Die Runderneuerung von CMS
Ab 2030 wird der LHC in der Hochratenphase laufen. Das erfordert ein grundlegendes Update der Detektoren, wie in der „Physik in unserer Zeit“ anhand des CMS vorgestellt.
Frank Hartmann
Seit dem Beginn der Datennahme im Jahr 2009 haben die Experimente am Large Hadron Collider (LHC) am CERN herausragende physikalische Ergebnisse geliefert. Dazu gehören insbesondere die Entdeckung des Higgs-Bosons im Jahr 2012, aber auch Präzisionsmessungen und die Konsolidierung des Standardmodells der Teilchenphysik in einem bisher nicht zugänglichen Energiebereich. Die erste Phase der Datennahme endete im Jahr 2026; viele Messungen und vor allem Suchen nach seltenen Phänomenen neuer Physik sind durch die verfügbare Ereignisstatistik limitiert.
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Im Jahr 2030 soll daher die sogenannte Hochratenphase („High-Lumi“) am Large Hadron Collider beginnen – zehnfach höhere Ereignisraten und integrierte Luminosität sowie als Resultat allerdings auch eine entsprechend höhere Strahlenbelastung des Materials im Beschleuniger und in den Detektoren. Es werden bis zu 200 simultane Proton-Proton-Kollisionen (Pile-Up) mit einer Frequenz von 40 MHz, also alle 25 ns, erwartet. Jede Kollision produziert Teilchen, die dann den Detektor durchströmen und erfasst werden. Der Ursprung jeder einzelnen Kollision wird „Vertex“ genannt. Die Zuordnung der vielen Teilchen zum richtigen Vertex ist eine der großen Herausforderungen.
Auch das CMS (Compact-Muon-Solenoid)-Experiment, neben ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) der zweite große Detektor, erfährt ein umfassendes Upgrade, wobei der Begriff zu kurz greift, denn es wird ein wahrlich neues Experiment. Sämtliche Elektronik, der Vertex- und der Spurendetektor sowie das Vorwärtskalorimeter werden komplett ersetzt, es kommen neue Myonkammern und ein auf 30 ps genauer Timing-Detektor hinzu.
Alle Komponenten wurden mit Blick auf Granularität und Strahlenhärte entwickelt und optimiert. Die Granularität entspricht der Dichte der Auslesezellen. Bei gegebener Teilchenrate bestimmt sie die sogenannte Okkupanz, diese beschreibt den Prozentsatz der Kanäle, die von Teilchen getroffen werden. Eine hohe Okkupanz hat das Problem zur Folge, dass sich Signale überlagern, was die Rekonstruktion erschwert. Deshalb strebt man für die Okkupanz Werte im Promille- bis maximal Prozentbereich an. Zudem ist das Design aller Komponenten auch in ihrer Fähigkeit optimiert, zum sogenannten Trigger beizutragen. Der Trigger als zentrales Element entscheidet, welche der 40 Millionen Kollisionen pro Sekunde interessant genug sind, um sie für weitere Analysen aufzuzeichnen.
Diese vielfältigen Ansprüche zu vereinen, ist eine immense Aufgabe. Welche Lösungen dafür gefunden wurden, lesen Sie im vollen Artikel in der aktuellen „Physik in unserer Zeit“. Der Artikel ist unter dem unten angegebenen Link online frei lesbar.
Frank Hartmann
promovierte 2000 in Karlsruhe und habilitierte dort 2018. Sein Schwerpunkt liegt generell auf Detektorsystemen, insbesondere auf Siliziumsensoren und Spurendetektoren der Teilchenphysik. In den letzten 15 Jahre agierte er als CMS Tracker Projektmanager und als CMS Upgrade Koordinator. Am KIT lehrt er Detektortechnologien.
