RZ113 CERN: Der ALICE-Detektor

Das ALICE-Experiment auf der Suche nach dem Wunderland des Quark-Gluon-Plasmas

Das ALICE-Experiment ist eines der großen Detektorsysteme am CERN in Genf und nutzt den CERN-Beschleunigerring um die Kollision schwerer Ionen zu beobachten. Dabei entsteht ein sogenanntes Quark-Gluon-Plasma, in dem sich Atom zu einem Teilchenbrei vermengen wie man es vermutlich kurz nach dem Urknalls vorgefunden hat.

Dauer:
Aufnahme:

Kai Schweda
Kai Schweda

Wir sprechen mit Kai Schweda, derzeit der offizielle Sprecher und Projektleiter des ALICE-Teams am CERN. Wir schauen auf die physikalischen Hintergründe, die aufwändige Technik und Funktionsweise des Detektors, welche Ergebnisse das Experiment bisher schon hat liefern können und was für Aufgaben und technische Weiterentwicklungen in den nächsten Jahren zu erwarten sind.


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Transkript
Tim Pritlove
Hallo und herzlich willkommen zu Raumzeit, dem Podcast über Raumfahrt und andere.Kosmische Angelegenheiten.Mein Name ist Tim Pridlaff und ich begrüße alle hier zu einer weiteren Ausgabe von Raumzeit.Und wie schon in den letzten Sendungen sich abgezeichnet hat,heute geht's wieder um das ZERN.Ich bin hier in Genf vor Ort und spreche mit einer ganzen Reihe von Gesprächspartnern.Und so auch in dieser Sendung. Und heute geht es um die Detektoren,die es ja hier so einige gibt, an dem großen Large Hadron Collider,dem großen Beschleunigerring, der hier aufgebaut worden ist in den letzten Jahrzehntenund fleißig betrieben wird und wie man ja auch schon gehört hat zu diversenwissenschaftlichen Erkenntnissen geführt hat.Und diese Erkenntnisse gäbe es nicht, würde nicht das, was da beschleunigt wird,auch mal ausgelesen werden.Es muss ja auch was kollidieren, wenn man diese Kollision auswerten will.Und eine dieser Kollisionsmaschinen, dieser Detektoren heißt ALICE,Large Ion Collider Experiment und darüber spreche ich heute mit Kai Schweda.Hallo, herzlich willkommen bei Raumzeit.
Kai Schweda
Hallo Tim, gut dich zu sehen.
Tim Pritlove
Ja, Kai du bist, stimmt das, Alice Deputy Spokesperson steht hier.
Kai Schweda
Genau, seit Januar diesen Jahres für drei Jahre. Spokesperson wird demokratischgewählt von den teilnehmenden Instituten und alle drei Jahre gibt es einen neuenSpokesperson. Und der ist auch nicht wiederwählbar, das heißt nach drei Jahren ist es vorbei.
Tim Pritlove
Aha, warum macht man das?
Kai Schweda
Generell ist es am Zehren so, dass auch die Generaldirektorin,die wir jetzt haben, von den Mitgliedstaaten gewählt wird.Das macht man, dass Machtstrukturen nicht verkrusten. Wir haben ja gesehen,wenn eine Kanzlei in Deutschland vier Legislaturperioden überlebt...Da haben die Leute die Schnauze voll. Und genau das ist das Ziel vom CERN.Selbst die Sekretärinnen in den Sekretariaten wechseln alle 5 oder 6 Jahre die Abteilung auch um,natürlich auch wenn man eine bestimmte Aufgabe eine Zeit macht,wird es sehr routinemäßig, dann sehen die andere Abteilungen und das wird sehraktiv betrieben beim CERN.
Tim Pritlove
Es gibt ja auch genug, wo man durchrotieren kann. Also es bleibt abwechslungsreich.Und ich denke das schärft dann auch den Blick für das Ganze dann doch auch,dass man sieht, aha andere Abteilungen machen auch cooles Zeug und haben abervielleicht einen anderen Stil und dann übertragen sich natürlich auch Erfahrungen.Aber das heißt, dass man nicht mehr so viel Wissenschaft macht oder?Wenn man Spokesperson ist oder ist das nur so ein Anhängsel?
Kai Schweda
Nach wie vor zwei Doktoranden, die ich betreue, die unsere Daten auswerten undPhysikanalyse betreiben und die auch veröffentlichen die Ergebnisse.
Tim Pritlove
Also es ist eigentlich nur so ein zusätzlicher Job und kein neuer.
Kai Schweda
Also ich denke Spokesperson, das ist ja der CEO wäre das, bei einer großen Aktiengesellschaftoder im deutschen Sprachraum ist das der Vorstandsvorsitzende.Ich bin der Stellvertreter.Und ich behalte noch mehr 10% meiner Zeit für Dinge, die mir Spaß machen,zum Beispiel Doktorandbetreuung, ich mache noch Lehre in der Uni Heidelbergin der Physik und das will ich nicht aufgeben. Als Brooks-Person wird es vielleicht anders.
Tim Pritlove
Wie hat es dann angefangen mit der Wissenschaft?
Kai Schweda
Ich denke schon in der Schule, so rückblickend waren immer die Naturwissenschaftendas, was mich interessiert hat und dann im Studium war es die Kernphysik.Alles andere hat mich dann weniger interessiert.
Tim Pritlove
Warum?
Kai Schweda
Das kann ich nicht sagen. Vielleicht ist das Purismus,dass man die Kern- und Teilchenphysik versucht ja die Natur zu beschreiben,indem man die Kräfte auf fundamentale Teilchen und fundamentale Wechselwirkungenreduziert und vielleicht ist es dieser Reduktionismus, den ich so attraktiv finde.
Tim Pritlove
Ja und auch natürlich dieser Teilchen Zoo, das hatten wir ja schon im Eingangsgespräch,Standardmodell, das ist einfach so das, was alles definiert.Von daher glaube ich auch nochmal besonders interessant sein kann.
Kai Schweda
Da gibt es unterschiedliche Meinungen, wir versuchen das,wie gesagt, über fundamentale Teilchen- und Wechselwirkungen zu beschreiben,aber selbst wenn man diese Wechselwirkungen nicht beliebig genau kennt,könnte niemand ausrechnen, welche Formation eine Schneeflocke wenn man alsoSysteme hat, die aus sehr vielen Teilchen bestehen.Prinzipiell kann man das machen, es gelingt aber keinem, weil dann gibt es ebenkollektive Phänomene, die nicht immer aus den fundamentalen Wechselwirkungen kommen.
Tim Pritlove
Oder anders ausgedrückt, Europa braucht unbedingt ein Schneeflockenformungsforschungszentrum.
Kai Schweda
Nein, ich will das nicht ins Lächerliche ziehen, aber es gibt auch emergentePhänomene, auch ALICE beschäftigt sich damit, vielleicht kommen wir da nochspäter drauf, die man eben nicht so einfach aus den fundamentalen Wechselwirkungen herleiten kann.
Tim Pritlove
Alles nicht so einfach. Trotz alledem gibt es den Bedarf hier mal ins Detail zu gehen.Ja, Alice. Also ich habe es schon gesagt, Large Ion Collider Experiment mitden Abkürzungen ist ja immer so eine Sache. Man will immer auf irgendwas hinaus.Eine schöne Abkürzung, liest sich halt gut.Aber es beschreibt ja schon auch in etwa was getan wird. Wovon reden wir jetzt?Wir haben hier am Standort den großen Ring, den Archidron Collider,den Beschleunigerring, der halt die Teilchen ordentlich auf Fahrt bringt.Und entlang dieses Rings gibt es verschiedenste Instrumente,wie man sagt, wobei das Wort irgendwie nicht so richtig erfasst,um was für Kolosse es sich dabei handelt.Sehr sehr große, sehr komplexe technische Geräte, die dann eben diese beschleunigtenTeilchen kollidieren lässt und sie dabei beobachtet.Also ein Detektor. ALICE ist jetzt einer dieser Detektoren, die alle mehr oderweniger, also die sozusagen alle parallel und unabhängig voneinander entwickelt wurden.Das heißt hinter jedem dieser Detektoren steckt eine eine Philosophie,eine Technik Wissenschaftsphilosophie, wie man auf dieses beschleunigte Teilchen schaut.
Kai Schweda
Also wir schauen nicht auf das beschleunigte Teilchen, sondern auf das kollidierende.Die beiden Teilchen kriegen sehr viel Energie mit. Das ist Bewegungsenergie.Und die kollidieren und dann wird in dieser Kollision ein Großteil dieser Energie,die ich vorher reinstecke mit dem Collider, mit dem Beschleuniger,die wird frei und erzeugt neue Teilchen. Da entstehen in der Kollision neueTeilchen und diese neuen Teilchen, die untersuchen wir.
Tim Pritlove
Und was ist jetzt sozusagen die Philosophie gewesen beim Design von ALICE?
Kai Schweda
Anfang der 1990er Jahre hat das CERN ernsthaft überlegt und auch eine Designstudiezum Large Hadron Collider entwickelt.Das heißt, sie haben sich überlegt, welche Energie brauchen wir,um in der Teilchenphysik Fortschritt zu machen. Es ging damals um das Higgs-Boson,das auch vor zehn Jahren entdeckt wurde.Und dann war klar, da gab es dann die Teilchenphysik-Gemeinschaft,die Community, baut traditionell zwei Detektoren mit unterschiedlicher Technologie,um eben diesen Nachweis des Higgs-Teilchens einwandfrei festlegen zu können.
Tim Pritlove
Weil wenn man das gleiche sieht oder dieselben Schlüsse zieht aus zwei vollständigunterschiedlichen Beobachtungen, dann kann man auch sicher sein, dass es stimmt.
Kai Schweda
Genau, so ist das traditionell in der Teilchenphysik, auch bei anderen Kollidern wurde,als das Topquark entdeckt wurde, waren es auch zwei große Experimente und dannwar klar am Large Hadron Collider, dieser Ring, die ja 100 Meter unter der Erdeist, der 27 Kilometer lang ist, hat vier Kollisionszonen.Da war vorher ein anderer Kollider drin, der Elektronen und Positronen kollidierthat. Und da gibt es vier Wechselwirkungspunkte, wo die Strahlen kollidieren.Es gab also noch zwei weitere.Kollisionspunkte, wo man ein Experiment aufstellen kann und dann hat sich unser Feld,das noch recht jung ist, die schweren Physik überlegt, wir könnten da bei diesenhöchsten zugänglichen Kollisionsenergien einen Detektor bauen und der ist nichtfür Proton-Proton-Kollisionen zuständig,denn in Proton-Proton-Kollisionen wurde das Higgs-Boson entdeckt und wird weitererforscht, welche Eigenschaften es hat, Sondern man kann auch einen Monat proJahr, also eine relativ kurze Zeit, schwere Bleikerne reinsetzen und die beschleunigen.Und das ist das zentrale Thema von ALICE.
Tim Pritlove
Was ist jetzt so besonders an diesen schweren Teilen?
Kai Schweda
Die Frage ist, was passiert, wenn ich sehr viel Energie in ein Volumen pumpe,das sehr viel größer ist als ein Proton.Darüber ist noch wenig bekannt. was passiert mit dem Vakuum,wenn ich da sehr viel, sehr sehr viel Energie reinstecke, über ein sehr großesVolumen, groß, wie gesagt, groß im Vergleich zu der Größe eines Protons.Und dann kommen da eben bei einer Proton-Proton-Kollision kommen ein paar hundertTeilchen raus, die erzeugt werden.Bei einer Blei-Blei-Kollision, da habe ich ja, Blei hat 82 Protonen und dieseBleikerne sind völlig nackt. Wir nehmen denen alle Elektronen weg,dass man sie möglichst stark beschleunigen kann. Das heißt, dieser Bleikernist 82 Plus geladen, der hat die Ladung von 82 Protonen.Und dann kommen noch 126 Neutronen dazu. dann habe ich also 208.Nukleon, also 208 Protonen plus Neutronen, habe ich ein sehr großes System,das kollidiert und da entstehen 20.000 geladene Teilchen, nicht nur ein paarhundert. Und das ist der große Unterschied zu ALICE.Wir müssen bei einer einzigen Kollision eine sehr, sehr hohe Teilchenzahldichteuntersuchen können und dafür haben wir einen speziellen Detektor gebaut.Also die Überlegung, was für einen Detektor wir gebaut haben,kommt daraus, was passiert in dieser Kollision.Und es war sehr schnell klar, wenn man am Large Hadron Collider ein Schwerion-Experiment,in dem man Bleikerne kollidiert, bauen möchte, braucht man zunächst mal praktischdie gesamte Physikergemeinschaft, die sich mit so einer Physik beschäftigt.Weil man einfach einen Detektor, weil die Herausforderungen so groß sind aufder Detektorseite, auf der Datenaufnahmeseite vom Rechenanspruch,dass man da praktisch fast alle Physiker, die in dem Feld arbeiten, zusammenbringen muss.Und dann war auch sehr schnell klar, da muss dieser Detektor nicht nur eineTeilmessung machen oder ein ganz besonderes Signal und eine Sonde untersuchenkönnen, sondern sehr breit aufgestellt sein, dass er möglichst alle Signale erkennen kann.
Tim Pritlove
Warum nimmt man Blei? Also es gibt ja sicherlich auch noch schwerere,man kann ja auch Uran nehmen.
Kai Schweda
Ja genau, Uran wurde auch gemacht, nicht Amzern. Dazu braucht man eine bestimmte Quelle.Quelle. Man fängt ja an ein Teilchen zu beschleunigen, in dem es immer zum Beispielim Proton nimmt man das Elektron weg, dann ist es positiv geladen,dann lege ich ein elektrisches Feld an und im elektrischen Feld bewegt sicheine positive Ladung entlang der Feldlinie und wird beschleunigt.Und Blei ist möglichst schwer, Uran ist noch schwerer.Aber für Uran muss man eine spezielle Quelle haben, das hat das CERN nicht,das wurde aber in anderen Experimenten gemacht. Da braucht man eine ganz spezielleQuelle. Das ist also ein technologisches Argument.
Tim Pritlove
Also Quelle im Sinne von, also nicht wo man das Uran her bekäme,sondern wie man das sozusagen erstmal in den Ring überhaupt reinschweißt.Wie man das vorbeschleunigt.
Kai Schweda
Die Frage ist immer, wie fange ich an? Ich habe zuerst ein neutrales Atom,ein Bleiatom oder ein Bleikern.Und da muss ich erst mal den positiv oder auch negativ laden.Ich gebe ihm ein Elektron dazu und ich nehme eins weg aus der Atomhülle unddann fange ich an, das zu beschleunigen.Und das ist die Schwierigkeit bei Uran. Wir hatten auch sehr gerne Uran-Kollisionen.
Tim Pritlove
Okay, also bleiht sozusagen der Kompromiss aus. Da weiß man,wie man es hinkriegt und es ist schwer genug, dass es einen Unterschied macht.
Kai Schweda
Ganz genau, aber der LHC hat auch mittelschwere Kerne schon kollidiert, Xenonkerne.Das hat wunderbar funktioniert. Da hatten wir mal sechs Stunden Strahl mit Xenonkerne.
Tim Pritlove
Und warum ist jetzt sozusagen, also das habe ich noch nicht so ganz verstanden,also klar Protonen aufeinander ballern, das bringt einen schon mal weit undhat auch irgendwie das Higgs-Feld nachweisen können.Was ist jetzt sozusagen die Erwartungshaltung gewesen, wenn man sagt,okay, es ist besser, wenn manjetzt viele Protonen hat, weil man dann mehr sieht oder was anderes sieht?
Kai Schweda
Weil man genau neue Eigenschaften sieht. Man sieht dann plötzlich,das muss ich weiter ausholen, die Protonen sind ja keine fundamentalen Teilchen.Elektron ist ein Elementarteilchen, das hat eine Ladung, das hat eine bestimmteMasse, aber Protonen sind ja ausgedehnt,die bestehen selbst noch mal aus Elementarteilchen, das sind die Quarks.Und das ist eben das fundamentale Teil, die Quarks sind Bestand der Bis dahin.Des Standardsmodells der Teilchenphysik und da gibt es sechs verschiedene Quarks.Ich kann mal aufzählen, die Physiker sind nicht besonders innovativ,wenn sie neue Namen geben.Da gibt es einen Up-Quark und einen Down-Quark und daraus besteht unsere gesamteWelt. Ich kann zwei Up-Quarks nehmen und einen Down-Quark, dann habe ich dreiQuarks und das ist ein Proton.Ich kann andersherum zwei Down-Quarks nehmen, einen Up-Quark,auch wieder drei Quarks, dann habe ich einen Neutron.Da nehme ich noch das Elektron dazu und damit kann ich vom Wasserstoffatom biszum Blei oder Uranatom das komplette Periodensystem bauen.Alles zusammenbauen und das ist unsere Welt, aus der wir auch bestehen,wo aus dieser Tisch hier besteht.Und die Natur hat es aber so eingerichtet, dass es noch eine zweite und dritteGeneration oder Familie, das sind Synonyme, man kann beides nehmen, sagen, gibt.Und kein Mensch weiß, warum es jetzt eine zweite und eine dritte Generation gibt.Es gibt auch genau drei, auch das wurde am LAC untersucht, auch bei anderen Beschleunigern.Gibt es denn nicht noch eine vierte, fünfte, sechste Familie?Gibt es nicht. Zumindest nicht bei den Energien, die uns momentan zur Verfügung stehen.Und das ist eines der großen Rätsel im Standardmodell der Deutschmusik.Warum gibt es drei Familien und genau drei und nicht mehr und nicht weniger?So und dann kommen wir zur starken Wechselwirkung. Die Protonen,diese Quarks, werden zusammengehalten von der starken Wechselwirkung.Wir kennen ja aus der Schule, aus dem Alltag, die elektromagnetische Wechselwirkung,elektrische Ladungen, magnetische Felder.Wir kennen die Schwerkraft, die, die Gravitation, die hat gespielt keine Rolleim Standardmodell der Teilchenphysik, die wird nicht berücksichtigt.Aber es gibt noch zwei im Standardmodell, zwei weitere mikroskopische Kräfte,das ist die schwache Kernkraft oder die schwache Kraft, Die ist zum Beispieldafür verantwortlich, dass ein Neutron zerfällt in ein Proton und ein Elektron und ein Neutrino.Und dann gibt es noch eine Kraft, das ist eben die starke Kraft.Und diese beiden Kernkräfte haben sehr kurze Reichweiten. Wir wissen ja vonder elektromagnetischen Wechselwirkung, die geht unendlich weit.Oder wir sehen, wir spüren die Schwerkraft der Sonne, die 150 Millionen Kilometervon uns entfernt ist, spüren wir, weil die Erde sich eben um die Sonne bewegt.Und diese Kernkräfte haben sehr, sehr kurze Reichweiten, also sehr viel kleinerals die Größe von einem Atom.Deshalb sind die so schwierig zu sehen.
