Mach’s gut, und danke für das Higgs!

Die bedeutendste Entdeckung des LHC wurde vor fast genau 14 Jahren, am 4. Juli 2012, bekanntgegeben: Den ATLAS- und CMS-Kollabo­rationen war der Nachweis des Higgs-Bosons gelungen und bestätigten so den fast ein halbes Jahrhundert zuvor vorgeschlagenen Mechanismus, den Peter Higgs und unabhängig davon François Englert und Robert Brout vorgeschlagen hatten.

In den folgenden Jahren ermöglichte der LHC zahlreiche weitere Fortschritte, darunter die Entdeckung von mehr als 85 Hadronen und die Festlegung von Ausschluss­grenzen für die Entdeckung neuer Teilchen. Dazu kamen Forschungen zum Ungleich­gewicht zwischen Materie und Antimaterie und den Eigenschaften des Quark-Gluon-Plasmas sowie Messungen, die wichtige Auswirkungen auf die Astrophysik haben. Über seine wissen­schaftlichen Ergebnisse hinaus trieb der LHC Innovationen in den Bereichen Beschleuniger­physik, Supraleitungs­technologien, Daten­verarbeitung und inter­nationale Zusammen­arbeit voran.

„Der LHC hat alle Erwartungen übertroffen“, sagte Oliver Brüning, CERN-Direktor für Beschleuniger und Technologie: „Heute verabschieden wir uns vom LHC, wie wir ihn kennen, und bereiten uns gleichzeitig darauf vor, seinen Nachfolger zu begrüßen: den HiLumi-LHC, der dieses wissen­schaft­liche Abenteuer weit in die Zukunft führen wird.“

Der HiLumi-LHC, dessen Inbetriebnahme für 2030 geplant ist, wird die Luminosität des Beschleunigers, d.h. die Häufigkeit der Teilchen­kollisionen pro Flächen- und Zeiteinheit, gegenüber der ursprünglichen Auslegung um bis zu einen Faktor zehn steigern. Dadurch lassen sich wesentlich umfangreichere Datensätze erfassen, was präzise Unter­suchungen des Higgs-Bosons ermöglicht und die Chancen erhöht, Phänomene jenseits des Standard­modells aufzudecken.

LS3 ist der umfangreichste Umbau am Beschleuniger­komplex des CERN seit dem Bau des LHC selbst. Bis 2030 werden im Rahmen der Still­legung Tausende von Fachleuten des CERN und von Partner­instituten weltweit daran arbeiten, den LHC, die Injektoren und die dazugehörigen Experimente auf die HiLumi-Version umzurüsten und wesentliche Modernisierungs­maßnahmen im gesamten Beschleuniger­komplex und in den Versuchseinrichtungen durchzuführen.

Das beinhaltet unter anderem die Konsoli­dierung des Nord­bereichs des Super-Protonen-Synchro­trons (SPS), den Rückbau des Ziel­bereichs des „CERN Neutrinos to Gran Sasso“ (CNGS) und die Sanierung der ISOLDE-Anlage sowie die Konsoli­dierung der Personen­sicher­heits­systeme, des Strom­netzes und der Technik­stollen.

Shutdown und Ausbau am LHC

Oliver Brüning und Helmut Burkhardt • 3/2023 • Seite 45

Ausbau für mehr Kollisionen

Kerstin Sonnabend • 1/2021 • Seite 6

Schlüsselübergabe im Zeitplan

Kerstin Sonnabend • 6/2019 • Seite 11

Geschäftiger Stillstand

„Das LS3-Projekt stellt ein gewaltiges und komplexes logistisches und technisches Unterfangen dar“, betont Jean-Philippe Tock, Leiter des LS3-Koordinationsteams. „Allein im LHC werden 1,2 Kilometer Magnete und Komponenten ausgebaut und durch neue Ausrüstung ersetzt, und im gesamten Komplex sind Dutzende von Projekten geplant, an denen Tausende von Ingenieur:innen, Physiker:innen, Techniker:innen und Hilfspersonal beteiligt sind.“

In den LHC-Kavernen werden die ATLAS- und CMS-Experimente umfassenden Modernisierungen unterzogen und damit praktisch zu neuen Detektoren. Um die beispiellose Leistungsfähigkeit des HiLumi-LHC voll auszuschöpfen, müssen sie an jedem Kollisionspunkt zwischen 140 und 200 Proton-Proton-Zusammen­stöße bewältigen – im Vergleich zu etwa 60 während des letzten LHC-Betriebs. Das erfordert es, aus mehr als fünf Milliarden Wechselwirkungen pro Sekunde die interessantesten Kollisionen zu identifizieren und auszuwählen.

Um dieser Herausforderung gerecht zu werden, werden beide Experimente ihre Trigger-Systeme komplett ersetzen, die für die Auswahl der vielversprechendsten Ereignisse zur weiteren Analyse zuständig sind. Diese Ereignisse werden mit fortschrittlichen neuen Detektortechnologien aufgezeichnet, darunter Voll-Silizium-Tracking-Systeme mit Milliarden von Auslesekanälen (weit mehr als in den aktuellen Detektoren), hochpräzise Zeitdetektoren mit Auflösungen im Bereich von einigen zehn Pikosekunden sowie neue Kalorimetersysteme, die mit Megahertz-Raten arbeiten können.

Auch wenn in dieser Zeit keine Teilchenstrahlen im LHC zirkulieren werden, geht die wissenschaftliche Arbeit am CERN intensiv weiter. Tausende von Forscher:innen setzen die Auswertung der riesigen Datensätze fort, die während der LHC-Ära gesammelt wurden.

Geplant ist, den Beschleunigerkomplex ab 2028 schrittweise wieder in Betrieb zu nehmen, um eine neue Ära der Hochenergiephysik einzuläuten. Aufbauend auf dem Erbe des LHC soll der HiLumi-LHC die Erforschung der grundlegendsten Fragen der Physik weiter vorantreiben, um so das Verständnis des Universums weiter zu vertiefen.