Woraus besteht alle Materie? ScienceBlog besuchte das CERN — Tag 1
Woraus besteht alle Materie? ScienceBlog besuchte das CERN — Tag 1Fr,26. 09.2014 - 19:41 — Inge Schuster
ScienceBlog.at veranstaltete eine zweitägige Exkursion an das CERN: unsere Gruppe erhielt Spezialführungen durch namhafte Vertreter des österreichischen Instituts für Hochenergiephysik (HEPHY, ÖAW), die am CERN arbeiten. Sie zeigten uns, wie dort mit Hilfe eines immensen Teilchenbeschleunigers und riesiger Detektoren – vor allem des CMS - fundamentale Erkenntnisse über den Aufbau der Materie aus Elementarteilchen und deren Wechselwirkungen gewonnen werden. Die Eindrücke überstiegen alle unsere Erwartungen, waren Faszination pur! Um die Vielfalt des Erlebten – wenn auch nur in knappster Form – Revue passieren zu lassen, erscheint der Report in zwei Teilen.
Fast auf den Tag genau vor 60 Jahren wurde das CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire – Europäische Organisation für Kernforschung) von 12 europäischen Staaten gegründet, weitere 9 Staaten (darunter auch Österreich) und Israel als erster Staat außerhalb Europas kamen später dazu. Das in der Nähe von Genf angesiedelte CERN wurde ein Platz der Superlative: es ist das weltgrößte Forschungszentrum für Teilchenphysik. Der größte und leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger der Welt, der LHC (Large Hadron Collider), ermöglicht dort den Aufbau der Materie zu erforschen – von den kleinsten Elementarteilchen des Mikrokosmos bis hin in die unendlichen Weiten des Universums, vom Ursprung des Universum bis hin in seine Zukunft. Es sind Experimente hart an der Grenze des menschlichen Wissens und des technisch Machbaren. Mehr als 10 000 Gastwissenschafter aus aller Welt und mehr als 3000 CERN-Mitarbeiter sind daran beteiligt – ein einzigartiges Vorbild internationaler Zusammenarbeit in einem äußerst kameradschaftlichen Klima. Unkompliziert erfolgt das Veröffentlichen von Ergebnissen – die Aufzählung der beteiligten Autoren kann über mehrere Seiten gehen -, unkompliziert ist in diesem multikulturellen, multinationalem Konglomerat auch die Unterhaltung, nämlich in der lingua franca „bad english“.
Der ScienceBlog hat zu seiner ersten Veranstaltung, einem Besuch des CERN, eingeladen. Zahlreiche Leser waren daran interessiert, eine beträchtliche Gruppe an Teilnehmern ist zustande gekommen.
Wir starten unser Besuchsprogramm
Die meisten von uns sind mit dem frühen Morgenflug von Wien gekommen. An der Rezeption des Besucherzentrums des CERN treffen wir weitere Teilnehmer (u.a. aus Deutschland). Einige der Teilnehmer kennen einander bereits, die anderen holen schnell auf; nach einigen Stunden ist eine bunte, sich fröhlich unterhaltende Gruppe entstanden (Abbildung 1). Ein leichtes Nieseln macht der Stimmung keinen Abbruch. 
Abbildung 1. Gruppenbild mit Globe. Unsere (fast vollständige) Gruppe vor dem 27 m hohen und 40 m breiten Globe of Science and Innovation (das Bild wurde allerdings erst am 2. Tag bei freundlicherem Wetter aufgenommen). Der Globe befindet sich vis a vis vom Besucherzentrum des CERN und ist ein Symbol unseres Planeten. Zur Zeit ist im Globe die Ausstellung Universe of Particles zu besichtigen (Bild: K. Klein)
In einem Seminarraum des Besucherzentrums geht es dann los. Vorerst gibt es zwei Vorträge:
Für unsere Besichtigungen sind zweifellos Kenntnisse über den Zoo der Elementarteilchen von Vorteil. Da diese aber nicht vorausgesetzt werden können, hält Matthias Wolf eine Einführung (Abbildung 2). Matthias versucht Teilchenphysik und die Grundbegriffe einiger Experimente am CERN zu erläutern – alles in laiengerechter Form. Diese Themen sollen hier aber nur so knapp als möglich umrissen werden, da ausführliche Darstellungen in Artikeln von Manfred Jeitler im ScienceBlog vorliegen [1 – 4]. 