Tim Pritlove
Und deswegen sind sie ja auch im Fokus.Okay, und inwiefern, also was ist jetzt sozusagen die konkrete Perspektive von Alice?Also Alice versucht es quasi so zu betrachten,dass man eben dadurch, dass man diese schweren Bleiatome beziehungsweise nicht die Atome,sondern die Kerne, die Bleikerne kollidieren lässt und diese extreme Teilchendichtezu erzeugen und dann hat man sozusagen die Hoffnung und die Erwartung und mittlerweilewahrscheinlich auch schon die Erkenntnis,dass man daraus dann Schlüsse ziehen kann auf das Wesen dieser Elementarteilchen und dieser Kräfte.
Kai Schweda
Ja, dazu dient, dass ich soweit ausgeholt habe. Diese Quarks,die in den Protonen eingeschlossen sind, die tragen jetzt eine Farbladung,so wie ein Elektron eine elektrische Ladung trägt.Und diese Ladung ist ja Ursache für eine Kraft. Die elektrische Ladung ist dieUrsache für die elektromagnetische Kraft, dass sich ein Proton und ein Elektron anziehen.Und so tragen die Quarks, die tragen auch elektrische Ladung,aber die tragen auch Farbladung und das ist Ursache für die starke Kraft.Und jetzt ist es so, ein freies Elektron können wir beobachten oder wir habendas sogar in dem Collider, vor dem Lärmschadung Collider hatten wir Elektronenund sogar Positronen, freie Teilchen im Ring, die wir beschleunigen konnten.Wir können auch Lichtteilchen, die von der Sonne kommen, können über sehr großeDistanzen sich fortbewegen bis zu uns, zur Erde, bis zu unserem Auge und werden dort dann detektiert.Die Quarks, aufgrund der Tatsache, dass die jetzt noch diese starke Farbladungtragen, dass die in der starken Wechselwirkung teilnehmen, diese Quarks istes uns noch nie gelungen, ein freies Quark zu beobachten.Also die sind eingeschlossen in diesem Proton und egal was man tut,Leuten 40, 50 Jahre lang.Stark danach geschaut, irgendwo im Experiment mal freie Quarks zu beobachten, das ist nie geschehen.
Tim Pritlove
Woher wusste man denn, dass es denn Quarks gibt, wenn man sie nicht beobachten kann?
Kai Schweda
Ah ja, das ist eine interessante Frage, das war in den 1960er Jahren,hat man die Struktur von einem Proton oder auch von Atomkern untersucht,mithilfe von Elektronenstreuung.Das Elektron ist ja ein Elementarteilchen, das hat selbst keine Struktur,das hat also keine Breite, keine Höhe, keine Länge.Es hat keine Dimension. Es ist punktförmig nach allem, was wir wissen.Wir haben noch nie festgestellt, dass das Elektron noch eine Unterstruktur hatund irgendwie ausgedehnt ist.Zumindest mit der experimentellen Auflösung, die wir heute erreichen,die mehr als tausend Mal besser ist als die Größe vom Proton.Also ein Elektron ist punktförmig im Standardmodell.Und mit diesen Elektronen, die hat man auf Protonen geschossen und aus dem gestreutenElektron dann über die Struktur des Protons einen Aufschluss erhalten.Das kann man sich vorstellen, wie wenn die Leute ein Einzelspalt-Experiment kennen.Wenn ich mit Licht auf eine Struktur leuchte, sehe ich, wenn die Lichtwelleungefähr die Größe hat von dem Spalt oder von dem Teilchen, das ich untersuche,dann sehe ich Beugungseffekte.Dann sehe ich eben nicht nur Licht und Schatten, sondern ich sehe Beugungseffekte im Licht.Und daraus kann ich auf die Größe des Deichens schließen. Das hat man gemachtmit Elektronen, also mit Materiewellen.Die Materiewellen haben sehr viel kürzere Wellenlängen als normales Licht,das uns zur Verfügung steht.Und dann hat man nicht nur das Licht gebeugt, man hat auch, das nennen die Physiker,inelastische Kollisionen gemacht.Das hat man mit sehr hohen Energien auch wieder an einen Beschleuniger,der damals die höchsten Energien zur Verfügung gestellt hat,mit Elektronen, die viel Energie hatten, auf den Proton geschossen und aus diesemStreumuster schließen können,dass hier Elementarteilchen mit einer bestimmten Ladung im Proton sind,genauso wie Radaford das vor über 100 Jahren mit am Goldkern gemacht hat mit Alpha-Teilchen.Er hat also ein Streuexperiment gemacht bei hohen Energien und dann gesehen,aha, die Proton haben noch eine innere Struktur.
Tim Pritlove
Weil sie nicht sich punktförmig verhalten, sondern in irgendeiner Form aus etwasanderem komponiert sind?
Kai Schweda
Man hat genau gesehen, das Proton ist ja ausgedehnt, das verhält sich nichtpunktförmig und dann hat man gemerkt, wenn man zu sehr, sehr hohen Energiengeht, sieht das so aus, als würde man wieder an einem punktförmigen Teilchen streuen.Und das sind diese punktförmigen Quarks mit einer Elementarladung von plus zweiDrittel der Elektronenladung oder minus zwei Drittel.
Tim Pritlove
Nur isoliert hat man sie halt nicht bekommen, die Quarks. Vielen Dank.Und das ist das, was Ellis dann versucht.
Kai Schweda
Genau. Das heißt, wenn man jetzt, dazu gibt es auch Rechnungen und schon seitden Anfangen der 1970er Jahren Vorhersagen,wenn man jetzt Kernmaterie genügend aufheizt und oder gleichzeitig komprimiert,also zusammendrückt, dann wird dieser Einschluss zumindest für kurze Zeit aufgehoben.Und dieser Einschluss, wenn man Kernmaterie auf zwei Billionen Grad Celsiuserhitzt, Dann wird dieser Einschluss wieder aufgehoben und die Quarks und Gluonkönnen sich quasi frei bewegen über ein relativ großes Volumen.Beim Collider kann man sich das so vorstellen, wenn ich jetzt Apfelsin habeund mache die in eine Aldi-Tüte und stoße diese zwei Aldi-Tüten mit möglichsthoher Geschwindigkeit zusammen,mit Lichtgeschwindigkeit und dann mache ich die Tüte auf, dann sind diese Apfelsin,das die Protonen und Neutronen sind, die sind dann nicht mehr da,sondern da ist nur noch der Saft da.Und das ist unsere Ursuppe, die aus Quarks und Gluten besteht.
Tim Pritlove
Das Quark, Glut und Plasma?
Kai Schweda
Ganz genau.
Tim Pritlove
Also sozusagen ein neuer Zustand, den man so im Normalzustand nicht antrifft,sondern der nur stattfindet, wenn besonders hohe Energien darauf angewendet werden.
Kai Schweda
Ganz genau. Und der Zugang zur Kosmologie ist folgender, das Olimersium dehntsich ja aus seit seiner Entstehung, seit dem Urknall.Das heißt, heute sind wir ungefähr 13,8 Milliarden Jahre nach dem Urknall.Das Universum hat sich sehr stark abgekühlt.Wenn ich jetzt die Zeit zurückdrehe, würde sich das Universum wieder zusammenschrumpfenund es wird immer dichter und heißer.Und ungefähr wenige Millionsel Sekunden nach dem Urknall war das Universum ebenso heiß, dass da keine Atomkerne bestehen konnten. Selbst die Bausteine derAtomkerne, die Protonen, Neutronen konnten nicht bestehen, weil die Temperaturen so hoch waren.Das heißt, die gesamte Materie, die wir heute sehen, aus der wir auch bestehen,aus der unsere Erde entsteht, aus der die Sonne besteht,Die ganze sichtbare Materie, die wir heute sehen, die lag in so einem Zustandvor, dass wir Quark-Gluten-Plasma nennen.Die gesamte Materie lag, wenn Sie so wollen, als Suppe aus Quark und Gluten vor.Und wir versuchen jetzt am Large Hadron Collider so ein kleines Tropfen dieserUrsuppe wieder herzustellen.
Tim Pritlove
Also sozusagen so ein Blick in den Urknall, könnte man fast sagen.Ich meine, die ganze Urknalltheorie ist ja wirklich bestechend,weil sie ja in gewisser Hinsicht viel von dem erklärt, was wir heute sehen unddieses Gedankenexperiment, quasi das Universum in der Zeit rückwärts laufenzu lassen, hat ja schon zu so einigen Vorhersagen geführt.Und wenn man sich mal vorstellt,heute haben wir halt so ein sich ausdehnendes Universum und wir falten das jetztsozusagen wieder zusammen,dann wird's halt erstmal kleiner und langsamer,jetzt wird's ja immer schneller, Es wird kleiner,langsamer, verdichtet sich irgendwann, man hatte dann,jetzt hab ich die Zahl vergessen, an bestimmten Zahl von Jahren nach dem eigentlichenKnall diesen Moment, wo alles soweitsich aufheizt, also normalerweise die Abkühlung jetzt heizt sich auf,dass gar kein Licht mehr frei fließen kann und das ganze Universum sozusagen undurchsichtig wird.Und wenn man es jetzt immer weiter komprimiert und die Temperatur immer weiter zunimmt,sind halt also all diese ganzen Strukturen, wie wir sie heute kennen,so gar nicht mehr da und alles besteht eigentlich nur noch aus so einer Suppeaus Elementarteilchen, in diesem Zustand der totalen Hitze nicht in der Lagesind, sich zu verbinden.Aber in dem Moment, wo man alles expandiert und sich abkühlt stellen sich sozusagendiese Verbindungen her und mit die erste Verbindung,die sich herstellt ist sozusagen, dass die Quarks durch diese Gluonen zusammengehaltenwerden und sich damit überhaupt erst Protonen bilden, die dann später zu Atomen werden.
Kai Schweda
Ganz genau. Dieser Zeitpunkt istauch ganz wichtig in der Geschichte des Universums, den du genannt hast.Nach ungefähr 380.000 Jahren hat sich das Universum soweit abgekühlt durch dieAusdehnung, durch die Expansion, dass die Protonen sich Elektronen eingefangenhaben. Dann gab es also elektrisch neutrale Atome.Und erst ab dem Zeitpunkt wurde das Universum durchsichtig oder transparentfür Licht, für Photonen.Vorher wurden die ständig von diesen Elektronen und Protonen absorbiert, wieder emittiert.Und zu dem Zeitpunkt war das Universum also opak, undurchsichtig.Und erst nach 380.000 Jahren, als sich die meisten Teilchen dann als elektrisch-neutraleAtome zusammengefunden haben, wurde das Universum transparent.Also das Licht, das wir vom Urknall sehen, entstand 380.000,Jahre nach dem Urknall und wir können nicht weiter in die Vergangenheit zurückschauen,weil das Universum opaq war und mit so einem Quark-Klon-Plasma kommen wir biswenigste Millionstel Sekunden an den Urknall ran.Also viel, viel weiter zurück in die Entwicklung des Universums.
Tim Pritlove
Jetzt natürlich die Frage, wie baut man sowas? Wie kriegt man das hin?Hin, weil die Kollision alleine mag das ja, also ich weiß gar nicht,was man sozusagen bauen muss, um überhaupt die Kollision zu ermöglichen unddann vor allem wie kriegt man das Ganze beobachtet.Wie ist so ein Detektor aufgebaut, wie groß ist der?
Kai Schweda
Also groß, der ist sehr groß. Unser Detektor ist 16 Meter hoch,10 Meter breit, 10 Meter tief und der ist um die Wechselwirkungszone,wie wir sie nennen, also der Bereich,in dem beide Strahlen, Teilchenstrahlen, am Large Hadron Collider zusammenstoßen.Das heißt, die Teilchenstrahlen sind erstmal unabhängig, die laufen im Strahlohr,das evakuiert ist, da ist ein Ultra-Hochvakuum drin, 10 minus 11 Millibar.Und ein Strahl, ein Teilchenstrahl, das sind also Bündel von Teilchen,Bündel von Protonen oder Bündel von Atomkernen, von nackten Atomkernen,die laufen im Irr-Uhrzeigersinn.Und beim Collider habe ich einen zweiten Teilchenstrahl, der läuft eben gegen dem Uhrzeigersinn.Und da, wo die Experimente stehen, da werden die Strahlen überkreuzt und zur Kollision gebracht.Und um diese Kollisionszone bauen wir einen Detektor herum, um eben die neuenTeilchen, die in der Kollision entstehen, nachweisen zu können.Wir wollen wissen, was sind das für Teilchen, welchen Impuls haben die?Und was sind das für Teilchen? Ist das ein Pion, ein Proton oder irgendein anderesTeilchen aus dem Super-Thoma und so, die das ganze griechische Alphabet bevölkern.
Tim Pritlove
Okay, aber wie, was muss man jetzt bauen und warum muss das Ding 16 Meter groß sein?
Kai Schweda
Ja, also so ein Teilchen, wenn es aus der Kollisionszone kommt,jetzt sagen wir die Bleikerne stoßen zusammen und dann, unser Detektor sitztja praktisch senkricht zur Strahlrichtung. Das Strahlrauer ist ja gerade in der Kollisionszone.Natürlich ist der Ladschadonkollein ein Ring, aber entlang der Kollisionszoneist das gerade. Und um diese Kollisionszone herum bauen wir den Detektor.Jetzt wird ein Teilchen in der Kollision, in diesem Ultrahochwakuum erzeugt.Dann macht sich das auf den Weg zu unserem Detektor. Das Erste,was es sieht, ist das Strahlrohr.Das muss ja durch das Strahlrohr durch. Im Strahlrohr ist Hochvakuum.Außerhalb vom Strahlrohr ist normaler Druck. Da können wir beide hingehen unduns den Detektor angucken und den reparieren oder was Neues einbauen.Das heißt, es muss erst durch das Strahlrohr durch. Und was wir,speziell in ALICE, aber das machen auch die anderen Experimente,tun ist, wir wollen möglichst niederenergetische, wir wollen möglichst alle Teilchen nachweisen.Das heißt, wir wollen die messen, aber möglichst wenig stören.Jede Materie, die das Teilchen auf dem Weg zum Detektor und Limit-Detector durchdringenmuss, stört das Teilchen. Das verliert Energie, das weicht ein bisschen vonseiner Bahn ab, die es ursprünglich hatte. Also wir versuchen möglichst minimalinversivdie Teilchen nachzuweisen.Jetzt geht das durch das Strahlor durch. Das heißt, allein das Strahlor istschon ein Hightech-Ausrüstungsgegenstand.Das wird aus extrem stabilen und leichtem Material gebaut, aus Beryllium.Dass eben die Teilchen möglichst wenig gestört werden. Allein das Strahlor kostetschon eine Million Schweizer Franken.Und das ist sehr, sehr brüchig. Das heißt, wenn wir den Detektor upgraden odererarbeiten, nehmen wir das Strahlor raus oder schützen es so,dass wenn einer mit dem Helm dran stößt oder aus Versehen da drankommt,dass das nicht kaputt geht.
Tim Pritlove
Weil das Beryllium ist so ein brüchiges Material.
Kai Schweda
Es ist sehr brüchig, giftig undtoxisch und hat aber natürlich sehr gute Eigenschaften für die Teilchen.Ja, sehr brüchig. Ich denke, man könnte das durch einen leichten Stoß mit einemharten Gegenstand sofort zerstören.
Tim Pritlove
Okay.
Kai Schweda
So, und dann hat es das Strahlrohr durchdrungen und dann kommt schon sehr knappnach dem Strahlrohr, wir versuchen auch möglichst nah an der Kollisionszoneschon die Teilchen nachzuweisen.Dann haben wir einen langen Hebelarm später, wenn wir das Teilchen,den Impuls zum Beispiel bestimmen.Und da sitzen dann Siliziumdetektoren, das heißt das sind sehr dünne Lagen vonSilizium und wenn das Teilchen durchgeht, macht es wieder das gleiche wie esein Strahlung macht, es deponiert Energie.Das ist einfach, das Teilchen ist elektrisch geladen und das wechselwirkt vorallem mit den Elektronen aus der Atommülle oder aus dem Festkörper von Silizium.Wechselwirkt das und deponiert da wie eine Energie durch die elektromagnetische Wechselwirkung.Und diese Energie, die im Detektor deponiert wird, die weisen wir nach.Das heißt, ich habe da Elektronen, die kann ich verstärken und am Ende habeich eine Pulshöhe, die ich messe und dann digitalisiere.
Tim Pritlove
Also das Teilchen bewirkt letzten Endes einen Strom, der in diesem System fließt?
Kai Schweda
Ja, einen Strom oder einen Spannungspuls, genau.Strom über den Widerstand ist eine Spannung.
Tim Pritlove
Das klingt jetzt alles sehr klein.Warum ist das dann 16 Meter groß?
Kai Schweda
Ja, wir messen jetzt, wir wollen das Teilchen nicht nur nachweisen,wir wollen auch sehen, welchen Impuls hat das, also welche Energie hat das Teilchen.Oder fangen wir beim Impuls an.Das heißt, die Messtechnik ist folgende, das ist an allen Experimenten gleich,bei den Spurdetektoren.Wir legen ein Magnetfeld an und ein geladenes Teilchen, wenn man sich an dieSchule erinnert, spürt im Magnetfeld, wird das auf eine Kreisbahn gezwungen.Das ist die Lorentz-Kraft.Und wenn ich also das Magnetfeld sehr gut kenne und die Spur,ich messe die Spur, ich messe mit meinen Detektoren sukzessive bestimmte Punkteentlang der Teilchenbahn, was das Teilchen nimmt,dann kann ich den Radius, den Krümmungsradius von dieser Kreisbahn,dass das Teilchen nimmt im Magnetfeld, sehr genau messen.Ich mache also eine Ortsmessung und aus dem Krümmungsradius kenne ich dann den Impuls.
Tim Pritlove
Über was für Distanzen reden wir jetzt hier, die diese Teilchen da jetzt durchschlagen?
Kai Schweda
Also unser Detektor, der Siliziumdetektor ist vielleicht 50,60 Zentimeter im Radius. Das ist so eine Tonne, sehr leicht.Ist 50 Zentimeter im Radius in verschiedenen Lagen. Die erste kommt bei etwa2 Zentimetern, das geht dann hoch bis 60, 70 Zentimeter und ist vielleicht zwei Meter lang.Zwei bis vier Meter lang.
Tim Pritlove
Verschiedene Lagen von Silizium?
Kai Schweda
Das ist die gleiche Technologie.
Tim Pritlove
Und das Silizium liegt jetzt, wie muss man sich das vorstellen,so als Blätter oder als Rohre oder als solide Masse?
Kai Schweda
