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Was hat sich beim LHC geändert?

Die neue Maschine

Zwei Jahre lang haben hunderte Ingenieure und Techniker im Tunnel des LHC gearbeitet, um den Large Hadron Collider auf seine zweite Laufzeit aufzurüsten. Jetzt ist es geschafft. Aber was genau hat sich eigentlich geändert?

Komponenten und Änderungen am LHC © CERN

Der Strahl: Mehr Energie, stärkerer Fokus

Mit der zweiten Laufzeit wird der LHC seine volle Leistung von 13 Teraelektronenvolt erreichen. In jeder der beiden Strahlrichtungen werden die Teilchen dann bis auf die Energie von 6,5 TeV beschleunigt und in den Detektoren zur Kollision gebracht. In der ersten Laufzeit waren es nur vier TeV pro Strahl. Diese Steigerung wird es ermöglichen, neue Partikel zu erzeugen und zuvor nicht mögliche Nachweise zu erbringen – so jedenfalls die Hoffnung.

Mit der höheren Energie werden die Teilchenstrahlen im Beschleunigerring stärker fokussiert. Zuvor jagten die Teilchen in rund 3.000 Paketen von jeweils rund 100 Milliarden Protonen durch den Ring. Jedes Paket glich dabei einer feinen Nähnadel von wenigen Zentimetern Länge und rund einem Millimeter Durchmesser. In der neuen Laufzeit ist der Querschnitt geringer, dadurch werden mehr Wechselwirkungen und mehr Kollisionen möglich.

Die Kollisionen: Spurensuche im Teilchendickicht

Gleichzeitig wird sich die Zahl der Pakete pro Strahl erhöhen: Die Protonenklumpen folgen nun nicht mehr im Abstand von 50 Nanosekunden aufeinander, sondern alle 25 Nanosekunden. Auch das erhöht die Zahl der Kollisionen in den Detektoren. Das ist gut, bringt aber auch Probleme mit sich: Wenn zu viele Kollisionen gleichzeitig geschehen, dann entsteht ein solches Dickicht an Teilchenspuren, dass die Detektoren diese kaum mehr zuordnen können.

Blick in den neuen Pixel-Detektor des CMS-Experiments © Michael Hoch / CERN

Um das Problem zu lösen, werden nun weniger Protonen pro Paket in den Ring eingespeist: Statt 170 Milliarden sind es „nur“ noch 120 Milliarden Protonen. Zusätzlich wurden auch die großen Detektoren des LHC an die größeren Teilchenmengen angepasst. So wurde beispielsweise beim Detektor ATLAS das Strahlrohr verengt, eine neue Lage Sensoren eingezogen und die Spurdetektoren mit neuen Halbleitern versehen. Der ALICE-Detektor hat ein neues Kalorimeter erhalten, einen Subdetektor aus transparenten Blei-Wolframat-Kristallen, in dem sich Teilchenjets durch winzige Lichtblitze verraten.

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Elektronenfänger im Vakuum

Damit der Teilchenstrahl nicht durch Kollisionen mit den Molekülen der Luft abgebremst wird, muss im Strahlrohr ein hohes Vakuum herrschen. Doch während des Betriebs lösen die geladenen Strahlen immer wieder Elektronen aus dem Wandmaterial des Strahlrohrs, die als Störwolke die Protonen ebenfalls behindern würden.

Um das zu verhindern, haben die Techniker die Innenseite des Strahlrohrs mit einem speziellen Material beschichtet, das als Elektronenfänger dient. Solenoid-Magneten, die um das Strahlrohr gewunden sind, tragen ebenfalls dazu bei, die Elektronen aus dem Weg zu halten.

Endspurt: Ein Techniker arbeitet am letzten noch offenen Verbindungsstück des LHC © Maximilien Brice/ CERN

Verstärkte Verbindungen, geschützte Magneten

Bei ihrem Flug mit nahezu Lichtgeschwindigkeit werden die Teilchen von supraleitenden Magneten auf Kurs gehalten. Von diesen 1.232 Magneten wurden nun 18 ersetzt, die zu stark abgenutzt waren oder Ermüdungen zeigten. Auch das Kühlsystem der Magneten wurde einmal komplett überprüft und gewartet und das Kontrollsystem verbessert. Es sorgt dafür, dass die Magneten durch flüssiges Helium bis auf 1,9 Kelvin heruntergekühlt werden.

Zudem wurde das sogenannte Quench-Schutzsystem der supraleitenden Magneten verbessert. Zu einem Quench kommt es, wenn die normalerweise widerstandsfrei leitenden Magneten durch einen Defekt plötzlich wieder einen Widerstand aufbauen. Dabei werden enorme Mengen an Energie frei, die das Schutzsystem abpuffert und so Schäden am Gerät verhindert.

Um die Elektronik auf die höhere Belastung vorzubereiten, haben Techniker zudem die mehr als 10.000 elektrischen Leitungen zwischen den Magneten geöffnet und mit Shunts versehen – Metallstücken, die dem Strom von mehr als 11.000 Ampere als alternative Leitungen dienen sollen, wenn eine Überlast droht. Gleichzeitig wird die gesamte Elektronik des LHC stärker gegen Strahlung abgeschirmt, die beim starken Beschleunigen der Teilchen im Tunnel generiert wird.

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Nadja Podbregar
Stand: 10.04.2015

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Inhalt des Dossiers

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