Lippmann, Thomas Müller und Norbert Wermes
  • 04 / 2012 Seite: 37

Auf den ersten Blick scheinen sich die Detektoren des Large Hadron Collider weitgehend zu ähneln: Wie Zwiebelschalen sind ATLAS, CMS, LHCb und ALICE um den Punkt herum aufgebaut, an dem die Teilchen ­kollidieren, und überdecken somit einen möglichst gro­ßen Teil des Raumwinkels. Welche Nachweis­konzepte stehen hinter diesen riesigen Detektoren? Worin unterscheiden sich ihre Ansätze, um den unterschiedlichen physikalischen Fragen, die sie beantworten sollen, gerecht zu werden?

Bei der Konzeption von Detektoren für einen ­Energiebereich, in dem „neue Physik“ erwartet wird, müssen sich die Teilchenphysiker zwangsläufig auf Phänomene fokussieren, die zwar bisher unbekannt, innerhalb des Gebäudes der Teilchenphysik aber „denkbar“ sind. Die Herausforderung besteht darin, charakteristische Merkmale dieser Phänomene (die „Signaturen“) in den Produkten einer Teilchenkollision nachzuweisen, also im sichtbaren Ereignis im Detektor.

Die beiden Großexperimente ATLAS und CMS (siehe Überblick auf S. 28) wurden insbesondere darauf optimiert, in Ereignissen von Proton-Proton-Kollisionen höchster Energie Signaturen von Higgs-Bosonen oder supersymmetrischen Teilchen zu finden. Der Erzeugungsquerschnitt für Higgs-Bosonen wird zum Beispiel je nach dessen Masse zwischen 10 fb und 50 pb erwartet (1 b = 1 barn = ­10–24 cm2). Dies ist 13 bis 9 Größenordnungen kleiner als der totale Wirkungsquerschnitt für inelastische Proton-Proton-Reaktionen bei 14 TeV von etwa 80 mb. Um trotzdem genügend Higgs-Ereignisse zu erzeugen, wurde die Luminosität des LHC so hoch wie möglich getrieben (siehe Artikel auf S. 33). Als Konsequenz kommt es jedes Mal, wenn sich die Protonenpakete alle 25 ns kreuzen, im Mittel zu 25 inelastischen Proton-Proton-Kollisionen, die zusammen pro Sekunde etwa 1011 nachzuweisende Teilchen erzeugen. Das ergibt eine Datenmenge von 50 000 Gigabyte pro Sekunde. Eine elektronische Aufzeichnung und Zwischenpufferung der rund 150 Millionen Auslesekanäle und ein ausgeklügeltes elektronisches Auswahlsystem (Trigger) ermöglichen es jedoch, die Datenmenge bereits vor der Speicherung um vier Größenordnungen zu reduzieren und dabei einen möglichst großen Teil der interessanten Ereignisse zu behalten. Dies bedeutet immer noch eine jährliche Datenmenge von einigen Millionen Gigabyte, die über das weltweite LHC-Computing-GRID [1] verteilt, verwaltet und analysiert wird. ...

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