Ja ein Rohr ist schon ein guter Punkt, weil unsere Geometrie ist zylindrisch.Das heißt der Detektor hat auch eine zylindrische Form.Das sind Leitern, das sind einzelne Lagen von Silizium,die quasi in so einer Faske, im Englischen sagen wir dazu Barrel,das hat eine zylindrische Form und da tun wir einzelne Lagen von Silizium beibestimmten Radien anbringen, wo das Teilchen dann durchgeht.Dieses Silizium ist sehr dünn. Das sind ungefähr 50 Millionen Meter.Das sind sehr, sehr dünne Siliziumlagen, wie gesagt, um das Teilchen möglichst wenig zu stören.
Tim Pritlove
Ja, okay. Gut. Also muss ich das, ich will jetzt nicht Alufolie sagen, aber das...
Kai Schweda
Alufolie ist viel dicker. Alufolie ist 100 Mikrometer, 150 Mikrometer. Aber so ist das...
Tim Pritlove
Okay, aber wir reden jetzt nicht von Platten und dicken, fetten Gehäusen,sondern wirklich sehr dünne Schichten von dem Material.
Kai Schweda
Genau. Also unser Detektor ist zwar riesig, aber der aktive Detektor,in dem die Teilchen nachgewiesen werden, der ist so leicht, der würde sogar in Milch schwimmen.
Tim Pritlove
Um ein populäres Bild zu bedienen.
Kai Schweda
Die Älteren kennen das noch, meine Kinder kennen das.
Tim Pritlove
Ich habe es auch schon mal gehört. Ja, okay. Also das ist so diese innersteSchicht, die sozusagen, das ist das erste, was man sozusagen beobachtet ist. Wo fliegt's lang?Und dadurch, dass das Teilchen dann mehrere dieser Schichten durchschlägt,kann man sehen, wo es lang fliegt. Also man hat sozusagen auf jeder dieser Folienquasi so eine zweidimensionale Ortungsmöglichkeit.Man sieht wo es genau aufschlägt.
Kai Schweda
Ganz genau. Es sind aber drei, weil ich ja weiß, wo der Detektor steht,bei welchem Radius. Also ich messe wirklich in drei Dimensionen die Teilstrecke.
Tim Pritlove
Dadurch auf welcher Folie es aufschlägt. Das ist dann die dritte Dimension.Aber pro Folie erreicht man diese zwei. Wie kann man merken, wo es genau aufschlägt?
Kai Schweda
Die Siliziumlage hat eine Granularität und diese Folie ist segmentiert in was wir Pixel nennen.Und diese Pixel haben eine Größe von momentan, wir haben gerade ein wesentlichesUpgrade vom Detektor gemacht, wir haben unseren alten Siliziumdetektor rausgeschmissen.Der steht jetzt in der Ausstellung, können wir uns angucken,wenn du nachher Zeit hast.Und jetzt ist das alles aus Siliziumpixelsensoren gebaut und diese Pixel habeneine Größe, also das ist die zweidimensionale Messung von 30 x 30 Mikrometer.Also sie sind 30 Mikrometer lang in x- und y-Richtungen, in zwei Richtungen.Wenn dieser Pixel jetzt anspricht, weiß ich, das Teilchen muss durch diesesSegment gelaufen sein und ich kenne tatsächlich dann die Position sehr vielbesser als 20 Mikrometer, es sind vielleicht dann 8 Mikrometer oder so.Also durch die Granularität dieser einzelnen Pixel, dass das segmentiert ist,Diese Siliziumfolie ist segmentiert in sehr sehr kleine Pixel.Dadurch kommt die Hoher Ortshauflösung.
Tim Pritlove
Aber was führt dazu, dass man das in einem Pixel detektieren kann?Also geht von jedem Pixel noch irgendwie nochmal ein...Draht weg? Natürlich. Okay, also das ist sozusagen… Ah gut, ja.Das ist ja dann sehr dünn der Draht.
Kai Schweda
Ja, ja, das ist die hohe Kunst. Und wir haben den, würde ich sagen,den modernsten Siliziumdetektor, den es gibt in der Welt. Den haben wir gerade eingebaut.Dieser Pixel ist wie gesagt 20 oder 30 mal 30 Mikrometer in der Ausdehnung unddann hat er eine Dicke von vielleicht 50 Mikrometern.Und jetzt schlägt das geladene Teilchen da durch, deponiert also Energie,kreiert freie Elektronenlochpaare und diese werden gesammelt und diese Elektronen,die frei werden, werden wieder eingesammelt und machen dann ein elektrischesSignal, das sich verstärken kann mit Elektronik.Und das passiert alles auf diesem Mini-Chip.Also die ganze Digitalisierung passiert auf dem Chip, die Auslöse-Elektronikist Teil dieses Pixel-Chips.Und dann geht natürlich eine Datenleitung raus ans Ende des Detektors,ans seitliche Ende und dann werden die Daten weggeschickt per Glasfaserkabel.Das heißt, das ist alles schon digitalisiert. Was aus unserem Detektor rauskommtsind nur Nullen und Einsen.
Tim Pritlove
Ja, ich meine deswegen heißt es ja auch Pixel, letzten Endes ist es ein Bildelement,das heißt ja Pixel, in dem Fall halt ein dreidimensionales Bildelement und dasdann eben auch über die Zeit im Verlauf.Also man kann sowohl den Ort als auch die Geschwindigkeit damit messen.
Kai Schweda
Also zunächst misst man erst mal nur den Ort und die Geschwindigkeit misst manja, eigentlich hat man dann vier Dimensionen, die Drei-Raum-Dimensionen und die Zeit, das stimmt.Wenn ich den Kollisionszeitpunkt genau bestimme, kann ich die Zeit messen bismein Pixeldetektor anspricht, dann weiß ich wie lange das Teilchen von seinerEntstehung vom Kollisionsort bis zum Detektor gebraucht hat.Und dann kenne ich die Flugzeit.
Tim Pritlove
Und das ist auch eine relevante Information?
Kai Schweda
Natürlich, wir haben auch einen speziellen Flugzeitdetektor,sehr viel weiter draußen bei 3,70 Meter Radius.Und man möchte natürlich die Flugzeit möglichst lange machen,dass man bei einer bestimmten Zeitauflösung relativ ist, dann die Auflösungsehr viel besser. Je länger die Flugstrecke ist, desto länger ist die Flugzeit.Und wie gesagt, den Impuls habe ich schon bestimmt über die Krümmung im Magnetfeld.Und jetzt habe ich noch die Geschwindigkeit gemessen durch eine Flugzeitmessung.Und Impuls ist Masse mal Geschwindigkeit im Klassischen.Das heißt, wenn ich Impuls und Geschwindigkeit bestimme, weiß ich,welche Masse das Teilchen hat. Und bei Teilchen ist es so.Die haben eine ganz bestimmte Masse, die sich auch nie ändert.Das ist also ein Fingerabdruck für ein Teilchen, welche Masse das hat.Du und ich, unser Gewicht ändert sich im Laufe unseres Lebens,aber für ein Teilchen ist das immer gleich.Und das heißt, wenn ich die Teilchenmasse kenne, weiß ich, welches Teilchendas ist. Dann weiß ich, war es ein Proton, war es ein Pion oder sonst was.
Tim Pritlove
Und was kann man der Bahn ansehen dann?
Kai Schweda
Den Impuls. Damit misst man den Impuls.
Tim Pritlove
Aber letzten Endes Ziel ist eigentlich nur die Masse, also anhand der Bahn,weil man dann Bahn und Impuls auseinander halten kann, also Zeit und Impulsauseinander halten kann, kommt man auf die Masse und damit weiß man welches Teilchen es ist.Das ist also letzten Endes die einzige Information, die ich gewinne,welche Teilchen entstehen.Wo die dann lang fliegen ist eigentlich gar nicht interessant,weil das nur das Hilfsmittel ist, um rauszufinden, worum es sich handelt.
Kai Schweda
Nein, das ist der erste Schritt. Ich bestimme ja das Teilchen,den Impuls und auch die Richtung. Ich bestimme die Pulsrichtung,also nicht nur die Größe. Ein Puls ist ja ein Vektor, der hat drei Richtungen.Also ich weiß auch, in welche Richtung das Teilchen geflogen ist von seiner Entstehung aus.Also kinematisch habe ich dann das Teilchen vollständig bestimmt.Ich weiß genau den Impuls und was es ist, was für ein Teilchen es ist.Und dann kann ich bei diesen 20.000 Teilchen, die bei uns in der Kollision entstehen,kann ich das mit anderen Teilchen korrelieren.Ich kann die gesamte kinematische Information benutzen und dann eben Korrelationzwischen einem und weiteren Teilchen bestimmen und dann zum Beispiel die Wechselwirkungzwischen diesen beiden Teilchen studieren.Das ist ganz wichtig, um Neutronensterne zu verstehen.Ich kann dann die Wechselwirkung, die starke Wechselwirkung zwischen diesenbeiden Teilchen untersuchen.
Tim Pritlove
Okay, zu den wissenschaftlichen Auswertungen oder den Schlussfolgerungen kommenwir vielleicht noch dazu.Aber wir haben ja jetzt wie viele Zentimeter an Technologie gerade jetzt beschrieben von innen?
Kai Schweda
Von innen haben wir zunächst das Strahlrohr, das kommt so nach zwei Zentimeternoder 1,8 Zentimetern Flugrichtung in radiale Richtung.Dann kommt der Silizium-Detektor, da bin ich bei etwa 70 cm Entfernung vom Kollisionsvertex.Und dann kommt, salopp gesagt, eine große Tonne, das ist unsere Zeitprojektionskammer,und die ist mit Gas gefüllt. Also die hat eine sehr, sehr geringe Dichte, das ist der Grund.Ein Gas hat ungefähr 100 bis 1000 Mal weniger Dichte und damit Material alsein Festkörper, als Silizium.Und diese Tonne geht von 80 cm Radius bis 2,50 m.Also das ist der radiale Abmessung, das heißt diese Zeitprojektionskammer hateinen Durchmesser von fünf Metern.
Tim Pritlove
Was ist da für ein Gas drin?
Kai Schweda
Da ist ein Edelgas drin, das haben alle Gasdetektoren. Das heißt in diesem Gaspassiert etwas sehr ähnliches wie im Siliziumdetektor.Das geladene Teilchen fliegt durch dieses Gas und knockt da Elektronen aus dem Edelgas raus.Das heißt, da entstehen freie Ladungsträger, die Elektronen,und die werden mit einem elektrischen Feld abgesaugt.Da legen wir 100.000 Volt an und dann driften diese Elektronen in Richtung derEndkappe von unserer großen Tonne.Und durch den Auftreffpunkt wissen wir schon wieder die X- und Y-Koordinate.
Tim Pritlove
Das heißt, nachdem man so die ursprüngliche Ableitung,die durch dieses am Zentrum des Detektors befindlichen Magnetfelds beobachten kann,dann fliegt es mehr oder weniger gerade weiter und innerhalb dieser Time ProjectionChamber heißt es glaube ich, TPC, geht es eigentlich nur darum,eine gerade Flugrichtung, weil dann wird es ja nicht mehr weiter abgelenkt,dann fliegt es einfach gerade aus?
Kai Schweda
Ich habe nicht dazu gesagt. Unser gesamter Detektor steckt in einem riesigenMagneten, das ist der größte warmleitende Magnet der Welt. Das heißt auch inder Zeitprojektionskammer ist ein Magnetfeld.
Tim Pritlove
Okay.
Kai Schweda
Ja, also wir haben einen Solenoiden, das heißt eine Spule,wenn ich einfach eine Spule wickele mit vielen, vielen Windungen und lege dannStrom an, dann habe ich im Spulen, innerhalb der Spule ein sehr homogenes Magnetfeld,das entlang der Spulenachse geht.Und so ist auch unser Magnet gebaut. Das ist ein Solenoid. Also ich habe eineriesige Kupferspule und die erzeugt ein Magnetfeld, das entlang der Strahlachse geht.Und in diesem riesigen Magnet befinden sich alle unsere Detektoren.Und das macht das große Gewicht aus von ALICE, das sind ungefähr 10.000 Tonnen.Das ist einfach der Stahl aus dem Rückflussjoch des Magneten.Der Magnet wiegt 10.000 Tonnen.
Tim Pritlove
Okay, aber ich als kollidierendes Teilchen bin ja sozusagen immer noch auf meinemWeg von der Mitte nach wo auch immer es mich leitet.Ich bin jetzt also sozusagen von diesen inneren Magnetfeldern nach der Kollision abgelenkt worden,habe diverse Schichten Siliziumfolie sehr dünn durchschlagen,dabei meine Spur hinterlassen sozusagen gesagt,wo ich jetzt lang geflogen bin und letzten Endes habe ich mich dadurch auchschon verraten, was ich eigentlich bin und jetzt fliege ich irgendwie weiterdurch diese Time Projection Chamber, die diese Gas gefüllte Kugel?Zylinder. Und ein Zylinder drumherum,also auf jeden Fall habe ich jetzt noch mal ein paar Meter vor mir durch Gasund was genau kann man da messen?Also misst man nur wo es auftrifft letzten Endes am Ende dieser Kammer oderist das schon auch eine Beobachtung innerhalb des Weges dort?
Kai Schweda
Ja, also wir sind immer noch im Magnetfeld. Ich bin immer noch auf einer gekrümmtenSpur und ich messe 159 Punkte entlang dieser Spur in diesem Gas.
Tim Pritlove
Aber wie kann man denn in dem Gas was messen? Da gibt es doch keine Drähte.
Kai Schweda
Ganz genau. Das ist der große Vorteil von der Zeitprojektionskammer.Ich habe da auch keine toten Zonen. Ich bin aktiv im gesamten Gas.Also noch mal das geladene Teilchen geht durchs Gas, ionisiert diese Gasatome,also schlägt Elektronen raus, entlang seiner Teilchenspuren.Jetzt habe ich entlang dieser Spur überall Elektronen.Jetzt lege ich ein elektrisches Feld an und zwar auch wieder in Richtung derStrahlaxe. Das heißt, diese Teilchenspur wird dann, diese Elektronen werdendann Richtung Endkappe beschleunigt.Das ist so, wie wenn ich in den Himmel schaue und sehe ein Flugzeug,ein schweres Flugzeug mit Jetantrieb.Dann kann ich gucken, im Himmel habe ich Kondensstreifen. Und auch wenn dasFlugzeug schon lange weg ist, kann ich immer noch sagen, welchen Weg das Flugzeuggenommen hat, indem ich den Kondensstreifen anschaue. Und bei uns im Detektorgasist das die Ionisationsspur.Das ist einfach diese Wolke von Elektronen, die entlang der teilschen Spuren entstehen.Und jetzt kann ich da natürlich nicht mit dem Auge reingucken.Ich nehme ein elektrisches Feld und die Elektronen werden dann in Richtung Endkappe.Die gesamten Elektronen entlang der teilschen Spur werden in Richtung meinerEndkappe über eine Distanz von 2,50 Meter transportiert und kommen dann an der Endkappe an.Und da habe ich dann wieder Auslesesegmente, die eben diese auftreffenden Elektronendetektieren und das ist segmentiert in der Art und Weise,dass ich eben an dieser Endkabel 100 bis zu 159 Segmente habe,die diese ankommenden Elektronen detektieren.
Tim Pritlove
Erklärt für mich auch gerade so ein bisschen wieder mal, warum einfach dieseenormen Beschleunigungen eigentlich erforderlich sind,damit halt auch noch diese rausgesprengten Teilchen am Schluss so viel Alarmmachen können, dass sie irgendwie über so über Meter hinweg so viel Nebenwirkungenerzeugen, dass man die sogar noch messen kann.
Kai Schweda
Um genau zu sein, passiert mit den Elektronen gar nichts. Die werden nur transportiertvon ihrer Entstehung bis an die Endkappe. Sonst passiert mit den Elektronen nichts.
Tim Pritlove
Ja gut, aber sie müssen ja auch erst mal freigeschlagen werden.
Kai Schweda
Das macht das Teilchen.
Tim Pritlove
Das macht das Teilchen. Dazu muss das Teilchen aber auch ordentlich Performance am Start haben.
Kai Schweda
Ja, wenn man jetzt so schaut, aus der Schule kennt man das vielleicht,um ein Elektron abzulösen von einem Atom, braucht man die Größenordnung,Unsere Einheit ist Elektronenvolt, braucht man in Größenordnung paar Kilo Elektronenvolt.Unsere Teilchen haben Milliarden Elektronenvolt. Also der Energieverlust,den die Teilchen erleiden, indem sie Elektronen rausschrauben, ist minimal.Den kann man fast vernachlässigen. Das heißt, wir kriegen also primäre Elektronen,die kommen aus der Ionisation des Gases, durch das ursprüngliche Teilchen.Die müssen wir dann noch verstärken und das passiert an den Endkappen.Und da haben wir dann Zeldrähte, wo eben ein sehr starkes, hohes elektrischesFeld erzeugen, dass man so eine Lawine von weiteren Elektronen erzeugen kann.Also die Signalverstärkung passiert erst am Ende.
Tim Pritlove
Und warum ist jetzt diese Kammer so wertvoll und warum ist die noch da?Man hat ja im Prinzip den Weg und die Kurve sozusagen und auch schon die Bestimmung,worum es sich handelt und was der Impuls ist, hat man ja im Prinzip schon.Was ist sozusagen auf diesen zusätzlichen Metern noch der weitere Informationsgewinn?Ändert sich da noch viel dran?
Kai Schweda
Ja, erst mal je länger ich diese Spur verfolge, desto größer ist meine Auflösung,also desto präziser kann ich den Impuls bestimmen.Das ist einfach ein Hebelgesetz, wenn man so will. Je länger der Arm ist,desto stärker meine Kraft und genauso ist das bei einer Teilchenspur.Die Zeitprojektionskammer misst Spuren über eine Länge von 2,50 Meter.Der Siliziumdetektor nur über eine Länge von 70 Zentimetern maximal.Und das führt zu einer sehr, sehr viel besseren Impulsauflösung,zumindest mit dem Detektor, den wir bisher die letzten zehn Jahre benutzt haben,also dem Siliziumdetektor.Und dann ist eine Zeitprojektionskammer. Wir haben ja sehr hohe Teilchenmultiplizitäten.Wir haben eine sehr hohe Anzahl von geladenen Teilchen im Detektor in diesemPlei-Plei-Kollision. Und da ist eine Zeitprojektionskammer unschlagbar.Die kann das am allerbesten solche hohen Multiplizitäten auflösen.Wir messen, wir meisen jedes einzelne Teilchen nach und wir sagen auch bei jedemeinzelnen Teilchen, was für ein Teilchen das ist. Und das kann am allerbesteneine Zeitprojektionskammer.
Tim Pritlove
Und das tut man für wie viele Teilchen bei so einer Kollision, wie oft pro Sekunde?
Kai Schweda
