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Herzoperation am CERN
CMS-Experiment am CERN mit neuem Pixel-Detektor
Während der aktuellen Betriebspause des CERN-Teilchenbeschleunigers LHC wurde Anfang März eine Schlüsselkomponente des CMS-Experiments ersetzt: Der neue Pixeldetektor ist noch leistungsfähiger als sein Vorgänger und lässt auf neue Erkenntnisse aus der Elementarteilchenphysik hoffen.
Herzoperationen werden üblicherweise in Spitälern an herzschwachen Patienten durchgeführt. Die Herzoperation, die Anfang März in der Nähe von Genf erfolgte, fand nicht in einem Spital statt und lief ganz ohne Patient ab. Trotzdem ist es sehr treffend, den jüngsten Eingriff am Large Hadron Collider (LHC), dem grossen Teilchenbeschleuniger des CERN, als 'Herzoperation' zu bezeichnen. Denn die Komponente, die in diesen frühen Märztagen ausgewechselt wurde, befindet sich nicht nur an zentraler Stelle, sie ist für die physikalische Forschung am LHC auch unabdingbar.
100 m unter der Erde
Um dies genauer zu verstehen, muss man am Genfer Flughafen in ein Taxi steigen, die schweizerisch-französische Grenze überqueren und ins 15 Autominuten entfernte französische Dorf Cessy fahren. Dort steht auf der grünen Wiese ein Gebäude, das man beim ersten Augenschein für eine Fabrik hält. Doch hier wird nichts hergestellt, sondern geforscht: Das Gebäude beherbergt das CMS-Experiment, eines der raffiniertesten physikalischen Experimente der Menschheitsgeschichte. Das CMS-Experiment (CMS steht kurz für: Compact Muon Solenoid) befindet sich 100 m unter der Erdoberfläche in einer riesigen Halle. Hier steht ein mehrere Tausend Tonnen schwerer Koloss von den Ausmassen eines Mehrfamilienhauses, vollbepackt mit Kabeln, Elektronik und einem riesigen Magneten: der CMS-Detektor. Dieses Forschungsgerät ist in der Lage, Elementarteilchen zu erkennen, die aus dem Zusammenprall von zwei Protonen entstehen, die zuvor im 27 km langen, kreisförmigen Tunnel des LHC auf seine sehr hohe Energie beschleunigt worden waren.
Die Bezeichnung 'CMS-Detektor' ist stark vereinfachend. Denn genau betrachtet besteht dieses Gerät aus fünf Detektoren, von denen jeder gewisse Arten von Elementarteilchen besonders gut aufspüren kann. Der innerste dieser fünf Detektoren ist der Pixeldetektor. Der Pixeldetektor ist zylinderförmig – fünf Meter lang und 40 cm im Durchmesser. Der Detektor reicht wenige Zentimeter an die Stelle heran, wo die Protonen kollidieren. So ist es der Pixeldetektor, der die bei dieser Kollision entstehenden Elementarteilchen als erstes registriert. Der Pixeldetektor, quasi das Herz des CMS-Detektors, wurde Anfang März ausgewechselt. Der Grund: Der alte Pixeldetektor, seit 2010 im Einsatz, sollte durch eine verbesserte Variante ersetzt werden, um der wachsenden Zahl der im LHC herbeigeführten Teilchenkollisionen gerecht zu werden.
Üben am Dummy
Der neue Pixeldetektor war während sieben Jahren von Physikern der ETH Zürich, der Universität Zürich und des Paul Scherrer Instituts sowie von weiteren Kollegen in Deutschland, Italien und Taiwan und des CERN entworfen und gebaut worden. An zwei Märztagen wurden Bestandteile des neuen Detektors mit einem gelben Kran in die unterirdische Halle abgesenkt und dann auf Schienen in den CMS-Detektor geschoben, an die Stelle, wo der alte Pixeldetektor in den Wochen zuvor ausgebaut worden war, um seinem Nachfolger Platz zu machen. Mithilfe von Kameras wurde der neue Pixeldetektor im Bauch des CMS-Detektors exakt positioniert.
Am Einbau des Pixeldetektors waren ein halbes Dutzend Physikerinnen und Physiker von der ETH Zürich, Universität Zürich und dem Paul Scherrer Institut beteiligt. Zum Team gehört der am Paul Scherrer Institut (PSI) tätige Prof. Roland Horisberger, der den ersten wie den zweiten Pixeldetektor massgeblich konzipiert hat und gern als 'Vater des Pixeldetektors' bezeichnet wird. Mit dabei beim Einbau des neuen Detektors war auch Dr. Lea Caminada (Universität Zürich/PSI). „Wir haben den Einbau des Pixeldetektors in den vorangehenden Tagen fünf mal an einem Dummy geübt“, sagt die Physikerin, die am Bau des Pixeldetektors ebenfalls massgeblich beteiligt war. „Damit der neue Pixeldetektor funktioniert, müssen wir in den nächsten Tagen mehrere Hundert Steckverbindungen anschliessen, die den Detektor einerseits mit Strom versorgen und andererseits die gewonnenen Daten – umgewandelt in Lichtimpulse – aus dem Detektor transportieren“, so Caminada.
Mehrwöchiges Testprogramm
Ist der Pixeldetektor fertig angeschlossen, wird er auf seine Betriebstemperatur von –20 °C gekühlt und dann einem mehrwöchigen Testprogramm unterzogen. Spätestens im Juni muss dieses beendet sein. Dann nämlich geht der LHC nach einem halbjährigen Betriebsunterbruch wieder in Betrieb. Dann wird der neue Pixeldetektor, das neu implantierte Herz des CMS-Experiments, die Daten liefern, mit denen die Teilchenphysiker des CERN die elementaren Bausteine der Welt noch besser verstehen wollen.
Autor: Benedikt Vogel