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06.06.2013

Pluseffekt durch Minusgrade

Deutsche Gruppen machen CMS cooler und genauer

Foto: CERN, Michael Hoch

Während sich gerade über 200 Experten der internationalen CMS-Teams beim Forschungszentrum DESY in Hamburg treffen, um die ferne Zukunft ihres Detektors zu besprechen, ist die Vorbereitung der nahen Zukunft ab 2015 bereits in vollem Gang. Während der Betriebspause des Large Hadron Collider, die noch bis zum nächsten Jahr andauert, werden nicht nur Detektorbestandteile ersetzt und umgebaut, sondern der gesamte Spurdetektor auf den Betreib bei minus 25 Grad vorbereitet – fast dreißig Grad weniger als bisher.

Der Strippenzieher hinter dem zentralen Teil, der umgebaut wird, ist Frank Hartmann vom Karlsruhe Institut für Technologie KIT. Seit Januar 2013 leitet er den CMS-Tracker, der innerste Teil des riesigen Detektors, der unmittelbar den Punkt umgibt, an dem die Teilchen zu Kollisionen aufeinander prallen. Der Tracker, der aus Streifen- und Pixeldetektor besteht, misst die Spuren und der aus der Kollision fliegenden geladenen Teilchen und gibt so mit Hilfe des magnetischen Feldes Aufschluss über ihren Impuls und ihre Ladung. Dadurch, dass er so nah am Kollisionspunkt sitzt, muss er auch den größten Teilchenregen aushalten. Um das auch nach der Betriebspause so gut wie und sogar besser als zuvor tun zu können, arbeiten insgesamt fünf deutsche und über 60 weitere internationale Gruppen an seiner Konsolidierung.

Nach der Betriebspause wird der Large Hadron Collider Teilchen mit doppelter Energie und höherer Teilchenrate als zuvor kollidieren, was für den Tracker harte Arbeit bedeutet: er muss auch bei höherer Strahlenbelastung leistungsfähig bleiben. Je kälter die Umgebung, desto weniger wirken sich die Effekte der Strahlenschädigung auf das Material aus – deshalb soll der Spurdetektor in Zukunft bei minus 25 Grad laufen. „Das zieht aber andere Herausforderungen mit sich“, erklärt Frank Hartmann. „Die Leistung des Kühlsystems muss bei niedrigeren Temperaturen besser werden, aber vor allem müssen wir sicherstellen, dass es keinerlei Kondensation auf den kalten Teilen gibt. Durch Zuleitungen am Endbereich ist der Tracker nicht hermetisch abgeschlossen, und Eis auf den Siliziumdetektoren oder auch nur den Zuleitungen wäre fatal.“ So sind die CMS-Experten jetzt damit beschäftigt, Luftfeuchtbarrieren zu errichten. Zusätzlich wird trockenes Gas in den Detektor gepustet werden, um den Wasserdampf herauszudrücken und so Kondensation zu verhindern. Dafür wurde Anfang des Jahres eine „Trockengasfabrik“ bei CMS eingebaut, inklusive neuer Luftfeuchtesensoren, die in Karlsruhe zusammen gebaut worden sind.

Darüber hinaus arbeiten die CMS-Spurenexperten an neuen Lagen für ihren Detektor. Hatten vorher drei Lagen die Spuren der Teilchen verfolgt, werden es ab 2017 vier sein, von denen die innerste noch dichter als zuvor am Kollisionspunkt sitzen wird, um noch bessere Spurenauflösung und damit Kollisionsdaten zu liefern. Die komplette äußerste Lage wird von deutschen Instituten – KIT, DESY, Uni Hamburg und der RWTH Aachen – gebaut. Dafür wiederum wird bereits in der momentanen Betriebspause ein schmaleres Strahlrohr eingebaut, das nur noch 45 Millimeter Durchmesser hat – fast 15 Millimeter weniger als vorher.

Bessere Auflösung ab 2017, tiefgekühlte Bestandteile ab 2015 – Teilchenphysik fordert viel Vorausdenken und viel Planung. Deswegen diskutiert das internationale CMS-Team auch gerade bei DESY die ganz ferne Zukunft ab dem Jahr 2022.

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