Also wir haben bis zu 20.000 Teilchen pro Kollision.Und jetzt nach unserem, wir hatten ja zwei Jahre lang Strahlpause am Large HadronCollider, seit einem Jahr, seit letztem Jahr messen wir wieder.Wir haben quasi einen brandneuen Detektor. Die Zeitprojektionskammer ist noch da als Gasvolumen.Aber die gesamte Auslese an den Endkappen, was praktisch 90 Prozent der Arbeitist, die haben wir komplett erneuert mit einer sehr viel schnelleren Auslese,weil wir jetzt dieses Jahr kriegen wir die ersten Bleikollisionen bei hoher Rate.Wir werden diese bis zu 20.000 Teilchen 50.000,mal in der Sekunde kollidieren, zwei Bleikerne im Detektor.Also es sind gigantische Kollisionsraten für uns und da entstehen auch gigantische Datenvolumen.
Tim Pritlove
Was kommt da für ein Datenstrom raus?
Kai Schweda
Das ist der Nachteil bei einer Zeitprojektionskammer, die spuckt sehr,sehr viel Daten aus. Das Datenvolumen ist enorm groß, das macht über 90 Prozentunseres Datenvolumens aus und die wird liefern 3.500,Gigabyte pro Sekunde und das 24 Stunden am Tag. 3.500 Gigabyte?Ja, das sind 3,5 Terabyte pro Sekunde.3.500 Gigabyte sind 3,5 Terabyte pro Sekunde und wenn wir das einen Monat laufen lassen,haben wir eine Disk, wo wir die Daten speichern und ein Jahr behalten könnenund die ist 100 Petabyte groß, also 100.000 Terabyte.
Tim Pritlove
Ok und eine Datenrate von 35 Terabit pro Sekunde. Das ist schon ganz ordentlich.Da braucht man eine amtliche Netzwerktechnik auf jeden Fall.
Kai Schweda
Terabyte. Wir haben Terabyte.
Tim Pritlove
Ja ich hab's auf Bit hochgerechnet, weil das ist ja für Übertragung meistens so die eine.Also auf jeden Fall eine Menge, also sozusagen viele Festplatten pro Sekunde.Also es ist so als ob da die ganze Zeit jemand mit Festplatten durch die Gegend fährt.
Kai Schweda
Also ich habe mal geschaut, wenn ich sehe was der Datenstrom in ganz Europaist von 500 Millionen Menschen, das ist weniger.
Tim Pritlove
Im Internet?
Kai Schweda
Ich glaube da sind alle Sachen dabei, Datastreaming, E-Mail, Internet.
Tim Pritlove
Aber was sozusagen über das Internet geht.
Kai Schweda
Ja und unser Detektor spuckt da mehr Daten aus. Das heißt wir können das auchnicht irgendwo hinschicken und analysieren.Deshalb haben wir bei Alice ein Computerzentrum, eine Compute Farm aufgebaut,die diese Daten analysiert.Wie gesagt die kommen vom Detektor schon digital.Das heißt wir haben keinen Informationsverlust, keinen Qualitätsverlust im Signalund diese 3500 Gigabyte pro Sekunde reduzieren wir schon in Echtzeit,also während wir den Detektor betreiben auf 100 Gigabyte pro Sekunde und dieschreiben wir dann auf Disk.Was wir auf Disk rausschreiben ist ein Faktor fast 40 weniger.
Tim Pritlove
Ja klar, also wenn man da keine Kompression machen würde, aber das lässt sichglaube ich ganz gut komprimieren dann auch so das Material.
Kai Schweda
Also wir haben zur Kompression, das ist weitgehend eine verlustfreie Datenkompression,haben wir 50.000 CPUs, Prozessoren und 2000 grafische Prozessoreinheiten, also GPUs.Also das was mein Sohn in der Playstation hat, das sind schon sehr gute Grafikkarten,die eben sehr schnell rechnen müssen, weil sie eben diese sehr aufwendige Grafik rechnen können.Das heißt, die können sehr gut parallel rechnen, also mehrere Rechenschnittein einem Durchgang machen und unsere sind also noch ein bisschen besser,aber von den gleichen Anbietern, die auch Spiele, PCs herstellen.Und davon haben wir 2000. Und die machen diese Datenreduktion speziell für dieZeitprojektionskammer.
Tim Pritlove
Wenn ich jetzt richtig gerechnet habe, sind wir jetzt 5 Meter vom Kollisionsortweg, fehlen ja noch ein paar Meter.War es das schon mit der Detektion oder wird noch darüber hinaus auch noch detektiert?
Kai Schweda
Okay, also wir dürfen nicht Durchmesser und Radius verwechseln.Das habe ich vorhin schon gemacht.
Tim Pritlove
Durchmesser habe ich gesagt.
Kai Schweda
Also das Teilchen hat jetzt 2,50 Meter hinter sich, das heißt es verlässt dieZeitprojektionsgraden.Dann kommt ein Detektor, der kam ein bisschen später,also ein Subdetektor, ein Teil von ALICE, den haben wir ein bisschen spätereingebaut und der kann ganz besonders Elektronen identifizieren über einen bestimmtenphysikalischen Effekt, wir nennen das Übergangsstrahlung.Da nimmt man einfach ein Medium, das zwei verschiedene Dielektrizitätskonstantenhat, Das ist das Epsilon-R, wenn man das in der Schule mit dem Plattenkandensator rechnet.Auf jeden Fall tut dieser Detektor besonders Elektronen gut selektieren.Die meisten Teilchen sind stark wechselwirkende, das sind die Pionen und wie sie alle heißen.Und diese nicht stark wechselwirkenden Teilchen, wie das Elektron oder das Myon,das ist ja ein schweres Elektron, das ist zweieinhalb mal schwerer als ein Elektron,die werden nur sehr selten erzeugt und die will man rauspicken.Die würde man eben selektieren und das kann dieser Detektor,der dann bei 3,50 Meter Radius kommt.Oder 2,90 Meter bis 3,50 Meter.
Tim Pritlove
Warum will man die rauspicken, weil die so selten sind?
Kai Schweda
Die sind selten und die meisten Teilchen, wir messen ja keine freien Quarks,wir messen auch viele Teilchen,die sind so kurzlebig, die werden in der Kollision erzeugt.Sind die langlebigen Pionen, K und Protonen und dann noch Elektronomie und dasist im Wesentlichen, was man sieht im Detektor.Und alles andere zerfallen, zum Beispiel auch Teilchen, die diese schweren Quarkstragen, die Charm-Quarks und Beauty-Quarks und die zerfallen mit einer bestimmtenWahrscheinlichkeit in Elektronen oder Elektronen-Positron-Paare.Und wenn man jetzt Elektronen und Positronen selektieren kann,kann man diese Mutterteilchen wieder rekonstruieren.Genau aus dem Grund, weil wir alles, was wir mit dem Detektor messen,kinematisch vollständig bestimmen.Und das sind besondere Proben für das Quark-Klone-Plasma. Daraus kann ich waslernen, welche Eigenschaften dieses Quark-Klone-Plasma hat.
Tim Pritlove
Okay, das heißt wir sind jetzt über die 2,50 Meter. Jetzt bin ich wieder beimRadius. Wie weit hinaus?
Kai Schweda
Jetzt kommt der Übergangsstrahlungsdetektor. Der geht von 2,70 bis 3 Meter unddann schließt sich dieser Flugzeitdetektor an.Also der sagt dann nur noch, aha ich habe ein Teilchen gesehen und macht alsonur noch eine Zeitinformation, wenn ich bei 3,70 Meter in diesen Flugzeugdetektoreinschlage, bei Radius 3,70 Meter.Ich glaube jetzt habe ich auch ein bisschen die Zahlen durcheinander gemacht.Der Flugzeugdetektor ist bei 3,70 bis 3,90 Meter.Der liefert ein sehr genaues Zeitsignal und das kann ich der Teilchenspur zuordnenund weiß ich, aha dieses Teilchen, das sich auf den Weg gemacht hat,ist nach dieser Zeit in meinem Flugzeugdetektor angekommen, bei einem Radius von 3,70 Meter.Ich muss natürlich die Krümmung im Magnetfeld berücksichtigen,aber ich kenne praktisch die Länge, die Flugzeit, den Weg, den das Teilchengenommen hat, kenne ich dann sehr genau.Also den Flugweg und die Flugzeit und dann kenne ich die Geschwindigkeit unddann weiß ich, wer es war.
Tim Pritlove
Da weiß man, womit man es zu tun hat.
Kai Schweda
Ganz genau.
Tim Pritlove
Okay, da hab ich gleich noch ein paar Fragen zu den Erwartungen,aber ich würde gerne noch die Technik fertig bekommen,weil das ganze ist ja nach so einem Zwiebelschalen-System aufgebaut,also man hat einfach in der Mitte die inneren Spurdetektoren,diese Time-Projection-Chamber drumherum und diese weiteren Kaskaden,die jetzt eben sich nicht mehr um die Spur kümmern, sondern sozusagen nur noch das Timing erfassen.Und überhaupt sagen, wenn ich jetzt hier noch was detektiere,dann handelt es sich eben auch um wirklich interessante Teilchen.Gibt es noch weitere Detektoren oder war es das jetzt?
Kai Schweda
Ja, vielleicht hätten wir damit anfangen sollen. Zunächst macht man im Innereneine Spurrekonstruktion, genau wie du sagst. Und dann sind wir fertig.Also wir haben Silizium, wir haben die gasgefüllte Kammer, wir haben den Übergangsstrahlungdetektorund dann den Flugzeitdetektor.Damit ist die Teilchenspurrekonstruktion beendet. Und danach schließt sich dannein elektromagnetisches Kalorimeter an.Das heißt, wenn ich sehr, sehr hoch energetische Teilchen habe,Unser Magnetfeld ist nicht besonders hoch, ein halbes Tesla.Also sehr viel stärker als das Erdmagnetfeld, aber wenn du schaust,wenn nachher die Leute kommen von Atlas, die haben viel stärkere Magnetfelder.Das heißt, je höher mein Impuls ist vom Teilchen oder die Energie,desto weniger ist die Spur gekrümmt und irgendwann wird die ganz gerade unddann kann ich das gar nicht mehr unterscheiden. Ist das jetzt eine gerade Spuroder ist da noch eine Krümmung drin?Und dann hört irgendwann meine Spurrekonstruktion auf. Ich kann natürlich dieSpur immer noch rekonstruieren, aber ich weiß nichts mehr über den Impuls,weil ich keine Krümmung mehr feststellen kann. Also keinen Unterschied von einer geraden Spur.Und dann baut man einen Kalorimeter. Kalorimeter heißt, ich deponiere die gesamteTeilchenenergie in diesem Detektorteil und weiß dann die Gesamtenergie.Also ein Kalorimeter misst immer die Gesamtenergie von einem Teilchen.
Tim Pritlove
Und damit beende ich sozusagen auch den Flug.
Kai Schweda
Das war es. Da ist das Teilchen, das ist das Ende.
Tim Pritlove
Okay, es versackt im Kalorimeter und dann weise ich aber sozusagen die Restenergieoder eigentlich überhaupt die Energie, weil bisher nicht so richtig viel Energieeingebüßt wurde durch die ganzen Spurbeobachtungen.
Kai Schweda
Ganz genau.
Tim Pritlove
Und die misst man dann in was? In Kalorien?
Kai Schweda
In der Teilchenphysikschule ist alles in Energie.
Tim Pritlove
Alles.
Kai Schweda
Energie ist ein Elektronenvolt. Elektronenvolt kennen wir aus der Schule.Wenn ich einen Plattenkondensator habe, der macht ein elektrisches Feld, also Plus und Minus.Und da habe ich einen Volt und da läuft ein Elektron durch, hat danach das Elektron,die kinetische Energie von einem Elektronenvolt.Und wir messen alle Energien in Elektronenvolt oder eigentlich in Gigaelektronenvolt.Das ist so die natürliche Einheit. Milliarden Elektronenvolt.
Tim Pritlove
Okay, und wie viel Elektronenvolt haben die Teilchen, die jetzt da in dieseKalorimeter einschlagen?
Kai Schweda
Ein paar wenige Gigaelektronenvolt bis 100 GV vielleicht.Man kann das auch, das Higgs-Teilchen, das messen wir nicht,aber das Higgs-Teilchen wiegt 125 Gigaelektronenvolt.Das Proton wiegt etwa 1 Gigaelektronenvolt. Also das Higgs ist 125 mal schwerer als das Proton.Wenn das in zwei Photonen zerfällt, haben diese Photonen jeweils 65 GeV, Gigaelektronenvolt.Also ein paar Zig bis ein paar hundert Giga-Milliarden Elektronenvolt.
Tim Pritlove
Okay, das heißt diese ganzen Kalorimeter sind dann auch das Ende des Detektors.Das heißt die sind dann auch erst bei 16 Meter Durchmesser.
Kai Schweda
Ja, ganz genau.
Tim Pritlove
Okay, also nach 8 Metern sozusagen wird die Energie gemessen und dann ist dieDetektion abgeschlossen.
Kai Schweda
Noch nicht. Da gibt es noch die einzigen Teilchen, die noch durchkommen,sind die Myonen, die schweren Elektroden.Die deponieren eben ihre Energie nicht in einem Kalorimeter.Die gehen quasi durch alles durch. Man kann die Spur sehen durch den Siliziendetektor,durch die Zeitprojektionskammer.Die machen ein Signal im Flugzeitdetektor und die werden nicht im Kalorimetergestoppt. Das liegt einfach daran, dass die so hohe Masse haben.Die sind nicht stark wechselwirkend, die werden also nicht in einem hadronischen Kalorimeter gestoppt.Die sind zwar Leptonen, aber dadurch, dass die so viel Masse haben,das Elektron macht dem elektromagnetischen Kalorimeter Bremsstrahlung.Und die Bremsstrahlungsphotonen machen dann wieder Elektronen-Positron-Paareund die Elektronen-Positron-Paare machen wieder Bremsstrahlung.Und so geht das unendlich weiter.Es bildet sich also ein Schauer, das ist ein elektromagnetischer Schauer,aus Bremsstrahlungsphotonen und Elektronen-Positronen.Das Myon macht das nicht, weil das so viel schwerer ist. Das heißt, das geht einfach durch.Wir sehen sogar Myonen von der kosmischen Strahlung bei uns im ALICE,obwohl wir von 30 Metern Fels geschützt sind vor der kosmischen Strahlung.Also die Elektronen gehen durch alles durch und wir haben speziell jetzt nichtin dieser Zylindergeometrie, also senkrig zur Strahlaxe, aber parallel zur Strahlaxeoder unter Vorwärtswinkeln haben wir noch einen Myon-Spektrometer.Da machen wir genau das gleiche. Da steckt ein sieben Meter langer Absorberaus Eisen und Stahl und der filtert alles raus.Nur die Myonen kommen hinten an und dann stellt man da ein paar Kammern auf,die eben die Teilchenspuren messen. Und dann weiß ich, da können nur Myonen durchgekommen sein.
Tim Pritlove
Sind diese Myonen jetzt eher selten oder ist das so ein ganz normales Abfallproduktbei dem, was da passiert?
Kai Schweda
Nein, nichts ist Abfall. Das ist alles Signal. Wie gesagt, es gibt besondereTeilchen, die schwere Quarks tragen und die zerfallen gerne in Elektronenpaare,Elektronenpositonpaare oder Paare von positiven und negativen Myonen.Und die möchte ich rekonstruieren, weil das ganz spezielle Sonden sind.Schwere Quarks sind ganz besondere Sonden für unser Quark-Klon-Plasma.
Tim Pritlove
So jetzt ist ja Sinn und Aufgabe des Detektors ist jetzt primär diese Blei-Ionen-Kollisionen zu beobachten.Das heißt mal salopp formuliert passiert ja da immer das gleiche.
Kai Schweda
Jede Kollision ist einzigartig.
Tim Pritlove
Okay, gut. Darauf wollte ich hinaus. Aber man tut eigentlich immer das gleicheund man kriegt immer wieder andere Ergebnisse.
Kai Schweda
Das Signal ist ein anderes. Und genau,zum Beispiel wir brauchen ein paar zigtausend Blei-Blei-Kollisionen,Ob das da mal ein Teilchen rauskommt, das aus zwei schweren Quarks besteht unddann noch zerfällt in ein Elektron-Bosyton-Paar zum Beispiel.Und die gilt es zu selektieren. Das heißt wir bauen einen Trigger.Wir triggern auf ein ganz spezielles Ereignis, das nur sehr selten passiert.
Tim Pritlove
Und das ist ja sozusagen das Ding. Also es geht ja hier um Wahrscheinlichkeiten.Also jetzt könnte man sagen okay no two collisions are the same.Also obwohl wir eigentlich im Prinzip immer dasselbe tun, mit derselben Apparaturmessen, messen wir eigentlich jedes mal ein komplett anderes Gesamtergebnis.Also vielleicht nicht komplett anders, sondern es ist vielleicht in seiner Strukturähnlich, aber so im Detail.Mal wird von dem einen Teilchen mehr erzeugt, mal weniger, mal vielleicht überhauptnicht. Auf einmal sind es ganz viele.Und der eigentliche Wert entsteht dadurch, dass man eben sehr oft,sehr lange das macht, alle Daten aufnimmt und sich es danach anschaut,wie denn jetzt die tatsächliche Verteilung ist.Weil wir im Prinzip ja generell immer nur alles über Wahrscheinlichkeiten überhaupterfassen können auf dieser Quantenebene, in der halt alles nicht klar bestimmt ist.Da heißt es ja nicht, wenn das kommt, passiert das, sondern das passiert miteiner bestimmten Wahrscheinlichkeit.
Kai Schweda
Also es ist sehr klar bestimmt. Ich muss da widersprechen. Die Wahrscheinlichkeitensind sehr klar bestimmt. Also ich kann genau bestimmen, wie groß die Wahrscheinlichkeitist, nur das einzelne Event ist unbestimmt.
Tim Pritlove
Das wollte ich damit zum Ausdruck bringen, ja.
Kai Schweda
Ja, das unterliegt einer Wahrscheinlichkeit. Aber auch in der Quantenmechanikkann ich diese Wahrscheinlichkeiten sehr präzise ausrechnen.
Tim Pritlove
Also genau, man kann dann die Wahrscheinlichkeiten ausrechnen,aber man weiß halt nicht vor einer Kollision, was jetzt gerade dran ist.
Kai Schweda
Ganz genau.
Tim Pritlove
Also das ist sozusagen das Unbestimmte, nur bestimmt wird es eben über die Beobachtung,über die Zeit dadurch, dass ich sagen kann, okay, wir haben uns das jetzt irgendwieangeschaut und diese Konstellation entsteht mit der Wahrscheinlichkeit und dieseKonstellation entsteht mit der Wahrscheinlichkeit und damit erforsche ich quasidas Wesen dessen, was ich beobachte.Okay, ich habe das halbwegs verstanden, glaube ich, hoffe ich.Bis zum nächsten Mal.Upgrades hat denn jetzt ALICE, das haben wir ja gerade gehört,da wird immer wieder was ausgetauscht.Wie sehr ähnelt denn ALICE nach seiner ursprünglichen Version?Wie oft werden denn dort technische Änderungen vorgenommen?
Kai Schweda
