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Der Grosse Hadronen-Speicherring (Large Hadron Collider LHC)

Der LHC ist der grösste und leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger der Welt. Dieser 27 km lange Beschleuniger erlaubt den Forschern, ein tieferes Wissen und Verständnis über das Universum zu gewinnen.

Der LHC ist eine Maschine, welche zwei gegenläufige Teilchenstrahlen auf mehr als 99,9% der Lichtgeschwindigkeit ( = 299'973 km/s im Vakuum) zu beschleunigt. Bei Zusammenstössen der beschleunigten Teilchenstrahlen entstehen neue Teilchen, welche von den Physikern erforscht werden.

Am LHC-Projekt sind rund 10'000 Wissenschaftler/innen und Ingenieur/innen aus rund 500 Forschungsinstituten beteiligt.

Für das Projekt wurde ein neues Computer-Netzwerk (das "GRID") entwickelt, welches Zehntausende von Computern auf der ganzen Welt für das Projekt zu einem gigantischen globalen Datenverarbeitungssystem zusammenschliesst.

Der unterirdische Ring

Der LHC wurde in einem kreisförmigen, 27 km langen Tunnel installiert. Der Ring befindet sich 50 bis 150 m unter der Erdoberfläche. Der Tunnel, welcher bereits in den 80er Jahren zwischen dem schweizerischen Nordufer des Genfersees (Lac Léman oder Le Léman) und dem Südfuss des französischen Jura-Gebirgszuges für den vormaligen Teilchenbeschleuniger, den grossen Elektron-Positron-Speicherring LEP, gebaut.

Im LHC umlaufen die Protonen den Kreisring 11'245 Mal in der Sekunde. Ein Teilchenstrahl kann 10 Stunden im LHC kreisen und dabei mehr als 10 Milliarden Kilometer zurücklegen. Diese Distanz ist vergleichbar mit der Strecke von der Erde zum Planeten Neptun und wieder zurück. Millionen von Zusammenstössen (Kollisionen)

Im LHC schiessen zwei gegenläufig gerichtete Strahlen von gleichen Teilchensorten (entweder Protonen oder Blei-Ionen) frontal aufeinander.

CERN: ATLAS-World's largest superconducting magnet

Die Strahlen werden im Vorbeschleuniger der CERN in einer Kette von Vorbeschleunigungen erzeugt und dann in den LHC eingespeist. Dort kreisen die Teilchen im Vakuum bei ähnlichen Bedingungen, wie sie im Weltraum vorherrschen.

Supraleitende (Elektronenfluss ohne Reibung) Magnete, welche bei niedrigen Temperaturen betrieben werden, lenken den Strahl auf seiner Kreisbahn.

Jeder Strahl besteht aus beinahe 3'000 Teilchenpaketen, von denen jedes ungefähr 100 Milliarden Teilchen enthält. Die Teilchen sind so winzig klein, dass es unwahrscheinlich ist, dass zwei davon aufeinandertreffen. Wenn sich zwei gegenläufig bewegende Teilchenpakete durchdringen, so erfolgen nur 20 Kollisionen unter den 200 Milliarden beteiligten Teilchen.

Da sich die Teilchenpakete jedoch rund 30 Millionen Mal pro Sekunde kreuzen, ereignen sich bis zu 600 Millionen Kollisionen pro Sekunde.

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Neue Entdeckungen
CERN: CMS-Dedector (grössere Grafik)

Der LHC wird mit einer bisher weltweit unerreicht hohen Energiemenge betrieben. Vier riesige Teilchen-Dedektoren - ALICE, ATLAS, CMS und LHCb - zeichnen die Teilchenkollisionen auf.

Die Aufzeichnungen werden es den Physikerinnen und Physikern erlauben, neue Phänomene der Materie, der Energie, des Raumes und der Zeit zu erforschen.

Geballte Energie

Der LHC kann Energie auf sehr kleinem Raum konzentrieren. Die Teilchenenergien werden beim LHC in Tera-Elektronenvolt (TeV) angegeben.

1 TeV entspricht ungefähr der Bewegungsenergie einer Mücke, welche sich im Flug fortbewegt. Allerdings ist ein Proton rund 1 Billion Mal kleiner als eine Mücke.

Ein im LHC kreisendes Elektron hat eine Energie von 7 TeV , sodass die Gesamtenergie beim Zusammenstoss von zwei Protonen 14 TeV beträgt. Blei-Ionen enthalten viele Protonen.

Beim Zusammenstoss von zwei Blei-Ionen-Strahlen beträgt die Kollisionsenergie 1150 TeV.

Bei voller Energie besitzt jeder Teilchenstrahl ungefähr soviel Energie, wie ein sich mit 1'600 km/h bewegendes Auto haben würde. Die in den supraleitenden Ablenkmagneten gespeicherte Energie wäre gross genug, um 50 Tonnen Kupfer zu schmelzen.

Innovative Technologien

Nachdem die Teilchenstrahlen in den Vorbeschleunigungsketten eine Energie von 0,45 TeV aufgenommen haben, werden sie in den LHC-Ring eingespeist. Sie umrunden den Ring millionenfach. Bei jedem Umlauf erhalten die Strahlen in Kavitäten einen zusätzlichen Energieschub, bis sie die endgültige Energie von 7 TeV erreicht haben.

Die Teilchenstrahlen werden von rund 1'800 supraleitenden Ablenkmagenten auf ihrer Kreisbahn gehalten. Diese Elektromagnete bestehen aus supraleitendem Material, das den elektrischen Strom (als die Elektronen) bei sehr tiefen Temperaturen (unter 271°C) ganz ohne Widerstand (also Reibungs- bzw. Energieverluste) leiten.

Die LHC-Elektromagnete bestehen aus einer Niob-Titan-Legierung und können nur bei einer Temperatur von 1,9°K (Kelvin) bzw. -271,1°C (absoluter Nullpunkt: -273,15°C) betrieben werden.

Die Stärke der Magnetfelder wird in der Einheit "Tesla" angegeben. Im LHC werden Magnetfelder von rund 8 Tesla herrschen. Normalleitende Elektromagnete können nur Felder von maximal 2 Tesla erzeugen.

Würde der LHC aus "warmen", normalleitenden Magneten und nicht aus supraleitenden Magneten bestehen, so müsste der Ring 120 km statt wie heute 27 km lang sein. Ausserdem müssten für dieselben Experimente rund 40 Mal mehr elektrische Energie aufgewendet werden.

Aus "Der Grosse Hadronen-Speicherring", Broschüre der CERN, 2008 (Bearbeitung: RAOnline)

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Video: CERN - ATLAS and CMS experiments present Higgs search status
CERN - Standard Model Higgs boson
Large Hadron Collider LHC
ATLAS and CMS experiments present Higgs search status
English
December 2011
34.8 MB 5 min 40 sec
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