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27.07.2012

Die Weltmaschine und ihre Nachfolger

Von LEP zu HE-LHC: der Plan für die nächsten Maschinen im LHC-Tunnel
Foto:CERN

2012 markiert einen wichtigen Punkt im Betrieb des LHC: die erste Beobachtung eines neuen Teilchens. Während der Fokus der einen nun darauf liegt noch möglichst viele Kollisionen zu liefern, deren Daten dann von den Experimenten ausgewertet werden, um mehr über das neue Teilchen zu erfahren, sind die anderen mit ihren Gedanken weiter in der Zukunft.

Markiert werden die großen Weiterentwicklungen durch große Shutdowns, längere Betriebspausen, in denen nicht nur der Beschleuniger, sondern auch die Experimente gewartet, überarbeitet und ganze Teile hinzugefügt oder ausgetauscht werden. Die nächsten großen Shutdowns sind geplant für 2013, 2018 und 2022. 2022 soll der LHC ganz umgebaut werden zum High Luminosity LHC.

Shutdown 2013

In dieser kommenden Wartungspause werden vor allem die Verbindungen zwischen den supraleitenden Magneten überprüft und erneuert. Damit wird der LHC auf den Betrieb bei seiner Designenergie von 14 Teraelektronenvolt vorbereitet. Auch an den Experimenten wird in dieser Zeit einige Arbeit durchgeführt. So wird bei dem ATLAS-Detektor zum Beispiel eine zusätzliche Schicht für den innersten Detektorteil, den Pixeldetektor, eingebaut.

Shutdown 2018

Bis 2018 werden einige Komponenten der Detektoren so stark beansprucht worden sein, dass ein Austausch notwendig sein wird.

Shutdown 2022

Um seltene Zerfälle untersuchen zu können, ist nicht Energie der Teilchenstrahlen wichtig, sondern viel mehr die Anzahl an Kollisionen, die pro Sekunde stattfinden. Je mehr Kollisionen stattfinden, desto öfter passieren auch seltene Ereignisse. Um mehr Kollisionen zu erhalten, wird ein Umbau angestrebt, zum HL-LHC, dem High Luminosity LHC.

Um mehr Kollisionen zu erzeugen, müssen die Protonen in den Strahlen enger zusammengebracht werden. Und damit die Wahrscheinlichkeit für eine Kollision erhöht werden. Dafür werden stärkere Quadrupolmagnete benötigt, die die Protonen in den Strahlen enger zusammenpressen – Magnetfeldstärken von 12 statt wie bisher 8 Tesla sind erforlderlich. Diese Bedingung stellt eine Herausforderung dar, denn solche Magnete gibt es bisher noch nicht.

Doch nicht nur der Beschleuniger muss mehr leisten – auch die Detektoren. Im HL-LHC soll es statt bisher 20 Kollisionen von Protonen pro Strahlkreuzung etwa 400 geben. Die so entstehenden größeren Datenmengen, müssen schnell prozessiert und gespeichert werden. Das stellt neue Herausforderungen an die Elektronik. Nicht nur die Elektronik muss den neuen Herausforderungen angepasst werden: Unter anderem muss auch die Granularität der Spurdetektoren muss erhöht werden, sonst ist die Zuordnung der Spuren zum jeweiligen Kollisionsereignis nicht mehr möglich.

Insgesamt soll der HL-LHC eine 5- bis 10-mal höhere Kollisionsrate liefern als der LHC. Insgesamt etwa 200 bis 300 inverse Femtobarn pro Jahr.

Und dann?

Doch nicht nur der HL-LHC ist schon in Planung. Auch für dessen möglichen Nachfolger, der LHeC, einen Beschleuniger, der Protonen und Elektronen beschleunigt, laufen schon die Planungen. Auch ein Beschleuniger, der mit höheren Strahlenergien als der LHC jetzt betrieben wird, wird schon diskutiert, der HE-LHC.

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