Ja, das ist eine gute Frage. Also schon vor 30 Jahren war schnell klar,habe ich erzählt, dass man ein relativ schwaches, aber großvolumiges Magnetfeldbraucht. Das haben wir. Das haben wir sogar geerbt vom Vorgängerexperiment.Da haben wir Kosten gespart. Und dass das zentrale, das Herzstück eine Zeitproduktionskammerist, das hat sich auch nicht geändert. Das ist im ersten Design drin.Und dass man bei inneren Radien einen Silizium-Detektor hat,auch das hat sich nicht geändert.Und dann, das war sehr schnell klar, dass man den Doktor so bauen muss,um das die Ziele zu erreichen, die man hat.Dann das erste Upgrade war, der Myon-Arm kam später hinzu, das war aber,das muss ich erzählen, 1993 hat dann sich eine sogenannte Proto-Kollaboration geformt.Das waren also eine Reihe von Wissenschaftlern, die haben gesagt,wir studieren das, wir untersuchen, welchen Detektor wir brauchen und kamendann sehr schnell mit diesem Konzept von einem solenoiden Magneten in der Zeitprojektionskammerund einem inneren Siliziumdetektor und hat dann im Jahr 1993 einen Lettow-Intent vorgestellt,also die Absicht, so einen Detektor zu bauen, um diese Physik des Quark-Clone-Plasmaszu adressieren am Large Hadron Collider, in dem man das ausnutzt,dass da auch Bleikerne beschleunigt werden können.Und das wird begutachtet. Es gibt ein Komitee, das ist das LHC-Komitee,LHCC, und das besteht aus Experten und die schauen sich an,diese Vorschläge, die Gruppen machen, welche Direktoren gebaut werden sollenund dieses Das Komitee berät direkt den Generaldirektor oder die Generaldirektoren am CERN.Und die haben eben diesen Letter of Intent, den wir am 1.März 1993 eingereicht haben, gesagt, okay, das finden wir gut,macht weiter. Also wir haben eine positive Bewertung bekommen.Und dann kam 1995 der Muonarm dazu.Das waren eben Leute, die schon früher am CERN, am kleineren Beschleuniger,am SPS, am Superproton-Synchrotron, Muon nachgewiesen haben,eben genau um den Zerfall von Teilchen mit schweren Quarks.Und die haben gesagt, wir machen da auch mit, wir bringen einen neuen Detektormit, wir wollen einen neuen Detektor bauen, die sind Myonarm.Das war also das erste Upgrade sozusagen 1995, das war aber weit vor der ersten Konstruktion.Dann kam, ich glaube, der erste, das ist fair zu sagen, der erste Upgrade-Detektorwar dieser Übergangsstrahlungsdetektor,das ist ein Beitrag der deutschen Gemeinschaft und anderen Ländern,Russland und Rumänien, die dann gesagt haben, okay, zwischen der Zeitprojektionskammerund dem Flugzeitdetektor, da ist noch eine Lücke, radial, Und da bauen wir diesenÜbergangsstrahlungsdetektor ein, dass wir diese Elektronen und Positronen selektieren können.Den haben wir 2008 eingebaut, also die ganze Konstruktion.Das war noch mit der Konstruktion des ersten Detektors.Und was wir jetzt gemacht haben, das war im Jahr 2019, 2021,war eine lange Betriebspause des Large Hadron Colliders. Da wurde auch der Beschleunigerkonsolidiert, das heißt verbessert.Dinge, die nicht so gut funktioniert haben, wurden verbessert.Es wurden neue Instrumente eingebaut.Das kann wahrscheinlich der Manfred Kramer dir besser erzählen.Diese zweieinhalb Jahre haben wir genutzt, um unseren Detektor massiv zu erneuern.Wir haben den gesamten Silicon Detektor komplett rausgenommen und haben jetztdiesen hochgranularen Pixel-7-lagigen Pixeldetektor eingebaut.Wir haben die Zeitprojektionskammer, die gesamte Auslöseelektronik erneuert,was 90 Mannjahre an Arbeitsleistung ist.Also wir haben praktisch auch diese Zeitprojektionskammer praktisch neu gebaut.Da ist nur diese mechanische Struktur, die auch das elektrische Feld,diese 100.000 Volt, zur Verfügung stellt, die ist geblieben und die gesamte Elektronik ist neu.Und das ist eben geschuldet, dass es eine neue Technologie gibt für den Silizium-Detektor.Das haben wir entwickelt in ALICE. Das ist der L-Pite Pixel-Chip.Wir mussten die Elektronik verbessern, damit wir diese 50.000 Kollisionen proSekunde mit der Zeitprojektionskammer instand halten können.Es war nicht klar, ob das vor 10, 12 Jahren funktioniert. Das war wirklich einejahrelange Entwicklung von neuer Technologie. Da haben wir ein optimales Setupgefunden, wie wir diese Auslöse bauen können. Und das funktioniert.
Tim Pritlove
Wo wird denn diese Technik entwickelt?
Kai Schweda
In den Labors am CERN, also der Silizium-Detektor wurde ganz entscheidend hieram CERN vorangetrieben.Da gibt es eine Gruppe am CERN und unser vorheriger Spokesperson hat das entscheidend vorangetrieben.Also wenn man Silizium-Technologie macht, das ist mit einem enormen Aufwandverbunden. Da braucht man Reihenräume, da braucht man Maschinen.Also das ist vom personellen und finanziellen Aufwand enorm und das CERN kanndas sehr gut machen. Das hat die richtige Größe.In Deutschland braucht man dann schon die Nationallabors, zum Beispiel die Gesellschaftfür Schwerhörnforschung in Darmstadt, an der ich angestellt bin. Die können das machen.Die Zeitprojektionskammer, das wurde federführend in Deutschland entwickelt,auch von der GSI, von den Universitäten Frankfurt, Heidelberg.Da braucht man Ingenieure, die nicht nur die Elektronik entwickeln,sondern auch die Mechanik und so weiter und so fort. Und auch in Zusammenarbeit mit dem CERN.
Tim Pritlove
Ich glaube das ist auch etwas, was bisher bei den Gesprächen noch gar nichtso klar rausgekommen ist.Man sieht ja hier das CERN so im Wesentlichen als Betriebsort.Aber genau genommen wird ja alles erdacht. Also erstmal dieses,was braucht man eigentlich, wie könnte das funktionieren, welche Technologienbenötigen wir denn dafür und dann müssen diese Technologien halt auch erdachtund quasi erstmal erfunden werden.Und dann ist die Frage, wie viel findet hier statt, wie viel findet woanders statt?Also ist es der Normalfall, dass das alles woanders entwickelt wird und hierwird nur überlegt, was braucht man? Oder findet hier auch konkret Technologiedevelopment statt?
Kai Schweda
Ja wie gesagt, diese Entwicklung von Siliziumdetektoren, das ist ja weltweit führend.Viele, viele Gruppen benutzen jetzt diese Technologie, die wir in ALICE entwickelthaben, in anderen Experimenten oder wollen die verwenden, auch für neue Maschinen in den USA.Wir haben gerade jetzt, gerade in dem Moment, Gäste da aus den USA,die eben genau unsere Silizium-Technologie verwenden wollen.Also das wurde federführend am CERN gemacht, die Zeitproduktionskammer.Da gibt es eine neue Technik, auch die wurde am CERN erfunden.Das sind Gas-Elektron-Vervielfacherfolien, die heißen Gem-Gas-Elektron-Multipliers.Und diese Technologie, da nimmt man eine sehr dünne Folie, bohrt Löcher reinund isoliert die oben und unten und spitzt diese Löcher an. Und in diesen Löchernentstehen sehr hohe Feldstärken.Das ist das Geniale an so einer Gemfolie. Die wurde am CERN erfunden und diehaben uns diese riesigen Folien hergestellt.Die haben Quadratmeter Größe und die haben wir dann benutzt,um unsere Außerelektronik in Deutschland zu bauen. Also es wurde mit Gruppenaus München, Darmstadt und Frankfurt gemacht.Also nicht alles wird am CERN gemacht, aber vieles wird vorangeregtigt am CERN.
Tim Pritlove
Okay. Jetzt stellt sich natürlich die Frage, was kommt bei raus?Also was konnte denn mit Hilfe dieses Detektors und speziell eben dieser Bleikollisionenund sozusagen der Betrachtung dieses Quark-Gluon-Plasmas herausgefunden werden über dieses Plasma?Das ist ja so ein bisschen der Blick in die Zeit des Urknalls,nicht unbedingt davor aber zumindest in dem Moment.Welchen Erkenntnisgewinn konnte man bisher daraus ableiten, was hat sich daraus ergeben?
Kai Schweda
Also die erste Frage, was man sich stellt, wie hoch ist die Temperatur von demDing, von dem Medium, das wir erzeugen?Und die Temperatur kann man messen, indem man sich die Lichtteilchen anschaut, die Sonne.Hat eine Temperatur in der Oberfläche von 6.000 Kelvin, 5.700 Grad Celsius.Und wenn ich einfach das Spektrum des Lichts anschaue, das hier auf der Erdeankommt, kann ich sofort auf die Temperatur der Oberfläche der Sonne schließen.Salopp kann man sagen, man schaut sich das Spektrum, man schaut sich an,wie viel kommt von der Farbe Grün an, wie viel kommt von der Farbe Rot an,wie viel kommt von der Farbe Blau an.Und dann habe ich, was die Physikern Plank-Spektrum nennen.Das hat die meiste Farbe, die die Sonne ausstrahlt, ist tatsächlich grün unddann kann ich sofort, das Planck Spektrum hat nur ein Parameter,das ist die Temperatur, kann ich sofort die Temperatur bestimmen und so machenwir das auch. Jetzt habe ich gesagt, die Sonne ist 6000 Kelvin heiß.Unser Medium ist 2 Billionen Kelvin oder Grad Celsius heiß.Das heißt, diese Wellenlänge verschiebt sich von dem optischen Spektrum,das unsere Sonne aussendet, in die harte Röntgenstrahlung.Also diese Photonen, die Lichtteilchen, die haben Milliarden von Elektronenvolt.Unser optisches Licht hat einen Elektronenvolt etwa.Und wenn man dieses Photon nachweist, also dieses Licht, das von der elektromagnetischenStrahlung des Quarkplasmas kommt, dann kann man die Temperatur bestimmen.Wir haben eine erste Messung, die ist noch nicht besonders genau.Wie gesagt, diese Photonen und Elektronen, das sind ganz seltene Teilchen,die muss ich da rauspicken auspicken, aus meinen zigtausend geladenen Teilchenoder anderen Teilchen, die da entstehen.Und dann gibt es noch andere Untergrundquellen, die auch Elektronen,Positronen oder Photonen erzeugen. Also ich will sagen, das ist eine sehr schwierigeMessung, die sehr aufwendig ist, die sehr lange braucht, weil man sehr langeDaten nehmen muss, um das Signal zu extrahieren.Und da sehen wir, dass wir deutlich drüber sind über dieser Temperatur,die es braucht, um so einen Quarkblumenplasma zu erzeugen.
Tim Pritlove
In dem beobachteten Experiment.
Kai Schweda
Bei Alice.
Tim Pritlove
Also man weiß deswegen, dass da eins ist. Ein Quark, Chlor und Plasma.Das ist das, was einem die Gewissheit gibt?
Kai Schweda
Ja, also Gewissheit.
Tim Pritlove
Das war wieder so ein schlimmes Wort benutzt.
Kai Schweda
Nein, das ist eine gute Frage. Was wir nicht haben ist eine Smoking Gun.Eine Smoking Gun ist, wenn ich einen abschieße und dann raucht mein Colt noch,dann weiß jeder, Der hat es getan.Das gibt es halt bei uns nicht. Und das liegt daran, wir versuchen nicht eineinzelnes Teilchen nachzuweisen, das zu rekonstruieren.Wir haben ein System, das aus sehr, sehr vielen Teilchen besteht,der sich sehr stark ausdehnt, dass der starken Wechselwirk unterliegt.Und da habe ich kollektive Phänomene und es gibt nicht ein einziges Signal,wo dann sofort alles klar ist, sondern man muss das beschreiben,dass das konsistent ist. eine Temperatur, die weit drüber ist.Auch bei den Hadronen können wir die Temperatur nachbestimmen.Wenn ich jetzt das weiterdenke, wenn ich Hadronen messe, also Pion,Proton, Kaon und so weiter, die sollte es ja nicht geben, wenn ich diese kritischeTemperatur überschreite.Die sollten ja alle geschmolzen sein, weil ich da nur noch Quarks und Glon habe.Und genau das beobachten wir. Aber irgendwann hat sich das System so weit ausgedehnt,abgekühlt, dass wieder alles in normale Teilchen zerfällt.Und wir beobachten auch bei den stark wechselwirkenden Teilchen,dass die eben genau diese Grenztemperatur erreichen. Drüber könnten wir sienicht beobachten, weil sie nicht existieren.Also die scheinen genau an der Phasengrenze, wo dieses Quark-Gluon-Plasma sichso stark abgekühlt hat, dass es wieder in normale hadronische Materie zerfällt.Und diese Hadronen, die wir beobachten, haben genau diese Grenztemperatur.Dann sind es andere kollektive Effekte. Wir sehen, wie stark das Medium expandiert.Was eine Entdeckung war, dass die schweren Quarks sehr viel Energie verlieren.Ich habe also eine Farbladung, das ist alles starke Wechselwirkung.Ich habe ein schweres Quark, ein Charmquark, das propagiert in diesem Mediumund das verliert sehr viel Energie.Und das ist heute noch schwierig zu beschreiben für die Theorie,warum so schwere Quarks so viel Energie verloren im Quark-Gluon-Plasma.
Tim Pritlove
Das heißt alles was jetzt hier herausfällt ist quasi Nährboden für Wissenschaftlergruppen,die am Quark-Gluon-Plasma an sich theoretisch und hier sozusagen auch praktisch forschen.
Kai Schweda
Ich denke, es ist fair zu sagen, dass unser Feld sehr stark experimentell getriebenist. Das heißt, es gibt neue Detektor-Technologien, die eben neue,neuartige Messungen ermöglichen.Und die Theorie versucht das zubeschreiben und dann Erkenntnis über das Quark-Lungen-Plasma zu gewinnen.Also das ist anders an der Teilchenphysik. Das Higgs-Boson wurde 48 Jahre vorseiner Entdeckung vorhergesagt.Die Schwierigkeit war, möglichst viel Energie zu haben, einen großen Kollider,der auch dieses Teilchen erzeugen kann. Bei uns ist es, denke ich, eher umgekehrt.Das ist das Experiment, das den Fortschritt vorantreibt.
Tim Pritlove
Weil man jetzt einfach Daten bekommt aus etwas, was sich sonst nicht so ohneweiteres theoretisch beschreiben lässt, weil man es noch gar nicht,sein Wesen noch gar nicht verstanden hat.
Kai Schweda
Ja die Theorie ist eben schwierig. Ich habe versucht das mit der Schneefockezu erklären. Wenn ich ein Einzelsteilchen isoliert betrachte,kann ich das sehr gut beschreiben theoretisch.Ja, also das Quark-Klonen-Plasma ist ein Teil von ALICE. Wir können mit diesenKollisionen viel, viel mehr machen. Das tun wir auch. Das ist eine fantastischeTeilchenquelle, ein Quark-Klonen-Plasma.Da kommen alle möglichen Teilchen raus, die es gibt. Die werden alle thermisch gekocht.Die springen da alle raus. Wir können zum Beispiel auch nach Antimaterie schauen,weil es wird genauso viel, die Energien sind so hoch beim Ladschadon-Kollider,dass wir genauso viel Materie wie Antimaterie erzeugen.Also es gibt aus den Kollisionen kommen genauso viel Proton raus wie Antiprotonund es gibt noch andere Teilchen.Und zum Beispiel Anti-Alpha-Teilchen.Rutherford hat ja damals das Alpha-Teilchen genommen. Das ist ein Heliumkern,zwei Protonen, zwei Neutronen.Und dazu gibt es auch ein Anti-Teilchen, das wurde schon entdeckt.Das besteht aus zwei Antiprotonen, zwei Antineutronen.Und jetzt können wir diese Teilchen untersuchen und schauen,haben die genau die gleiche Masse, das Teilchen und das Antiteilchen.Das ist eine fundamentale Vorhersage von jeder Theorie im Standardmodell derTeilchenphysik, dass Teilchen und Antiteilchen gleich schwer sind und gleiche Lebensdauer haben.Wenn das nicht so wäre, hätten wir eine große Krise in der theoretischen Physik.Also niemand glaubt das.Das heißt aber, wir müssen das testen. Und das können wir in ALICE,wenn wir das testen mit den Daten, die wir jetzt die nächsten zehn Jahre nehmen.Wir nehmen deutlich mehr Daten.Wir haben jetzt letztes Jahr, im ersten Jahr schon in Proton-Proton-Kollisionen,300 Mal mehr Daten aufgezeichnet, als wir die ganzen zehn Jahre davor aufgezeichnet haben.Nur um so einen Geschmack dafürzu kriegen, welche irren Datenraten unser Detektor jetzt verdauen kann.Und da wollen wir zum Beispiel diese Teilchen-Antiteilchen-Symmetrie untersuchenfür Anti-Alpha-Teilchen.
Tim Pritlove
Um diesen permanenten Test des Standardmodells durchzuführen.Passt das Modell eigentlich wirklich so gut wie wir denken oder haben wir irgendwo nochmal einen Flaw?Aber ist schon irgendwas damit bestätigt worden oder ist es sozusagen,es konnte nur bisher nicht widerlegt werden? Wie muss man das so definieren?
Kai Schweda
Niemand erwartet ernsthaft, dass wir jetzt einen Unterschied sehen,aber man soll, Steven Weinberg hat das mal gesagt, den ich sehr verehre,der leider letztes Jahr gestorben ist, ein großer theoretischer Physiker,schauen, wo niemand vorher geschaut hat. Das können wir auch,diese Möglichkeit haben wir in ALICE.Wir haben zum Beispiel das schon gemacht für Deuteron und Helium-3-Kerne.Da haben wir die Teile, ein Deuteron ist ein Proton und ein Neutron und Helium-3ist zwei Antiprotonen und nur ein Antineutron.Da haben wir schon gezeigt, dass wir Massendifferenzen messen können.Mit guter Genauigkeit haben wir das veröffentlicht. Und der nächste Schrittist einfach mit mehr Daten können wir dann zu schwereren Kernen gehen.Also es ist noch nichts, wir haben noch nichts gefunden, das dem Standardmodell widerspricht.Du hättest das in der Zeitung schon oder im Fernsehen gesehen.
Tim Pritlove
Mit Sicherheit. Aber was ist denn schon an Erkenntnissen herausgekommen,wovon ich auch noch nichts mitbekommen habe? Was sind so die grundlegenden Erkenntnisse,die Alice abgeworfen hat?
Kai Schweda
