Neues «Herz» für das CMS-Experiment

Physiker und Ingenieure haben am CERN am Donnerstag das Herzst¨¹ck des externe SeiteCMScall_made-Experiments (Compact-Muon-Solenoid-Experiment) ersetzt. Es handelt sich um einen der beiden Universaldetektoren, die 2012 das Higgs-Boson aufgesp¨¹rt hatten. Damals wurde mit diesem Detektor ein bis dahin fehlendes Glied im Standardmodell der Teilchenphysik nachgewiesen, das verschiedene theoretische Physiker bereits in den 1960er-Jahren vorausgesagt hatten. Das CMS-Experiment ist einer der vier grossen Detektoren am externe SeiteLarge Hadron Collider (LHC)call_made, dem gr?ssten und leistungsf?higsten Hochenergiebeschleuniger der Welt. Im 27 Kilometer langen LHC, der sich 100 Meter unter der Erde vor den Toren Genfs befindet, zeichnet der Detektor Teilchenkollisionen auf.

Beitrag der ETH Z¨¹rich zum CMS-Experiment

Dem Upgrade des CMS-Pixeldetektors gingen fast zehn Jahre Forschung voraus. Die Wissenschaftler der ETH Z¨¹rich spielten dabei als Mitglieder des Schweizer Konsortiums eine f¨¹hrende Rolle. Zum Konsortium geh?ren auch Forscher der Universit?t Z¨¹rich und des Paul Scherrer Instituts (PSI). Laut G¨¹nther Dissertori, Professor an der ETH Z¨¹rich und stellvertretender Sprecher des CMS-Experiments, stellt die ?Herztransplantation? einen wichtigen Schritt dar im Hinblick auf die n?chste Phase der Datenakquisition, die im sp?ten Fr¨¹hjahr 2017 beginnen soll. ?Wir werden nach neuen physikalischen Ph?nomenen suchen, die vom Standardmodell vorausgesagt werden. Mit dem neuen Detektor werden wir k¨¹nftig noch genauere Untersuchungen und Messungen vornehmen k?nnen.? Die ETH Z¨¹rich und der ETH-Bereich, so Dissertori, h?tten bei der Entwicklung des Detektors einen wesentlichen Beitrag bez¨¹glich Technologie, Forschung und Finanzierung geleistet, ebenso wie die ehemaligen CMS-F¨¹hrungspers?nlichkeiten und Physiker wie Felicitas Pauss, Ralph Eichler und Hans Hofer.

Teilchendetektor ¨C wie ein Zwiebelring

?Stellen Sie sich den Detektor wie die einzelnen Ringe einer Zwiebel vor?, erkl?rt Rainer Wallny, Professor am Institut f¨¹r Teilchenphysik der ETH Z¨¹rich. ?Die innerste Schicht enth?lt den Pixeldetektor, der am n?chsten beim Geschehen ist.? Am neuen, sieben Meter langen Pixeldetektor haben ungef?hr hundert Forscher unter der Leitung von Roland Horisberger vom PSI mitgearbeitet. Die empfindlichen Teile des Detektors wurden an f¨¹nf verschiedenen Orten gebaut und danach an der ETH Z¨¹rich getestet und einer Qualit?tspr¨¹fung unterzogen. Danach wurden sie am PSI zusammengesetzt und schliesslich f¨¹r den Einbau ans CERN transportiert.

Laut Malte Backhaus, Mitarbeiter bei Wallnys Gruppe, verf¨¹gt das neue, technologisch verbesserte Herzst¨¹ck ¨¹ber eine zus?tzliche Siliziumschicht, die Redundanz schafft und Messungen von bis zu 50 Protonenkollisionen gleichzeitig erm?glicht, etwa doppelt so viele wie bisher. Bereits jetzt freuen sich die Forscher auf die neuen Pixeldetektortechnologien, die wahrscheinlich ab 2025 zur Verf¨¹gung stehen werden. Diese sind f¨¹r das zu diesem Zeitpunkt geplante Upgrade des LHC notwendig, dank dem k¨¹nftig bis zu 200 Kollisionen gleichzeitig gemessen werden k?nnen.

Pixeldetektor ¨C wie eine Hochgeschwindigkeitskamera

Man kann sich einen Pixeldetektor ?hnlich wie eine Digitalkamera vorstellen, die 40 Millionen Fotos pro Sekunde mit etwa 100 Millionen Pixeln aufnehmen kann. Wenn elektrisch geladene Teilchen durch die Siliziumschichten in das Innere des Detektors dringen, erzeugen sie lokale, umkehrbare St?rungen, die als Elektron-Loch-Paare bezeichnet werden. Wenn die Elektronen danach in den Sensor wandern, k?nnen die Wissenschaftler das Signal registrieren, die Daten digitalisieren und die r?umlichen Koordinaten der Kollision bestimmen. Die Daten helfen den Physikern zu verstehen, wie die Natur in den kleinsten feststellbaren Einheiten des Raum-Zeit-Gef¨¹ges funktioniert und wie Elementarteilchen miteinander interagieren.

?Es gibt immer noch viele offene Fragen in der Teilchenphysik. Detektoren wie das CMS-Experiment er?ffnen neue M?glichkeiten, sie zu beantworten?, erkl?rt Wallny. ?Wir wissen sehr gut, wie die Physik in den f¨¹r uns relevanten Massst?ben funktioniert. Aber in den Dimensionen des Universums gibt es zahlreiche Fragen, die wir nicht beantworten k?nnen. Wir wissen zum Beispiel, dass es im Universum unbekannte Materie gibt, die wir ?dunkle Materie? nennen und die f¨¹nf Mal h?ufiger vorkommt als die normale Materie. Wenn wir dazu noch die sogenannte ?dunkle Energie? dazunehmen, die wir mit Planck- und WMAP-Satelliten registrieren, dann verstehen wir nur etwa 5 Prozent der gesamten Masse und Energie des Universums.?

Wissenschaftliche Zusammenarbeit als Vorbild f¨¹r die Gesellschaft?

Mit Auszeichnungen wie dem Nobelpreis werden bisher vor allem pers?nliche Erfolge gew¨¹rdigt. Doch in Zukunft wird die Zusammenarbeit in der wissenschaftlichen Forschung an Bedeutung zunehmen. Denn diese f?rdert nicht nur den Wissensaustausch, sondern macht die Forschung auch kosteng¨¹nstiger. Bau, Unterhalt und Betrieb von Partikelbeschleunigern k?nnen sich leicht auf mehrere Milliarden Franken summieren. Am CMS-Experiment allein sind etwa 4000 Menschen beteiligt, von Wissenschaftlern und Ingenieuren ¨¹ber Techniker bis hin zu administrativen Mitarbeitenden. Ohne internationale Zusammenarbeit w¨¹rden Forschungseinrichtungen wie das CERN nicht funktionieren. Das CMS-Experiment ist nur ein Beispiel daf¨¹r, wie multinationale und multikulturelle Gemeinschaften auf ein gemeinsames Ziel hin friedlich zusammenarbeiten k?nnen.