Wenn Sie an Ihrer Mikrowelle oder Ihrem Computer auf „Start“ drücken, schaltet sich das Gerät sofort ein. Große physikalische Experimente wie der Large Hadron Collider der Europäischen Organisation für Kernforschung, bekannt als CERN, funktionieren jedoch nicht so. Stattdessen müssen sich Ingenieure und Physiker jedes Jahr ein paar Wochen Zeit nehmen, um den Collider und alle daran angeschlossenen Experimente sorgfältig zurückzusetzen.
Ich bin ein CERN-Physiker der in den letzten Monaten mit meinen Kollegen am Reset-Prozess des größten der Experimente gearbeitet hat, ATLAS. Um genaue Daten über Teilchenkollisionen zu sammeln und einige der spannendsten Geheimnisse des Universums zu erforschen, muss die Zusammenarbeit sicherstellen, dass die Geräte richtig kalibriert sind.
Bei CERNDie Large Hadron Collideroder LHC, zerschmettert Protonen mit der höchsten jemals erreichten Energie, um neue Teilchen zu erzeugen, die Physiker dann einfangen und in verschiedenen Experimenten untersuchen.
Der LHC erforscht die verborgene Welt von subatomare Partikeldie Grundbausteine von allem, was uns umgibt. Das Studium dieser Teilchen hilft Wissenschaftlern wie mir, besser zu verstehen, wie das Universum funktioniert und sich im Laufe der Zeit entwickelt.
Ruhezustand und Aufwecken des LHC
Jeden Winter verfallen der Collider und seine Experimente in den Winterschlaf. Mein Team und andere Teams am CERN drängen sie aus mehreren Gründen zu diesem Winterschlaf.
Der Maschinen, die wir hier verwenden sind komplex. Wir brauchen einige Zeit, um Teile auszutauschen oder neue Komponenten einzubauen. Und da all diese Maschinen verbrauchen viel Stromvermeiden wir den Betrieb im Winter, wenn der Strom teurer ist und das nahe gelegene Genf seine Bewohner warm halten muss.
Aber wenn der Frühling kommt, bereiten alle Teams den LHC und die Experimente auf eine neue Saison der Datenerfassung vor.
Während Ingenieure und Techniker daran arbeiten, den Beschleuniger zurückzusetzen und ihn für die Zertrümmerung von Protonen vorzubereiten, bereiten meine Kollegen und ich, die Experimentalphysiker, die Experimente vor, um von allen vom Collider erzeugten Teilchen umgehend und korrekt Daten zu erfassen.
Tests mit kosmischer Strahlung
Die Experimentierteams beginnen mit der ersten Phase des Aufweckens des LHC aus dem Ruhezustand, während der Beschleuniger noch schläft. Wir müssen mit dem Testen der Teilchendetektoren beginnen, auch wenn der Kollider, der die Teilchen erzeugt, nicht funktioniert.
In dieser ersten Phase nutzen wir das, was immer verfügbar ist und was die Natur selbst bereitstellt—kosmische Strahlung. Dies sind subatomare Teilchen, die entstehen, wenn energiereiche Teilchen aus dem Weltraum hoch oben in der Atmosphäre auf Atome treffen.
Ein kosmischer Strahl tritt links in den ATLAS-Detektor im LHC ein. Jedes Mal, wenn er auf einen Sensor trifft, verliert der Strahl einen Teil seiner Energie, die der Detektor in ein Signal umwandelt und aufzeichnet. Indem die Physiker eine Linie durch alle Sensoren ziehen, auf die das kosmische Teilchen traf, können sie seine Ankunftsrichtung, seinen Weg durch das Experiment und seine Energie rekonstruieren. Kosmische Strahlen helfen uns, die Sensoren zu trainieren und zu überprüfen, ob alles wie erwartet funktioniert.