Zum Beispiel die Teilchen haben eine bestimmte Lebensdauer und wir können,weil unser Detektor so präzise ist, zum ersten Mal werden ja alle möglichenTeilchen erzeugt bei uns in dieser Bleiblei-Kollision.Wir können dann Teilchen mit sehr hoher Genauigkeit, deren Masse oder Lebensdauerauch messen. Wir haben jetzt gerade das Lambda-Baryon untersucht.Das ist ein Neutron, wo ich ein leichtes Quark rausnehme und dafür ein bisschenschwereres, das Strange-Quark, reintue.Und diese Lebensdauer hat eine bestimmte experimentelle Präzision und wir habendas um einen Faktor 3 verbessert.Also man weiß jetzt auch dreimal mehr, welche Lebensdauer dieses Lambda Teilchen hat.Das kann man jetzt in einen Kernverband einbauen, in einen Deuteron zum Beispiel.Und da gab es 50 Jahre lang Spekulationen, ob das, wenn das jetzt dieses LambdaBaryon gebunden ist, also ein Neutron mit einem schweren Quark,einem Strange Quark, ob das dann die Lebensdauer beeinflusst.Und da gab es die letzten 50 Jahre viele, viele Experimente,die was gesehen haben, die keinen Unterschied gesehen haben und das haben wirjetzt auch entscheidend beantwortet, die Frage.Dieses Lebensdauer ist die gleiche im Kernverbund von einem Deuteron wie fürein Freies Lambda-Teilchen.Also es sind einfach Präzisionsmessungen, die gehen dann auch in die Bibel derTeilchenphysik ein, weil alle Teilchen, die man kennt, sind gelistet in einem Particle Data Book.Das wird jedes Jahr auf den neuesten Stand gebracht und da haben wir als eineMessung beigetragen, die dreimal genauer ist als alle anderen Experimente zuvor.
Tim Pritlove
Was sind denn jetzt, also das ist natürlich für die Wissenschaft super spannend,solche Detailupdates und so ein permanentes Verbessern eines Verzeichnissesaller wesentlichen Eigenschaften.Was sind so die großen Fragen, die durch die Arbeit mit Alice touchiert werden?
Kai Schweda
Ja, das ist die zugrundelegende Theorie, das ist eine relativistische Quantenfeldtheorie,die die starke Wechselwirkung beschreibt. Die so beschreibt,wie Quarks und Gluten miteinander, sich zueinander verhalten,wie die wechselwirken, das ist die Quanten-Chromodynamik.Es gibt die Quanten-Elektrodynamik, die beschreibt eben die elektromagnetischeWechselwirkung auf dem Quantenniveau und ist relativistisch korrekt.Und so gibt es in der starken Wechselwirkung die Quanten-Chromodynamik.
Tim Pritlove
Da kommt das auch mit der Farbe her, wir haben ja vorhin schon darüber gesprochen,das ist natürlich nicht so, dass wir hier von Farben reden, sondern das istein Bild, um einfach Zusammenhänge dieser Teilchen, also der Wechselwirkungzu beschreiben, also Eigenschaften davon zu beschreiben.Und wahrscheinlich weil mal wieder nichts anderes im Regal zu greifen war,hat man gesagt, dann nehmen wir jetzt einfach Farben und deswegen heißt es auch Chromo.
Kai Schweda
Ganz genau. Also es ist streng genommen die Farbladung, genau wie die elektrischeLadung die Ursache der elektromagnetischen Kraft ist, so ist die Farbladungdie Ursache der Farbladung.
Tim Pritlove
Ja, man hätte jetzt auch ein anderes Bild nehmen können als Farbe,aber das ist es einfach geworden.
Kai Schweda
Ja, aber das weißt du wahrscheinlich, das kommt daher, weil die Quarks in drei,um einen Proton zu machen brauche ich drei Quarks, um einen Neutron zu machenbrauche ich drei Quarks.Da hat man gesagt, also zwei Quarks geht nicht. Es geht ein Quark und ein Antiquark,das heißt diese Farbladung, das Quark hat Rot, Gelb oder Grün,die kann man auch 1, 2, 3 nennen oder wie auch immer, dass die drei Farben imProton, die drei verschiedenen Farben im Proton,Farben, die ein Proton haben kann, müssen sich so addieren, dass es farbneutral ist.
Tim Pritlove
Also rot, grün, blau.
Kai Schweda
Rot, grün, blau, aber eigentlich nach der Farbenlehre ist es nicht rot,grün, blau, sondern rot, gelb, blau oder umgekehrt. Auf jeden Fall hat man das,genau wie du sagst, versucht anschaulich zu machen. Warum habe ich jetzt dreiund nicht zwei oder sieben?Und das kann man mit den Spektralfarben sehr gut erklären, dass dann immer eine weiße Farbe rauskommt.
Tim Pritlove
Ok, aber das ist sozusagen, man will die starke Kernkraft besser verstehen,man weiß die kommen einfach in Dreiergruppen, also muss es dann irgendeinerForm Eigenschaften geben, die dafür sorgen, dass es immer drei sein müssen.
Kai Schweda
Und was wir gut verstehen theoretisch, also nicht ich, sondern meine Freundeaus der Theorie, ist eben, wenn man isolierte Prozesse bei sehr hohen Energienanschaut, dann kann man das sehr genau berechnen.Wir machen eine störungstheoretische Rechnung und kann die Experimente beschreiben.Was wir in ALICE machen, ist, wir gucken uns die Vielteilchenaspekte an.Also nicht ein isoliertes Teilchen, ein isoliertes Quark, sondern sehr,sehr viele Teilchen. Sehr viele Quarks und Gluren in verschiedenen Farben,schwere Quarks, leichte Quarks.Und wir versuchen die Vielteilchenaspekte der starken Wechselwirkung zu untersuchenund experimentell präzise zu bestimmen.Und das ist, was wir noch sehr wenig verstehen, obwohl es da sehr großen Aufwandgibt in der Theorie. Es ist also noch ein recht junges Feld,da kommen wir zurück zu der Schneeflocke.Ich kann die Quantenelektrodynamik nehmen, ich kann damit aber nicht ausrechnen,welche Form eine Schneeflocke hat, weil sehr sehr viele Teilchen daran teilnehmenund dann gibt es auch neue Effekte, die man erst mal so nicht in den elementaren Gleichungen sieht.
Tim Pritlove
Und gibt's hier auch eine Perspektive so die die großen Fragezeichen der Physikin irgendeiner Form zu bespielen,das was so auch die Kosmologie vor allem irre macht mit dunkler Materie und dunkler Energie,also ich meine wenn wir hier mit diesem Quark-Luhren-Plasma sozusagen an der,Ich weiß nicht, ob ich Geburt sagen soll,aber zumindest an diesem Urknall, diesem sehr besonderen Moment,wenn wir da sozusagen in dieser Ursuppe herumforschen, lässt sich daraus irgendetwasableiten für das, was wir heute im All sehen und uns noch nicht erklären können.
Kai Schweda
Ja, alles kann was dazu beitragen und hat beigetragen zur dunklen Materie.Dunkle Materie ist dunkel, das heißt wir sehen sie nicht, die strahlt nichtelektromagnetisch, die sendet kein Licht aus.Und wir wissen nur von ihrer Existenz, weil wir sehen wie die sich gravitativverhält. Also die beeinflusst andere Objekte um sich herum.
Tim Pritlove
Die Menschen sind nur Materie, obwohl wir ja auch nicht sicher sind, ob es welche ist.
Kai Schweda
Also es ist nicht Energie, es ist nicht nur Energie, es ist auch Materie.Aber gut eigentlich wissen wir gar nichts was dunkle Materie ist.
Tim Pritlove
Es tut das, was normalerweise nur Materie tut. Man sieht sie nicht deswegennennt man sie dunkle Materie, aber es könnte sich ja auch herausstellen,dass es was komplett anderes ist, was die Gravitation mit beeinflusst.
Kai Schweda
Ja, also wenn du mich fragst, das ist aber meine persönliche Meinung,dunkle Materie ist eine Umschreibung für unsere komplette Unkenntnis, für was das ist.Ich glaube das ist ganz okay. Es gibt ja auch Leute, die versuchen die Gleichungder Gravitation so zu ändern, dass man gar keinen neuen Materieterm findet,aber das hat eigene Probleme.Also, das Standardmodell der Teilchenphysik, das hat was dazu zu sagen,nicht das Standardmodell, sondern die erste, die minimale supersymmetrische Erweiterung.Das heißt, das hat man ja bevor der LHC angeschaltet wurde, gab es ja großeHoffnung, dass die sogenannte Supersymmetrie verwirklicht ist in der Natur.Das heißt, es gibt also eine Theorie, die sagt, okay, für alle Teilchen,die wir jetzt im Standardmodell haben, gibt es ein korrespondierendes supersymmetrischesTeilchen, das viel schwerer ist. Zum Beispiel gibt es zum Elektron ein s-Elektron.Oder zum Neutrino gibt es ein Neutralino. Also man verdoppelt den Teilchen so,der Elementarteilchen.Die müssen viel schwerer sein, sonst hätten wir sie schon gesehen.Und das war die große Hoffnung, als der Large Hadron Collider losging.Bisher hat man noch keine gesehen.Und ich glaube die Hoffnung ist ein bisschen am schwinden.Deshalb gucken wir trotzdem danach. Und was wir gemacht haben in ALICE ist,wir können dazu einen wichtigen Beitrag liefern.Zum Beispiel das Experiment EMS, das Alpha Magnet Spektrometer,das auf der internationalen Raumstation Daten nimmt.Das guckt zum Beispiel nach Anti-Kernen, zum Beispiel nach Anti-Helium-3-Kernen.Zwei Antiprotonen, ein Antineutron. Und dann ist die Frage, die haben noch keinen,zumindest nicht veröffentlicht, nachgewiesen.Wenn die jetzt Anti-Helium-3 sehen, also ein Anti-Kern, recht schwerer,schwerer als das Proton zum Beispiel. Immer noch ein leichter Kern, okay.Dann ist die Frage, wo kommt das her? Und das könnte zum Beispiel von Prozessenkommen, von einem supersymmetrischen Teilchen, dem Neutralino.Das Neutralino ist elektrisch neutral, nimmt also nicht an der elektromagnetischen Wechselwirkung teil.Es ist das leichteste supersymmetrische Teilchen. Das heißt,alle anderen Teilchen müssen irgendwann in Richtung dieses Neutralinos zerfallen sein.Die wurden am Urknall entdeckt, erzeugt und das Neutralino ist stabil.Das heißt, es kann auch nicht in Standardmodellteilchen zerfallen.Das heißt, wenn es die wirklich gibt und das ist der Ansatz dunkler Materiemit der Teilchenphysik zu erklären, Dann wurden die möglicherweise beim Urknallerzeugt und bevölkern zum Beispiel den Balg unserer Galaxie.Und es stellt sich heraus, die Neutralinos sind auch ihr eigenes Antiteilchen.Das heißt, die zerfallen zwar nicht, wenn ich aber viele Neutralinos habe,kannst du mir noch folgen, dann können die sich miteinander vernichten und würdenauch schwere Antikerne erzeugen.Das heißt also ein Antihelium-3-Kern im Weltall wäre ein Signal für die Vernichtungvon zwei supersymmetrischen Teilchen, die Kandidaten für dunkle Materie sind.Und wir haben bestimmt, wenn dieses Teilchen irgendwo weit weg von uns in derGalaxie erzeugt wird, ob das überhaupt bei der Internationalen Space Station ankommen würde.Also wir haben mit diesen Antihelium-3-Kernen, die aus unserem Quark-Lum-Plasmakommen, haben wir bestimmt, wie hoch die Wahrscheinlichkeit ist,dass so ein Teilchen absorbiert wird auf seinem Weg vom Balg der Galaxie biszur Internationalen Space Station.Wir haben festgestellt, dass unsere Galaxie recht transparent ist dafür.Also drei Viertel aller Antihelium-Dreikerne kommen noch an, wenn es die gibt.Wenn es die gibt, also wenn AMS das sieht, wäre das ein wunderbares Signal.
Tim Pritlove
Ich habe zu AMS auch schon eine Raumzeitfolge gemacht, Nummer 38,das ist jetzt schon eine Weile her. Also das Ding ist jetzt schon seit ein paarJahren in Betrieb. Ist denn da überhaupt schon was Interessantes bei herausgekommen,was sich mit der Arbeit von Ellis kombinieren lässt?
Kai Schweda
Ja, die haben genau diese Teichensprecken gemessen und es zeigt sich,die Protonen sind, es gibt ja auch kosmische Strahlung, die auf unsere Atmosphäretrifft, da kommen auch Antiprotonen raus.Das heißt die Antiprotonen und die bisschen schwereren Antideuterungen, die sind wohl nicht gut.Der Untergrund, auch diese Prozesse haben wir gemessen, die kosmische Strahlungtrifft ja auf ruhende Kerne in unserer Atmosphäre und die Energie am LHC ist ein Kollider.Das heißt, was wir am LHC haben, trifft zufällig genau die Energie,die die kosmische Strahlung im Schwerpunktsystem macht.Und da haben wir auch Produktionsraten von Antiproton, Antideuteron,also von Antikernen gemessen, was dann der Untergrund für solche Messungen ist.Also es gibt einen Untergrund und es gibt ein Signal von der Neutralino-Vernichtungsstrahlung.Und daraus schließen wir das mit Antihelium 3, wenn man ein gutes Signal extrahierenkann, wenn es das eins gibt.
Tim Pritlove
Das heißt es gibt da noch keine Smoking Gun für die dunkle Materie,das ist alles noch Theorie?Ja natürlich, sonst hättest du davon gehört.
Kai Schweda
Es gibt aber auch andere Ansätze für dunkle Materie, schwarze Löcher,mini schwarze Löcher, die überall sind im Universum. Also das ist sehr sehraktuell natürlich momentan.
Tim Pritlove
Ja man ist sich auf jeden Fall nicht einig. Bin sehr gespannt ob da demnächst nochmal was kommt.
Kai Schweda
Das zeigt ja, dass es spannend ist.
Tim Pritlove
Ich habe noch so eine Erinnerung, dass auch die Theorien, die hinter Neutronensternenstehen, mit diesem Quark, Gluon, Plasma zu tun haben.
Kai Schweda
Ja, die Frage ist, als man nur Protonen und Neutronen kannte,da haben die Herren Oppenheimer und Volkow schon in den 1930er Jahren gezeigt,Man nimmt einfach die Kernmaterie, die Eigenschaften, wie stark lässt sich Kernmaterie komprimieren.Und irgendwann, die Kernmaterie zieht sich natürlich an, aber irgendwann stoßendie zusammen und dann kann man die nicht weiter komprimieren.Und das ist das, was einen Neutronenstern stabilisiert gegen den gravitativenKollaps. Also der Neutronenstern hat ja 1,5 Sonnenmassen oder so,also im Bereich der Sonnenmasse.Und wenn die Kernfusion beendet ist, gibt es keinen thermodynamischen Druck,der diesen gravitativen Kollaps auffällt.Das heißt, der Stern fällt in sich zusammen, aber die Kernmaterie stabilisiert,die Inkompressibilität der Kernmaterie stabilisiert diesen Neutronenstern.Und die Herren Oppenheimer, Volkow und Tolman, denke ich, die haben einfachsich die Struktur der Kernmaterie hergenommen und gesagt, Okay,maximal kann ich mit gewöhnlicher Kernmaterie Neutronensternen bis 1,8 Sonnenmassen stabilisieren.Wenn der schwerer ist, kollabiert der und wird zum schwarzen Loch.Jetzt hat man vor zehn Jahren gefunden, es gibt Neutronensterne,die haben ein bisschen mehr Masse.Und die Frage ist, was verhindert, dass diese Neutronensterne in sich zusammenstürzenund ein schwarzes Loch binden? Was stabilisiert die gegen den Kollaps?Und das können nicht nur Neutronen und die Neutronen sein.Das kann ein Quarkblumenlastmal sein oder nur die Quarks, dass man eben keineNeutronen hat, sondern so eine Quarksuppe im inneren Kern von den Neutronenschneiden. Ist aber alles spekulativ.
Tim Pritlove
Alles noch Spekulation.Ja, jetzt könnte ich fragen, haben wir noch was vergessen? Haben wir unter Garantie.Es gibt ja viele Details.Was sollten wir vielleicht noch am Ende hinzufügen zu dem, was wir bisher besprochen haben?Das Bild abzurunden, was man von diesem Detektor, diesem Experiment hat.
Kai Schweda
Also ALICE gibt es jetzt seit 30 Jahren. Wir haben im letzten Monat den 30-jährigen Geburtstag gefeiert.Wir haben jetzt einen brandneuen Detektor, mit dem wir 10 Jahre messen.Und danach wollen wir einen komplett... Da geht auch die Zeitprojektionskammerraus, weil die Raten dann so hoch werden am LHC, dass wir die Zeitprojektionskammernicht nutzen können. Auf der anderen Seite haben wir einen Durchbruch in derDetektortechnologie mit Silizium.Wir wollen in zehn Jahren einen komplett siliziumbasierten Detektor bauen,der praktisch gar keine Masse hat, dass die Teilchen überhaupt nicht stören.Das wollen wir in zehn Jahren einbauen und zehn Jahre damit messen bis 2042.Also jetzt ist ALICE 30 und wir haben einen konkreten Plan für die nächstenzehn Jahre und wollen noch 20 Jahre weitermachen bis zum Ende des LACs.
Tim Pritlove
Das heißt, dieses Upgrade mit den Pixeldetektoren aus Siliziumfolien,das ist im Prinzip auch so ein bisschen die Zukunft dieses Detektors.Also es hat sich als so gut erwiesen, dass man davon möglichst viel haben möchte.
Kai Schweda
Ja, ganz genau. Und andere Detektoren haben auch Silizium, aber was besondersist an unserem, dass der so unglaublich dünn ist und wir entfernen wirklichalles. Auch die Ausleseelektronik ist momentan im jetzigen installierten Detektornoch auf dem Silizium aufgebracht.Wir entfernen alles, was nicht aktiver Sensor ist und haben damit praktischeinen masselosen Detektor. Ich glaube, das ist ein einzigartiger Detektor in der Welt.
Tim Pritlove
Super Kai, vielen Dank an dieser Stelle für diese Ausführung.Schwierig irgendwie so eine hochkomplexe Technologie,die sich in so einem super Spezialbereich der Physik und damit der Wissenschaftbewegt, irgendwie zu vermitteln, aber ich bin schon wieder schlauer geworden.Insofern vielen Dank nochmal für die Ausführung und vielen Dank fürs Zuhörenhier bei Raumzeit. Das war der LS Detektor.Weitere Detektoren werden folgen bis wir hier das CERN ausreichend zusammengefasst haben.Bis dahin sage ich Tschüss, bis bald!

