22.09.2020 • Teilchenphysik

Erneuerter Detektor ALICE am LHC liefert künftig Filme von Teilchen-Kollisionen

Forscher hoffen auf bessere Einblicke in das Quark-Gluon-Plasma.

Das ALICE-Experiment am Teilchen­beschleuniger LHC soll neue Erkenntnisse über einen extrem heißen und dichten Materie­zustand bringen, das Quark-Gluon-Plasma. Wenige Millionstel Sekunden nach dem Urknall lag die gesamte Materie des Universums in diesem Zustand vor, und Forscher wollen unter anderem mit dem ALICE-Experiment heraus­finden, wie sich aus dieser „Ursuppe“ das Universum entwickelt hat. Ein inter­nationales Team von Wissen­schaftlern hat dafür jetzt unter der Leitung von Physikern um Harald Appels­häuser von der Uni Frankfurt das Herzstück des ALICE-Detektors auf den neuesten Stand der Technik gebracht.

Abb.: Arbeiten am ALICE-Detektor unter Corona-Bedingungen. Von links: Robert...
Abb.: Arbeiten am ALICE-Detektor unter Corona-Bedingungen. Von links: Robert Münzer (Uni Frankfurt), Chilo Garabatos (GSI), Lars Bratrud (Uni Frankfurt), Yiota Chatzidaki (Uni Heidelberg), Christian Lippmann (GSI; Bild: R. Münzer, GUF).

Im Moment ruhen am CERN die Beschleuniger, es ist die Zeit der „zweiten langen Betriebs­pause“. In dieser Zeit werden die Beschleuniger auf- und umgerüstet, damit künftig mehr Teilchen beschleunigt und die Zahl der Kollisionen erhöht werden können. Auch die Detektoren werden verbessert. Doch während bei den großen Allzweck­detektoren ATLAS und CMS der große Umbau erst in der nächsten, dritten langen Betriebs­pause ab 2025 ansteht, wird der Spezial­detektor ALICE schon jetzt erneuert in die bevor­stehende Mess­kampagne gehen.

ALICE ist ein besonderes Projekt am Large Hadron Collider LHC des CERN. Während die anderen drei Detektoren entschlüsseln, was in Kollisionen zwischen Protonen vor sich geht, befassen sich die Forscher des ALICE-Experiments mit Blei-Ionen. Jedes Jahr wird der LHC einen Monat lang mit Blei-Ionen betrieben, damit ALICE Daten sammeln kann. Die Forscher wollen das Quark-Gluon-Plasma unter­suchen, das entsteht, wenn Blei-Atomkerne mit sehr großer Energie aufein­ander­prallen und sich für einen kurzen Moment in ihre elemen­taren Bestand­teile auflösen. In dieser heißen und dichten Materie­suppe können sich die Quarks und Gluonen, die sonst fest in den Protonen und Neutronen des Atomkerns gebunden sind, quasi frei bewegen. Was bei den Kolli­sionen passiert, kann Rück­schlüsse darauf zulassen, wie sich aus dem Quark-Gluon-Plasma unser Universum, wie wir es heute kennen, gebildet hat.

Bisher lieferte der LHC-Beschleuniger 10.000 Kolli­sionen pro Sekunde. Bei 18.000 Teilchen pro Kollision macht das 180 Millionen Teilchen pro Sekunde, von denen der ALICE-Detektor aber nur einen Teil aufzeichnen konnte. Nach der Betriebs­pause werden die techno­lo­gischen Hürden, die die Zahl der ausge­lesenen Kolli­sionen bisher limitiert haben, ausgeräumt sein. Der LHC soll dann 50.000 Kolli­sionen pro Sekunde von Blei-Ionen liefern, wodurch 900 Millionen Teilchen pro Sekunde entstehen werden. „Wir wollen alle Kolli­sionen komplett aufnehmen, und zwar kontinu­ierlich – also praktisch einen Film drehen, statt einzelne Bilder zu schießen“, erklärt Appels­häuser.

Dafür wurde einer der zentralen Detektoren des 26 Meter langen und 16 Meter hohen ALICE-Komplexes, die Spuren­drift­kammer, ganz am Anfang der Betriebs­pause ausgebaut und vorsichtig aus der unter­irdischen Detektor­kaverne in einen Reinraum an der Oberfläche gebracht. Nach und nach wurden dort die über Jahre auf der ganzen Welt herge­stellten Bauteile sorgfältig eingebaut. Jetzt wurde die technisch aufgerüstete Kammer wieder an ihre Heimat im Herzen von ALICE zurück­gebracht. Der Clou sind die neuen Auslese­kammern, die nicht mehr aus vielen feinen Drähten bestehen, sondern im Prinzip aus rund fünf Milliarden winzigen Löchern. In diesen Löchern werden die Signale der geladenen Teilchen verstärkt, so dass die Wissen­schaftler genau die Spur jedes Teilchens ausrechnen können. Diese GEMs – Gas Electron Multiplier – sind eine CERN-Erfindung, die auch schon ihren Weg in medizinische Anwendungen gefunden hat. 500.000 Kanäle sorgen dafür, dass dem ALICE-Experiment nichts entgeht. Jede Sekunde entstehen später bei den Kolli­sionen Daten von 3,4 Terabyte.

ALICE bekommt während der Betriebspause auch eine neue innere Spurkammer, die noch dichter am Kollisions­punkt sitzt und im Gegensatz zu ihrem Vorgänger die Präzision noch weiter erhöht. Und präzise müssen die Detektoren sein, denn nur durch die genaue Bestimmung der Teilchen­pfade und -energien lassen sich Rück­schlüsse ziehen auf die ersten Bruch­teile von Sekunden des Universums.

GUF / RK

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