Kosmische Strahlung ist jedoch zufällig und spärlich, sodass wir uns bei all unseren Tests nicht auf sie verlassen können. Für nachfolgende Tests verwenden wir eine dichtere und vorhersehbarere Quelle – subatomare Spritzer.
Subatomare Spritzer, um sie alle zu synchronisieren
Der LHC verfügt über etwa 27 Kilometer Rohrleitungen durch die die Protonen fliegen. Das Rohr ist von Magneten umgeben, die die beschleunigten Protonen lenken. Alle Teilchen, die von der Bahn abkommen, werden von einem kleinen Metallstück, einem sogenannten Kollimator, aufgehalten. Dieser Kollimator wird in die Mitte des Beschleunigerrohrs gedrückt, wo die Protonen darauf treffen und mit seinen Atomen interagieren.
Bei dieser Kollision entsteht eine riesige Menge an Teilchen, die sich dann als großer Spritzer – oder wie wir ihn nennen: „Beam Splash“ – im Gleichtakt durch das Beschleunigerrohr bewegen. Etwa Mitte März erzeugt das Beschleunigerteam diese Teilchen für das ATLAS-Experiment.
Die große Welle aus Teilchen trifft auf einmal auf das Experiment. Mit dieser Welle können wir überprüfen, ob alle Detektoren im Experiment richtig und synchron reagieren. Außerdem testen wir, ob sie Daten mit der erforderlichen Geschwindigkeit aufzeichnen und speichern können.
Horizontale Myonen zur Kalibrierung
Die meisten Teilchendetektoren in den Experimenten sind nun bereit, neue Daten zu empfangen. Einige Detektortypen im LHC benötigen jedoch noch weitere Tests.
Eines ist das Tile-Kalorimeter des ATLAS-Experimentsein Detektor, der die Energie von Teilchen misst wie Neutronenund ProtonenEr besteht aus Reihen kachelförmiger Sensoren, und um den Detektor genau zu kalibrieren, müssen Testpartikel horizontal durch diese Kacheln hindurchgehen.
Die massiven Partikelstrahlen, die durch Strahlenspritzer erzeugt werden, eignen sich nicht gut zur Kalibrierung des Tile-Kalorimeters. Die Partikel kommen nicht im richtigen Winkel und es sind zu viele auf einmal.
Um das Tile-Kalorimeter zu testen, interessieren uns nur eine bestimmte Art von Teilchen – Myonen. Myonen sind Elektronen ähnlich, aber schwerer und interagieren anders mit der umgebenden Welt. Sie können mehrere Sensorreihen passieren ohne viel Energie zu verlieren oder gestoppt zu werden – was sie nützlich zum Testen von Teilchendetektoren macht.
Daher haben wir gegen Ende März einen weiteren Test durchgeführt, bei dem wir erneut die Kollimatoren verwendet haben.
Dieses Mal jedoch schieben die LHC-Ingenieure den Kollimator nur leicht in den Weg der Protonen, so dass die Teilchen den Kollimator nur ganz knapp streifen. Die sanfte Reibung der Protonen an der Metalloberfläche des Kollimators erzeugt Teilchen, die sich parallel zum Beschleunigerrohr bewegen und das ATLAS-Experiment horizontal treffen.
Wir verwenden spezielle Sensoren, um Myonen zu erkennen, die bei der Kollision mit dem Kollimator entstehen, und sie zu markieren. Dann verfolgen wir sie, während sie sich durch das Tile-Kalorimeter bewegen.
Diese horizontalen Myonen passieren alle Kacheln des Kalorimeters in einer Reihe, sodass wir sicherstellen können, dass die Daten genau erfasst werden.
Bereit für neue Physik
Sobald der LHC vollständig kalibriert und betriebsbereit ist, beschleunigt Protonen auf ihre maximale Energie– und lässt sie dann gegeneinander prallen.
Nach rund 10 Testwochen beginnt eine neue Saison der Datenerfassung, die Träume von neuen Entdeckungen weckt.
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