Shownotes

RZ112 CERN: Die Beschleuniger-Kette

Die größte Maschine der Welt ist die Basis der Forschung am CERN

Die Beschleunigung von Teilchen ist die Grundlage für die Forschung am CERN. Eine Kaskade von miteinander verbundenen Ringen wird dabei zur Schnellstraße für beschleunigte Elektronen oder Ionen und bauen dabei sukzessive die Energie auf, die letztlich in einer Kollision freigesetzt wird und die Experimente am CERN ermöglicht.

Daher sind Aufbau, Inbetriebnahme, Betrieb und Wartung dieser komplexen Maschine ein sehr wichtiger Bestandteil der Arbeit am CERN.

Dauer:
Aufnahme:

Alexander Huschauer
Alexander Huschauer

Wir sprechen mit Alexander Huschauer, zuständig für den Betrieb und Wartung des CERN Proton Synchrotron, über Sinn, Design, Aufbau, Betrieb, Wartung und Anwendung von Teilchenbeschleunigern im Allgemeinen und den Beschleunigern am CERN im besonderen.


Für diese Episode von Raumzeit liegt auch ein vollständiges Transkript mit Zeitmarken und Sprecheridentifikation vor.

Bitte beachten: das Transkript wurde automatisiert erzeugt und wurde nicht nachträglich gegengelesen oder korrigiert. Dieser Prozess ist nicht sonderlich genau und das Ergebnis enthält daher mit Sicherheit eine Reihe von Fehlern. Im Zweifel gilt immer das in der Sendung aufgezeichnete gesprochene Wort. Formate: HTML, WEBVTT.


