Herren der Lage bei LS1: Neue Sensorlage im ATLAS-Detektor trägt deutsche Signatur

Der ATLAS-Pixel-Detektor wird im Reinraum gewartet. Bild: Heinz Pernegger, CERN.

Der neueste Detektor von ATLAS misst nur acht Zentimeter im Durchmesser und ist nicht mehr als 60 Zentimeter lang. Er wird genau im Zentrum des insgesamt 46 Meter langen und 25 Meter hohen ATLAS-Detektors sitzen und die Spuren der Teilchen verfolgen, die in den Kollisionen entstehen, und ist näher am Kollisionspunkt als je ein Detektor zuvor: nur dreieinhalb Zentimeter und ein dünnes Strahlrohr liegen zwischen Kollisionspunkt und der neuen Detektorlage. Im Moment werden die einzelnen Bauteile noch getestet und zusammengesetzt, bis Ende des Jahres soll die komplette neue Lage fertig sein.

„Wir hatten gerade Bergfest“, sagt Doktorandin Jennifer Jentzsch, die ihre Tage (und Nächte) in einem Reinraum am CERN verbringt, um den Fortschritt des neuen Detektors zu koordinieren und seine Bestandteile zu testen. „Die Hälfte aller Bauteile ist hier und wir sind mitten im Zusammenbau und Testen.“

Der neue Detektor ist eigentlich nur eine zusätzliche innere Schicht für den existierenden Pixeldetektor, der bei ATLAS Teilchen aufspürt und gerade, ebenfalls im Reinraum, gewartet und repariert wird. Allerdings steckt die neue Lage voller neuer Ideen und Technologien, die für die fernere Zukunft von ATLAS wichtig sein könnten. So soll zum Beispiel der unter anderem in Bonn entwickelte Detektor-Chip Grundlage für alle Neuentwicklungen im inneren Detektorsystem bei ATLAS sein.

Die Lieferliste der Bestandteile und beteiligten Institute liest sich wie eine Deutschland-Rundreise. Die Auslesechips und Module wurden an der Universität Bonn mitentwickelt, die Universität Wuppertal liefert die ultra-leichten Halterstrukturen aus Kohlefasern und Kontrollsystem, das Auslesesystem wird gemeinsam mit Heidelberg weiterentwickelt, der Sensor wurde in Dortmund entworfen, Göttingen, Siegen, das Max-Planck-Institut München und DESY arbeiten ebenfalls mit. Außerdem machen viele Firmen in Deutschland wichtige Arbeitsschritte, wie zum Beispiel das spezialisierte Verlöten der Detektor- und Auslesechips, und Labore wie DESY liefern Teilchenstrahlen für Tests der Detektoren. Darüber hinaus sind natürlich noch zahlreiche Institute und Firmen aus anderen Ländern am Pixeldetektor beteiligt. Zusammengefügt wird alles direkt am CERN.

Jennifer Jentzsch an der Testbox für die neue Sensorlage für den ATLAS-Detektor. Bild: Heinz Pernegger, CERN.

Alle Arbeitsschritte müssen bis Ende des Jahres fertig sein, damit noch Kabel und Stützmechanik angebaut und vor allem abschließende Tests durchgeführt werden können. „Die Funktionsfähigkeit des riesigen ATLAS-Detektors wird durch die kleine neue Lage noch gesteigert. Sie sorgt nicht nur für bessere Auflösung, sondern sie ist vor allem eines der ersten Glieder einer langen Kette, die Stück für Stück abgearbeitet werden muss, damit der im Moment geöffnete ATLAS-Detektor wieder geschlossen werden kann“, erklärt Jennifer Jentzsch. Im Moment stellen die Forscher die Datennahme mit kosmischen Teilchen und radioaktiven Quellen nach. Wenn ab 2015 wieder Protonen auf Protonen prallen, sorgt die innerste Pixellage dafür, dass die Spuren der geladenen Teilchen noch besser voneinander unterschieden werden können. Die Teilchenstrahlen im LHC hatten nämlich schon während seiner ersten Betriebsphase solche Dichten erreicht, dass bei Kollisionen sich Teilchenspuren aus den vielen gleichzeitigen Kollisionen überlagert haben. Der Pixeldetektor kann mit der neuen Sensorlage besser „aufräumen“, Spuren identifizieren, Muster erkennen und auch die Orte besser finden, an denen Teilchen zerfallen, die in der Kollision entstanden sind. Viele Teilchen entstehen für Bruchteile einer Sekunde, fliegen in dieser Zeit Richtung Pixeldetektor und zerfallen dann wieder in andere Teilchen. Diese Zerfälle können wichtige Hinweise auf das Higgs oder sogar bisher unbekannte Teilchen sein.

Nächstes Jahr wird dann verkabelt, getestet und im Herbst 2014 soll die komplette neue Lage in den ATLAS-Detektor eingesetzt werden. Ab 2015 kollidieren wieder Teilchen in ATLAS, und die neue Pixel-Lage kann den Wissenschaftlern noch genauer sagen, was in den Kollisionen passiert.