Abbildung 2. Wieweit lässt sich Materie teilen? Oben: Matthias Wolf erzählt über Elementarteilchen. Unten: Vom Atom zu den Elementarteilchen. Links: Der Durchmesser eines Atoms wird durch das Ausmass der Elektronenhülle bestimmt und beträgt etwa 1 Zehnmillionstel Millimeter, der Kern selbst ist noch zehntausendmal kleiner. Protonen und Neutronen bestehen aus jeweils drei Quarks, Kraftteilchen (Gluonen - blassviolette Spiralen) „kitten“ die Quarks zusammen. Rechts: Quarks und Leptonen der ersten Generation (rot eingerahmt) sind die Bausteine der uns bekannten Materie, rechts davon sind zunehmend instabilere Quarks und Leptonen, wie sie in der kosmischen Strahlung und durch Kollision im Teilchenbeschleuniger entstehen (Bilder oben: Karin Klein, rechts unten: CERN)
Wieweit lässt sich Materie teilen?
Alle Materie besteht aus Molekülen, diese wiederum aus Atomen. In Widerspruch zu ihrem Namen sind Atome aber nicht unteilbar, sondern setzen sich aus Elektronenhülle und Atomkern zusammen, der Atomkern aus positiv geladenen Protonen und elektrisch neutralen Neutronen, welche wiederum aus Quarks bestehen. Elektronen (sie gehören, wie auch Neutrinos, zur Familie der Leptonen) sind ebenso wie Quarks unteilbar und damit Elementarteilchen. Unterschiedliche Typen von Kraftteilchen vermitteln die Wechselwirkungen zwischen den Teilchen (Abbildung 2, unten links). Die uns umgebende Materie ist aus stabilen Leptonen (Elektronen und Neutrinos) und Quarks der ersten Generation zuammengesetzt.
Bei extrem hohen Energien, wie sie unmittelbar nach dem BigBang vorlagen und wie sie in der kosmischen Strahlung und durch Kollisionen im Teilchenbeschleuniger entstehen, werden auch Leptonen und Quarks der 2. und 3. Generation generiert; diese sind schwerer und äußerst instabil. Dass es zu jedem der Elementarteilchen auch ein entgegengesetzt geladenes Antiteilchen gibt, wurde auf Grund quantenphysikalischer Betrachtungen vorhergesagt und später experimentell bestätigt (z.B. Elektron – Positron). Alle Teilchen und die Wechselwirkungen zwischen diesen (außer der besonders schwachen Gravitation) sind im Standardmodell der Elementarteilchenphysik zusammengefasst, das nahezu alle bisher beobachteten teilchenphysikalischen Phänomene erklären kann und dessen Voraussagen – beispielsweise des Higgs-Boson – experimentell bestätigt wurden.
Ein Blick zurück - Geschichte des CERN
Es folgt der Vortrag eines betagten, aber enorm vitalen Herrn. Er erzählt von den Anfängen des CERN vor 60 Jahren, als man im Nachkriegseuropa die daniederliegende Wissenschaft fördern, einen Leuchtturm der Grundlagenforschung errichten wollte. Dies ist das CERN auch tatsächlich geworden – es gab dort viele bahnbrechende Entdeckungen zum Aufbau der Materie, für die Nobelpreise verliehen wurden (an Georges Charpak, Simon Van der Meer, Carlo Rubbia, Peter Higgs und Francois Englert) und es entstanden weltverändernde Technologien aus spin-offs de CERN – beispielsweise das Worlwide Web, Touchscreens oder die Positron-Emission Tomography (PET).
Unser Vortragender zeigt Bilder von den Mitgliedsstaaten, von den an den Projekten beteiligten Organisationen – mit Ausnahme eines Großteils des afrikanischen Kontinents, gibt/gab es Zusammenarbeiten mit nahezu allen Regionen der Erde.
Fundamentale Bedeutung für die Forschung am CERN haben natürlich Teilchenbeschleuniger, in welchen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigte Protonen (aber auch andere Teilchen) auf einander prallen, und Detektoren, die messen, was bei den Kollisionen entsteht. Ein Bild, das wir an nahezu allen Stationen unseres Besuchs vorfinden, zeigt schematisch alle diese Einrichtungen (Abbildung 3, links): vom ersten, 1957 in Betrieb genommenen, Synchrocyclotron bis hin zum LHC – Large Hadron Collider – der größten Maschine der Welt, die 2009 in Betrieb ging und an der 2012 das vorhergesagte Higgs-Boson entdeckt wurde.
