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14.07.2010

Warum sieht LHCb so anders aus als die anderen drei Detektoren?

Antwort

Grafik: CERN

Der größte Unterschied zu den anderen Detektoren ist, dass LHCb nicht aussieht, wie ein Zylinder. Stattdessen erinnert seine Form an eine auf der Seite liegende Pyramide, an deren Spitze die Protonen kollidieren. Der Wechselwirkungspunkt liegt also nicht tief im Inneren des Detektors verborgen, sondern ist frei zugänglich!

Bei LHCb sind die Physiker an einer ganz bestimmten Sorte Teilchen interessiert. Diese Teilchen enthalten ein b-Quark, was dem Detektor auch seinen Namen gibt - LHCb. Die b-Quarks entstehen in den Protonkollisionen des LHC fast immer paarweise: ein Teilchen und ein Antiteilchen. Sie eignen sich gut, um die Unterschiede zwischen Materie und Antimaterie zu untersuchen.

Der Grund für die besondere Geometrie ist, dass die meisten der gesuchten b-Quark-Paare nach der Kollision in Richtung der Protonen weiterfliegen – also entweder nach vorne oder nach hinten. Um sie zu untersuchen, reicht es also völlig aus, wenn der Detektor nur die Vorwärts- oder die Rückwärtsrichtung abdeckt. Der LHCb-Detektor deckt nur die Vorwärtsrichtung ab. Die Physiker verzichten also auf etwa die Hälfte der erzeugten b-Quark-Paare, die in die Rückwärtsrichtung fliegen und unentdeckt entkommen. Bei der Planung des Detektors hat man sich dazu entschieden mit dem Budget besser einen sehr guten Detektorarm zu bauen, anstatt zwei, die dann jeweils weniger gut wären.

LHCb muss eine sehr hohe Messgenauigkeit haben, um Teilchen, die ein b-Quark enthalten, untersuchen zu können. Denn diese Teilchen haben eine besondere Eigenschaft: Sie leben länger, als die meisten anderen Teilchen! Dadurch fliegen sie im Detektor eine Strecke von einigen Millimetern, was für Teilchenphysiker enorm weit ist. Die Kunst ist es nun, die exakte Länge der Flugstrecke zu messen, und zwar auf vier tausendstel Millimeter genau!

Das gelingt durch eine besondere Detektorkomponente, den so genannten "Vertex Locator", kurz VELO. Er muss sich sehr nahe am Kollisionspunkt befinden, was bei den energiereichen Teilchenstrahlen des LHC gefährlich ist. Daher wird der VELO erst dann an die Strahlen herangefahren, wenn das LHC-Kontrollzentrum sie für stabil erklärt. Die anderen Experimente haben ebenfalls Vertexdetektoren, aber die sind tief im Detektorinneren verborgen. Dort ist kein Platz, um sie zu bewegen, daher sind sie immer auf Sicherheitsabstand und nicht so nah am Geschehen wie der VELO.

Der LHCb-Detektor wurde in eine schon existierende Kaverne gebaut, in der vorher der Delphi-Detektor stand. Aufgrund der Pyramidengeometrie und seiner Länge von etwa 20 Metern passt LHCb aber nur in die Kaverne, wenn die Spitze und somit der Kollisionspunkt ganz am Rand liegt. Delphi hatte den Wechselwirkungspunkt exakt in der Mitte der Kaverne. Diese Verschiebung um etwa 10 Meter hat Auswirkungen für den gesamten LHC, denn es gibt nur ganz bestimmte Punkte, an denen sich die umlaufenden Protonenpakete treffen können. So kommt es, dass sich einige der Protonenpakete, die in ATLAS und CMS kollidieren, in LHCb nicht treffen.

Womit LHCb auf gar keinen Fall verwechselt werden möchte ist das sogenannte "Fixed Target"-Experiment, auch wenn die Geometrie von LHCb stark an diesen Detektortyp erinnert. "Fixed Target"-Experimente werden seit den Anfängen der Teilchenbeschleuniger in den 1960er Jahren verwendet. Bei ihnen wird ein Teilchenstrahl auf ein feststehendes Ziel geschossen, anstatt wie beim LHC zwei Teilchenstrahlen zu kollidieren. "Fixed Target"-Experimente erreichen aus physikalischen Gründen bei weitem nicht die Energien, die an Collidern wie dem LHC erreicht werden können. Die Tatsache, dass LHCb zwar die Geometrie eines "Fixed Target"-Experiments hat, aber dennoch mit kollidierenden Teilchenstrahlen arbeitet, hat selbst in Fachkreisen schon zu Verwirrung geführt!

Till Moritz Karbach, TU Dortmund

Till Moritz Karbach arbeitet in der LHCb-Gruppe der TU Dortmund. Dort untersucht er die Unterschiede zwischen Materie und Antimaterie, und analysiert die ersten Daten, die vom LHC erzeugt wurden, um schon bekannte Teilchen wiederzuentdecken.

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