Large Hadron Collider übertrifft die Erwartungen

  • 24. November 2017

Rekord-Luminosität bietet beste Basis für Experimente am LHC.

Der Abschluss der diesjährigen Experimente mit Protonenstrahlen am Large Hadron Collider (LHC) des CERN war noch einmal von einem Erfolg gekrönt: die im November erzielte Luminosität – also die Kenngröße des Beschleunigers, die als Maß seiner Leistungsfähigkeit gilt und zur Berechnung der Reaktionsrate dient – lag deutlich über dem für 2017 gesetztem Ziel.

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Abb.: Blick in den LHC Tunnel. (Bild: Maximilien Brice/CERN)

Dieses Ergebnis kam umso überraschender, da die Maschinenexperten zunächst ein gravierendes Hindernis überwinden mussten: ein Vakuumproblem am Beschleunigerrohr einer Magneteinheit begrenzte die Anzahl der Teilchenpakete, die im Beschleuniger kreisen konnten. Diese mussten zeitweise auf 600 herunter gefahren werden. Mehrere Teams beschäftigten sich mit der Lösung dieses Problems und ermöglichten schließlich, dass der Beschleuniger mit 2556 Teilchenpaketen betrieben werden konnte.

Gleichzeitig optimierten die Operateure im Laufe des Jahres die Betriebsparameter des Beschleunigers. Insbesondere verkleinerten sie die Teilchenstrahlen, damit diese – immer wenn sie im Zentrum des Experiments aufeinander treffen – eine höhere Anzahl von Kollisionen erzielen. Kollidierten im Vorjahr noch 40 Teilchenpakete beim Auf­ei­nander­treffen der Strahlen, so werden nun 60 Kollisionen erzielt. Pro Teilchen­paket des Strahls kreisen 100 Milliarden Teilchen im Beschleuniger. Dank dieser Ver­bes­serun­gen wurde eine Luminosität von 2,06·1034cm-2s-1 erzielt und der bestehende Luminositätsrekord damit gebrochen.

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Abb.: Integrierte Luminosität des LHC in 2017 (blaue Linien: geplante Werte, grüne Quadrate: erzielte Werte). 2011 lag die in inversen Femtobarn gemessene Größe noch bei 5 fb-1. (Bild: CERN)

Mit diesem Erfolg im Rücken wird der LHC für weitere zwei Wochen mit Protonen betrieben. Im ersten Durchlauf werden Protonenkollisionen mit deutlich erhöhter Energie – 5,02 TeV im Vergleich zu den sonst üblichen 13 TeV – provoziert. Auf die gleiche Energie sollen im nächsten Jahr Bleiionen gebracht werden. Physiker können dann die mit Protonen und Bleiionen gesammelten Daten vergleichen.

Darüber hinaus werden ein einem zweiten Spezialdurchlauf noch Daten für zwei weitere Experimente erzeugt. Diese nutzen die zu beiden Seiten der LHC-Detektoren aufgestellten Detektoren – CMS für das TOTEM- und ATLAS für das ATLAS/ALFA-Experiment – und untersuchen die elastische Protonenstreuung, bei der die Teilchen lediglich einer Energie- und Richtungsänderung als einer tatsächlichen Kollision mit Erzeugung neuer Anregungsstände ausgesetzt sind. Dazu wird der Teilchenstrahlen so breit wie möglich gemacht und mit einer auf 450 GeV begrenzten Energie in den LHC eingeschossen.

Nach Abschluss der für dieses Jahr geplanten Experimente werden die Operateure dann noch einmal Betriebstests zur Verbesserung der Beschleunigerleistung, die nie zu gut sein kann, durchführen. Damit bereiten sie den „High Luminosity LHC“ vor, der 2025 auf den LHC folgen soll. Anschließend wird der Beschleuniger dann zwecks Wartung in den „Winterschlaf“ geschickt.

CERN / LK

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