Der LHC ist gigantisch. Es ist ein Synchrotron in einem ringförmigen, 27 km langen Tunnel, der unterirdisch in einer Tiefe von 50 bis 175 Metern verläuft, ein Großteil der Anlage ist bereits auf französischem Staatsgebiet. Der LHC beschleunigt Hadronen (dazu gehören Protonen) in gegenläufigen Strahlröhren nahezu auf Lichtgeschwindigkeit und bringt diese dann an vier Stellen zum Zusammenstoß (Abbildung 3 rechts). An diesen Orten befinden sich in riesigen unterirdischen Kavernen die Detektoren ATLAS, ALICE, LHCb und CMS. Den wahrscheinlich schönsten von allen, den CMS, wollen wir später besuchen. 
Abbildung 3. Teilchenbeschleuniger am CERN – der größte davon ist der unterirdisch in einem Tunnel verlaufende LHC (Bilder: CERN)
Vorerst geht es aber zum ersten Synchrotron am CERN
Wir werden in eine dunkle Halle geführt mit einem blauen Lichtband am Boden. Fotos an den Wänden des Eingangs zeigen die Chronik des CERN, dessen Anfänge und wichtige Ereignisse bis heute. Hier steht nun der Methusalem des CERN, das 1957 gebaute Synchrocyclotron (SC).
Abbildung 4. Das Synchrocyclotron (1957 - 1990) – jetzt ein Showobjekt.
Es hat die ersten erfolgreichen Versuche in der Teilchenphysik ermöglicht und später als Vorbeschleuniger fungiert. Das SC war ein äusserst langlebiges Produkt; erst nach 33 Dienstjahren wurde es in den Ruhestand geschickt. In einer Licht- und Ton-Show werden 3D-Bilder auf den Beschleuniger projiziert und lassen uns diesen voll in Aktion miterleben – an seinem historischen Originalarbeitsplatz, der nun, nach Jahrzehnten, hinreichend "abgekühlt" ist, um Besucherführungen durchführen zu können. (Abbildung 4)
Als wir aus dem Gebäude heraustreten, hat der Regen aufgehört. Ein CERN-Bus wartet bereits auf uns. Er benötigt etwas länger als eine halbe Stunde, um uns an die gegenüber liegende Seite des LHC zum Detektor Compact Muon Solenoid (CMS) zu bringen, dem unzweifelhaften Höhepunkt des Tages.
An der CMS-Station des LHC
Vor einer eher schmucklosen Halle werden wir abgesetzt.
Für die Besichtigung des CMS sind Manfred Jeitler und Claudia Wulz unsere Führer – beide sind am CERN arbeitende Wissenschafter vom HEPHY (Institut für Hochenergiephysik der österreichischen Akademie der Wissenschaften). Das HEPHY hat bereits wichtige Beiträge zur Konzeption, zur Hardware, Software und zum Betrieb der Experimente am CMS geleistet hat. Insbesondere engagiert sich das Institut bei der Suche nach der Physik jenseits des Standardmodells (welches bei sehr hohen Energien keine adäquate Beschreibung der Physik liefern dürfte. Eine Erweiterung - die Theorie der Supersymmetrie – kann am CMS überprüft werden.)
Zur Führung werden wir in zwei Gruppen geteilt. Ich bin in der Gruppe von Manfred Jeitler. Ebenso wie Jeitler als Autor im ScienceBlog hochkomplizierte Sachverhalte humorvoll und leichtverständlich aufbereitet, gestaltet er auch unsere Tour im CMS.
Zuerst erfahren wir noch genauer was im LHC geschieht und was der CMS-Detektor misst:
Aus einer Kette von Vorbeschleunigern kommende (positiv geladene) Protonen werden in die beiden benachbarten Strahlrohre des LHC im und gegen den Uhrzeigersinn eingespeist und durch ein hochfrequentes elektrisches Wechselfeld bis sehr nahe an die Lichtgeschwindigkeit (entsprechend 7 Teraelektronenvolt) beschleunigt. Eine Protonenfüllung (die bei normalem Betrieb bis zu einem Tag in der Strahlröhre verbleiben kann) besteht dabei aus rund 2800 Protonenpaketen, jedes Paket enthält ca. 115 Milliarden Protonen. In den Röhren herrscht ein Hochvakuum, um Zusammenstöße mit fremden Partikeln zu vermeiden.
Die Protonen werden durch supraleitende Dipolmagnete auf ihrer ringförmigen Bahn gehalten und durchlaufen die 27 km lange Strecke 11 000 mal pro Sekunde. An vier Stellen des Ringes (siehe Abbildung 3) werden die beiden gegenläufigen Protonenstrahlen gekreuzt und zur Kollision gebracht. Supraleitende Quadrupolmagnete haben zuvor die Teilchenpakete auf einen Durchmesser von 16 µm bei 8 cm Länge fokusssiert (squeezed). Die Betriebstemperatur der Magnete - 1,9o Kelvin - liegt nahe dem absoluten Nullpunkt, dies wird mit flüssigem Helium erreicht.
Bei der Kreuzung von zwei Paketen treffen im Schnitt 20 – 40 Protonen beider Pakete aufeinander, dies ergibt bis zu 800 Millionen Kollisionen in der Sekunde. Je höher die Beschleunigung der Protonen, desto größer ist ihre kinetische Energie und desto mehr neue Teilchen entstehen bei den Kollisionen. Es werden damit Bedingungen simuliert, wie sie nach dem Urknall vorgelegen sein könnten, als sich die heute bekannte Materie erst zu formen begann.
Jetzt kann es endlich zum CMS gehen – der Prinzessin des LHC
Mit einem Lift geht es in zwei Gruppen schnell 100 m in die Tiefe. Wir haben rote Helme aufgesetzt und kommen uns etwas merkwürdig vor – jedenfalls bietet der Anblick viele Anlässe zum Fotografieren. Warum wir die Helme brauchen? Typisch die Antwort von Manfred Jeitler: „Damit uns nichts passiert, wenn unten alles einstürzt und uns auf den Kopf fällt!“ Derart beruhigt wandern wir zum CMS (Abbildung 5).
Abbildung 5. Behelmt und daher geschützt.
Der Anblick, der sich uns dann bietet ist atemberaubend, die riesige – gute fünf Stockwerke hohe – Kaverne mit dem gewaltigen, raumfüllenden CMS hat beinahe sakralen Charakter. Von vorne gesehen gleicht das CMS den Rosetten gotischer Dome, ebenso schön, aber bei einem Durchmesser von 15 m viel, viel größer (Abbildung 6).
Um bei der Kunst zu bleiben: Michi Hoch gesellt sich kurz zu unserer Gruppe, er ist ein Mitarbeiter am CERN, macht traumhaft schöne Fotos – vor allem vom CMS, das er als „Princess of Science“ bezeichnet. Mit seiner Initiative Art@CMS versucht er Laien für Wissenschaftsthemen zu interessieren. (Er hat sofort zugesagt für ScienceBlog.at einen entsprechenden Bildbeitrag zu liefern.)
Abbildung 6. Von vorne betrachtet erinnert das CMS (oben links) an die Rosetten gotischer Kirchen (oben rechts: Rosette Notre Dame – Süd). Unten links: das 21 m lange CMS besteht aus 11 Scheiben, Blick auf 2 Scheiben. Mitte: Unsere Helmfraktion. Rechts: Wir lernen Michi Hoch, einen Mitarbeiter des CERN, herausragenden Fotografen und Wissenschaftskommunikator, kennen: zu seinem Art@CMS siehe: weiterführende Links.
Wie funktioniert der CMS-Detektor?
Der 21 m lange Detektor besteht aus 11 Scheiben, die einzeln von der Oberfläche in die Kaverne hinuntergelassen und dort zusammengebaut wurden. Er ist ein Universaldetektor, ausgerüstet um jegliche Teilchen, die bei Protonenkollisionen entstehen, detektieren und charakterisieren zu können. Seinem Namen Compact Muon Solenoid entsprechend besitzt er Schichten, die speziell auf die Detektion von Myonen ausgerichtet sind (s.u.). Sein Kernstück ist ein supraleitender, 13 m langer Spulenmagnet (= Solenoidmagnet), der einen Durchmesser von 6 m hat und ein Magnetfeld erzeugt, das 100 000 mal stärker ist, als das Magnetfeld der Erde. Aus der Krümmung der Teilchenspur in diesem Magnetfeld lässt sich das Verhältnis Ladung zu Masse der Teilchen bestimmen. Ein schematischer Querschnitt durch den Detektor in Abbildung 7 zeigt seinen Aufbau aus mehreren Schichten, die jeweils die Bestimmung bestimmter Teilchentypen ermöglichen. Im Inneren der Magnetspule treffen die durch Kollision entstandenen Teilchen auf einen aus Siliciumstreifen aufgebauten Spurdetektor zum Nachweis geladener Teilchen. Andere Teilchen werden in Kalorimetern absorbiert und geben dabei ihre Energie ab, die z.B. als Szintillationslicht oder Ionisierung gemessen wird. Myonen durchdringen diese Schichten innerhalb des Spulenmagneten. Ausserhalb der Magnetspule wird das Magnetfeld durch ein aus Ringen bestehendes, massives Eisenjoch begrenzt, deren Zwischenräume mit gasgefüllten Kammern versehen sind. Myonen, die auch das Strahlrohr durchdringen, werden in diesen Myonenkammern detektiert. 
Abbildung 7. Schema de CMS-Detektors. Der mehrschichtige Aufbau innerhalb und außerhalb der Magnetspule ermöglicht eine präzise Bestimmung aller Teilchen, die bei den Kollisionen der Protonen entstanden sind. (Bilder: modifiziert nach Wikipedia)
Ein sehr wichtiger Beitrag zur Reduktion der ungeheuren Datenmengen, die bei der Analyse der Kollisionen anfallen würden, kommt hier vom Hephy: Der Level-1 Trigger. Dies ist ein speziell entwickeltes Elektroniksystem, das im 25 Nanosekundentakt on-line jede Kollision analysiert und entscheidet ob diese für weitere Analysen geeignet ist. Damit reduziert der Level-1 Trigger die 600 Millionen Kollisionen pro Sekunde 400-fach, ein weiterer Trigger der High Level Trigger reduziert weiter auf nur mehr einige hundert Ereignisse pro Sekunde, die gespeichert werden.
Im Zusammenhang mit der Datenflut: wir haben heute auch am CCC (CERN Control Centre) vorbei geschaut, von dem aus die gesamte Infrastruktur des CERN rund um die Uhr zentral gesteuert und überwacht wird – von der Steuerung der Vorbeschleuniger über die Energieversorgung, Lüftungs-und Klimageräte, Sicherheitssysteme bis hin zu den Kommunikationssystemen.
Ausklang
Alles war gigantisch und muss erst noch verdaut werden!
Unter dem Eindruck des Gesehenen und Gehörten sind wir ziemlich müde und auch durstig geworden. Der Bus bringt uns zum CERN-Besucherzentrum zurück, von dort geht es per Öffis zu unseren Hotels. Das morgige Programm lässt wieder einen äußerst spannenden, aber auch anstrengenden Tag erwarten.
Der Report zu Tag 2 folgt.
[1 – 4] Artikel von Manfred Jeitler im ScienceBlog
06.09.2013: CERN: Ein Beschleunigerzentrum — Experimente, Ergebnisse und wozu man das braucht.
23.08.2012: CERN: Ein Beschleunigerzentrum — Wozu beschleunigen?
21.02.2013: Woraus unsere Welt besteht und was sie zusammenhält — Teil 2: Was ist das Higgs-Teilchen?
07.02.2013: Woraus unsere Welt besteht und was sie zusammenhält — Teil 1: Ein Zoo aus Teilchen
Weiterführende Links:
Publikumsseiten des CERN http://home.web.cern.ch/about
Overview of CERN, LHC and CMS: 7 Videos http://cms.web.cern.ch/content/cms-videos
The Large Hadron Collider - CERN Video 7:28 min
http://www.youtube.com/watch?v=lYt1-SMTbOs
CERN: Jahresbericht 2013: https://cds.cern.ch/record/1710503/files/AnnualReport.pdf
C.W.Fabjan: Österreich am CERN http://www.hephy.at/fileadmin/user_upload/CERN-AT/Presse/Oesterreich_am_...
HEPHY http://www.hephy.at/
Website von Manfred Jeitler am Hephy: http://wwwhephy.oeaw.ac.at/u3w/j/jeitler/www/
Website von Claudia-Elisabeth Wulz am HEPHY http://www.hephy.at/institut/mitarbeiter/?no_cache=1&user_mitarbeiter_pi1[item]=25
Michael Hoch: https://artcms.web.cern.ch/artcms/ photographiert und arbeitet im Art@CMS Projekt mit professionellen Künstlern und Studenten zusammen. Mit Art@CMS wird versucht Menschen aus nichtwissenschaftlichen Fachbereichen an unserer Wissenschaftsthematik und an unserem Wissenschaftapparatus zu interessieren und wenn möglich einzuladen daran teilzunehmen.
Weitere Videos
CMS in ACTION by Paul Schuster Video 2,58 min http://www.youtube.com/watch?v=0J8Hpr6gojs&feature=youtu.be
Flight over CMS, Video 2,26 min http://www.youtube.com/watch?v=B1NKaEty1QU&feature=youtu.be
Openning CMS 'The Princess of Science' for service 2013/ 2014 Video 2,26 min http://www.youtube.com/watch?v=LXHnbX4U05M
Website der Deutschen Forscher am CMS http://www.weltmaschine.de/experimente/cms/
Universe of Particles Video 2:00 min, http://outreach.web.cern.ch/outreach/expos_cern/univers_particules.html