Transkript
Tim Pritlove
Hallo und herzlich willkommen zu Raumzeit, dem Podcast über Raumfahrt und andere.Kosmische Angelegenheiten.Mein Name ist Tim Pridlaff und ich begrüße alle hier zu einer weiteren Ausgaberund um das CERN, was ich derzeit besuche und wo ich versuche mir mal allesgenau erklären zu lassen, was hier alles so rumliegt.Und was hier vor allem rumliegt, sind Ringe.Große Ringe, in denen sehr viel beschleunigt wird und das ist ja hier so ein bisschen,das ermöglichende Infrastruktur, die diverse Detektoren und zahlreiche Experimenteja überhaupt erst zum Leben bringt.Und um darüber mal zu quatschen, wie das so funktioniert, begrüße ich meinenGesprächspartner, nämlich den Alexander Huschauer. Hallo.
Alexander Huschauer
Hallo.
Tim Pritlove
Herzlich willkommen bei Raumzeit.
Alexander Huschauer
Vielen Dank, freut mich sehr hier zu sein.
Tim Pritlove
Du bist, wie es so schön heißt, Staff Accelerator Physicist and Engineer inCharge of the CERN Proton Synchrotron in the BEOPS Section. Das kannst du mirjetzt gleich mal aufdröseln, was das jetzt bedeutet.
Alexander Huschauer
Das bedeutet, dass ich im BEAMS Department arbeite. Das ist jenes Department,das eben zuständig ist für die Produktion der Strahlen am CERN.Dort in der Operations Group, also wirklich an den Beschleunigern selbst arbeiteund PS, das Protonen-Synchrotron.Wir sind in verschiedene Abteilungen aufgeteilt in der Operations Group fürdie verschiedenen Beschleuniger. Und in meinem Fall bin ich eben Engineer inCharge vom Protonen-Synchrotron.Einer der ältesten Beschleuniger, den wir hier am CERN haben,1959 in Betrieb gegangen.Schöne komplexe Maschine und eben ein Teil der Beschleunigerkette.
Tim Pritlove
Genau, aber du kennst ja die ganze Kette und darüber wollen wir jetzt nämlich mal ein bisschen reden.Und man sagt Kette, warum sagt man Kette, weil alles hier miteinander verbunden ist?
Alexander Huschauer
Alles ist miteinander verbunden. Die verschiedenen Ringe, wie du gesagt hast,sind über sogenannte Transferlinien miteinander verbunden, so dass wir von einemRing zum nächsten Ring die Teilchen schicken können.Mit der Idee dahinter, dass in jedem Ring die Energie der Teilchen immer höher und höher wird.Man hat da technologische, physikalische Limits, wie hoch man Teilchen in einemRing beschleunigen kann und deswegen braucht man wirklich so eine Kette von Beschleunigern,um dann höchste Energien, wieeben im Large Hadron Collider am Schluss der Kette, erreichen zu können.
Tim Pritlove
Genau, da wollen wir uns dann gleich mal auf die Reise machen und mal so einbisschen rauskriegen, was es dafür im Detail dann alles so erfordert.Jetzt will ich aber erstmal nochmal ein bisschen wissen, wie du denn hier überhauptzu der Tätigkeit gekommen bist. Seit wann betreibst du denn Wissenschaft und warum?
Alexander Huschauer
Ich bin jetzt seit ungefähr zwölf Jahren am CERN.Schulisch habe ich eine technische Ausbildung gemacht. Ich habe damals eineAusbildung in Mechatronik gemacht, wie es bei uns in Österreich spezielle Schulstufengibt, also im Prinzip noch vor der Universität.Ich war dann immer schon technisch begeistert und natürlich viel mit Physik,Optik, Elektronik, Mechanik in Kontakt gekommen.Und dann hat mich das Studium der Physik gereizt, Technische Physik an der UniWien, an der Technischen Uni Wien.Und dort so eigentlich im Laufe der Zeit mir gedacht, Grundlagenforschung ehernicht so meins, glaube ich werde ich nie hinkommen, es wird mich mehr eher soin die Industrie treiben dann irgendwann mal.Aber dann habe ich ein paar Vorlesungen belegt im Bereich der Teilchenphysikund später dann noch eine Vorlesung im Bereich der Beschleunigerphysik.Und das war so mein Einstieg. Mein Einstieg hier ins CERN im Prinzip,weil es ist wirklich eine coole Möglichkeit, um all diese verschiedenen,so Physik einerseits, Engineering andererseits zusammenzubringen.Und gerade im Betrieb eines Beschleunigers kommt man tagtäglich mit all diesen Dingen in Kontakt.Und das ist wirklich das, was für mich den Reiz ausmacht.Alles andere ist eine langweilige Tätigkeit. Jeden Tag unterschiedliche Herausforderungen,denen man gegenübersteht.Ja und dann habe ich damals meine Diplomarbeit hier gemacht,bin hier geblieben für ein Doktorat und bin jetzt seit 2017 angestellt Star Physicist am CERN.
Tim Pritlove
Im Prinzip arbeitest du ja wirklich im Kern am Betriebssystem des ZERN,könnte man sagen, weil ohne das System wäre hier kein Betrieb möglich.
Alexander Huschauer
Absolut.
Tim Pritlove
Ja, kann ich mir vorstellen. Es ist immer ganz interessant so eine Disziplinzu haben, die eigentlich dann sehr viel Überschneidung hat mit anderen Bereichen.Ja, na dann gucken wir doch mal, was hier eigentlich alles vorzufinden ist.Vielleicht blicken wir mal so von oben erstmal auf diesen ganzen Komplex.Ich hab mir irgendwann mal so eine Karte in Google Earth reingeladen,die sozusagen die ganzen Zernringe so einfach mal so in ihrer räumlichen Ausdehnung mit einblendet.Da merkt man erstmal schon, ganz schön groß alles.Insbesondere natürlich der große Ring, aber ist ja auch nicht der einzige.Was findet man sozusagen vor, wenn man jetzt diesen Bird's Eye View auf das CERN macht?
Alexander Huschauer
Also man findet in erster Linie verschiedene Orte. Also das CERN hat einen Hauptstandort,der im Kanton Genf liegt, in Maran.Dort sind die älteren, kleineren Beschleuniger des CERNs zu finden.Und von dort weg, die nächsten Maschinen, die sind dann doch etwas größer.Also wenn man sagt, die kleineren Maschinen haben so bis zu einer Länge von630 Metern, die sich am Campus selbst befinden.Und danach die nächsten Maschinen, 7 km oder 27 km, die sind dann schon unterder Erde gebaut und auch wesentlich dann über den Campus des Zerns hinausgehend.Und zum großen Teil eigentlich in Frankreich liegen die. Und wenn man sich soLuftlinien anschaut, wenn wir uns gerade den LHC anschauen mit seinem 27 km Umfang, von.Den Punkt, wo die Strahlen indiziert werden in die Maschine bis zum gegenüberliegendenPunkt haben wir doch acht Kilometer Luftlinie.Also das ist wirklich groß und wenn wir so zum Anfang dieser Kette gehen,dann haben wir dort eine ganz kleine Quelle.Weil was wir machen hier, einerseits beschleunigen wir Protonen,um die dann später kollidieren zu können in verschiedenen Experimenten.Andererseits machen wir das auch mit Ionen, also zum Beispiel Bleionen.Aber in der Vergangenheit auch verschiedene andere Ionen. Die müssen irgendwoerzeugt werden, diese Teilchen, bevor man sie überhaupt mal in einen Beschleuniger senden kann.Und dann ist es eben wichtig, dass man Schritt für Schritt die Energie dieserTeilchen erhöht, um am Schluss die Energien, die die Experimente verlangen, produzieren zu können.Und warum brauchen wir da überhaupt hohe Energien? Das ist einerseits,ist die Energiedichte wichtig. Was wir machen, sind Kollisionen.Wir schießen Protonen auf Protonen, wir kollidieren.Und die Energie, die diese Protonenstrahlen haben, die können über die Energieist gleich Masse, Lichtgeschwindigkeit zum Quadratformel umgewandelt werden.Also Energie kann in Masse umgewandelt werden, sprich aus der Energie der Strahlenkönnen wir neue Teilchen erzeugen und diese neuen Teilchen können dann einfachvon den Experimenten detektiert, untersucht, charakterisiert werden.Und andererseits, wenn wir vielleicht das Band ein bisschen zur Kosmologie,Astronomie spannen, da verwenden wir Teleskope, um in den Weltraum hineinzuschauen,um sich große Strukturen anzuschauen, Galaxien, Sterne dergleichen.Was wir machen hier ist genau das andere Ende der Größenordnung.Wir untersuchen die kleinsten Details der Materie.Und wie kommt man dorthin? Mit einem Mikroskop, mit optischem Licht,kann man sich bestimmte Teile sehr schön vergrößern. Irgendwann kommt man ans Limit.Das hängt einfach von der Wellenlänge des Lichts ab.Wenn man jetzt immer höher und höher auflösen, also in die Materie hineinschauenmöchte, braucht man im Prinzip immer kleinere und kleinere Wellenlängen.Die Wellenlänge ist indirekt proportional zur Energie. Das heißt,ich brauche extrem hohe Energien, um geringe Wellenlängen zu erzeugen und danneinfach diese kleinsten Details der Materie auflösen zu können.Und so gehen wir dann mit den Beschleunigern, die im Endeffekt nichts anderesals ein super Mikroskop sind,gehen wir wirklich hinein in den Atomkern, in die Bestandteile,die Protonen, Neutronen, die Quarks und all die Teilchen, die man dann nocherzeugen kann in Kollisionen.
Tim Pritlove
Ich fand es interessant, dass du von dem Ring als Maschine gesprochen hast,weil das muss man sich halt auch klar machen.Man denkt halt erstmal so, ja Beschleunigerring, da ist halt so ein Tunnel, da fliegt das rum.Das machen ja die Teilchen jetzt nicht von alleine, sondern im Prinzip sprechenwir wirklich von einer 27 Kilometer langen Maschine,die also wirklich über die gesamte Strecke in irgendeiner Form Technik bereithält,um letzten Endes das durchzuführen.Also wir haben es mit einem Megamaschinenpark zu tun, der sich räumlich extremausdehnt, um eben am Ende Kollisionen messen zu können.Die anderen Sendungen, die ich hier mache, werden sich also im Detail den einzelnenDetektoren widmen, der ja hier mehrerlei installiert sind. Alice, Atlas, CMS und das LACB.Nebst, da kommen wir vielleicht auch noch gleich drauf, vielen kleineren Experimenten,die ja auch noch mit dabei sind.Aber alle haben eigentlich denselben Bedarf. brauchen eben diese beschleunigten,hochenergetischen Teile, egal welcher Teil eines Atoms das jetzt sozusagen ist.Also nur die Protonen und die ganze Atomkerne etc.Ja, wo fangen wir an? Also es muss ja erst mal, das was man schießt,muss ja auch erst mal da sein.
Alexander Huschauer
Dafür braucht man eine Quelle.
Tim Pritlove
Da geht's los. Man braucht eine Quelle. Das ist hier so der Fachbegriff.
Alexander Huschauer
Das ist genau Source auf Englisch. Und in unserem Fall ist es so,dass um diese Protonen zu erzeugen, beginnen wir mit Wasserstoff.Sprich am Anfang der Quelle ist eine Wasserstoffquelle oder eine Wasserstoffflasche im Prinzip.
Tim Pritlove
Warum Wasserstoff?
Alexander Huschauer
Weil Wasserstoff aus Protonen und Elektronen besteht und wir wollen dieses Protonhaben, das da in Neutronen kennt. Alles besteht ja aus Elektronen.Natürlich, aber es ist relativ einfach, dieses Elektron zu entfernen und dannnur mit diesem Proton überzubleiben.Auch Wasserstoff ist natürlich weiter verfügbar, ist sehr leicht zu bekommen,herzustellen und als Grundstoff im Prinzip zu verwenden.Dieses Gas wird eingelassen in diese Quelle. In dieser Quelle wird das Gas dann erhitzt,und mit einem Magnetfeld, eigentlich mit einem wechselnden Magnetfeld,das dazu führt, dass sich die Teilchen in diesem Gas immer schneller und schnellerbewegen, dass das Gas ionisiert wird, sprich, dass die Teilchen auch,dass die Elektronen sich loslösen von dem Proton und dass man im Endeffekt ein Plasma erzeugt.Also einen Zustand, wo ionisierte Teilchen herumflitzen, wenn man so möchte.Und in dem ersten Teil unserer Kette ist es aber so, dass wir gar noch nichtdas Proton verwenden, sondern ein negativ geladenes Wasserstoffatom.Sprich, wir Wir fügen im Prinzip dem Wasserstoff einmal in erster Linie noch ein Elektron hinzu.Und dann wird dieser negativ geladene Wasserstoff aus der Quelle mit Elektrodenrausbeschleunigt, rausgezogen, rausgesaugt im Prinzip.Und danach, nach dieser Quelle, das sind wirklich die ersten zwei Meter derBeschleunigeranlage, geht es in einen Linearbeschleuniger.Und dieser Linearbeschleuniger ist die effizienteste Möglichkeit,um Teilchen möglichst schnell einerseits zu fokussieren, weil man muss sichvorstellen, wenn die Teilchen aus der Quelle herauskommen, haben die auch Winkelverteilungen.Das heißt, die haben eigentlich die Tendenz, in alle Richtungen gestreut zuwerden. Jetzt möchte man die transversal, also horizontal und vertikal,möglichst fokussieren, aber gleichzeitig sie nach vorne beschleunigen,also ihnen mehr Energie geben.Und das passiert in erster Linie in einem sogenannten RFQ, Radio Frequency Quadrupole.Radio Hochfrequenter Quadrupole.Da kann man vielleicht noch dazu sagen, dass ein Beschleuniger so Grundbausteine hat.Und wenn man sich jetzt so einen Linearbeschleuniger anschaut,hat er eben als einen Grundbaustein die Hochfrequenz-Elemente,Hochfrequenz-Kavitäten, wie wir sagen, die dazu dienen mittels elektrischenFeldern, Energie an die Teilchen zu übergeben und sie zu beschleunigen.Und andererseits gibt es Quadrupole, die sind magnetischer Natur,das heißt wir haben ein magnetisches Quadrupolfeld, das dazu dient die Teilchenzu fokussieren, horizontal und Transfersaal dafür zu sorgen, dass die eben nicht...Auseinanderlaufen und im Endeffekt verloren gehen.
Tim Pritlove
Die werden sozusagen durch Magnetfelder so eingerahmt und in Spur gesetzt.
Alexander Huschauer
Alles passiert natürlich in einer Vakuumkammer, weil wir möglichst wenig Kollisionenmit dem Restgas haben möchten, um die Anzahl der Teilchen relativ hoch zu halten.Dementsprechend bewegen sich die Teilchen in einer Vakuumkammer und außen herumsind eben diese magnetischen Felder und teilweise gibt es dann Öffnungen inden Vakuumkammern, wo eben diese elektrischen Felder wirken und die Teilchen beschleunigen können.
Tim Pritlove
Ich hab jetzt noch nicht so ganz verstanden, warum man jetzt erstmal noch einenElektron hinzufügt und dann aus dieser Quelle diese, wie nennt man das dann,wenn das Proton mit zwei Elektronen versorgt ist?
Alexander Huschauer
Das negativ geladene Wasserstoffatom.
Tim Pritlove
Das negativ geladene Wasserstoffatom. Das ist ja eigentlich nicht das,was wir auf die Reise schicken wollen. Warum wird denn das rausgezogen? Noch nicht.
Alexander Huschauer
Wir hatten auch bis 2018 haben wir rein Protonen beschleunigt und zwischen 2019und 2020 gab es hier ein Upgrade-Programm,wo viele der Beschleuniger in ihrer Leistungsfähigkeit verbessert wurden undeiner der Schritte war eben diesen neuen Linak, diesen neuen Linearbeschleunigerzu installieren, der H-, negativgeladene Wasserstoffatome, beschleunigt.Und das ist dazu da, dass man dann eigentlich in der nächsten Maschine,der erste Ringbeschleuniger ist, die Teilchendichte erhöhen kann und somit einegrößere Anzahl von Teilchen in einer kleineren Fläche zusammenpacken kann.Weil das ist das, was im Endeffekt bei Experimenten wie beim LHC zählt.Es ist, dass man möglichst viele Kollisionen zusammenbekommt.Und wie bekommt man mehr und mehr Kollisionen zusammen? indem man einerseitsdie Anzahl der Teilchen erhöht oder andererseits die Strahldimensionen verkleinert,damit, wenn man sie aufeinander schießt, möglichst viele Teilchen miteinander kollidieren.Das heißt wir gehen dann durch diesen Linak, wo Stück für Stück die Energieder Teilchen erhöht wird mit verschiedenen Kavitäten,verschiedenen Arten von Kavitäten und am Ende der Quelle haben wir zum Beispiel45 Kiloelektronenvolt an Energie.Das heißt, die Quelle hat 45 Kilowolt und wenn die Ladung da durchgeht,dann spricht man davon, dass die Teilchen auf 45 Kiloelektronenvolt beschleunigt wurden.Im Prinzip, wenn man sich eine Batterie hernimmt mit einem Volt,ein Teilchen, das von einem Volt beschleunigt wird, hätte am Ende einen Elektronenvolt.Und das sind diese Energieskalen, die wir am CERN verwenden,um unsere Beschleuniger zu definieren.Welche Größenordnungen von Energien, die im Prinzip den Teilchen geben können.Jetzt sind wir am Ende dieses Linux, sind wir von den 45 kEV am Beginn zu 160Megaelektronenvolt, 160 MeV gekommen.Und dann gehen wir in die erste Transferlinie.
Tim Pritlove
Warte mal kurz. Das Beschleunigen mit diesen Hohlräumen, diesen Kavitäten,was genau beschleunigt denn jetzt diese Elemente?Also was führt dazu, dass sie schneller unterwegs sind? Weil da muss ja irgendwieEnergie übertragen werden und nur so ein Magnetfelder nebenhalten allein reichtja nicht. Das ist zum Ablenken vielleicht ganz gut und zum Ausrichten,aber da wird man ja noch nicht automatisch schneller von.
Alexander Huschauer
Da wird man überhaupt nicht schneller davon, ganz genau. Deswegen braucht man elektrische Felder.Mit Magnetfeldern können wir die Teilchen manipulieren. Wir können sie ebenfokussieren oder auch auf Kreisbahnen lenken.Aber dann brauchen wir elektrische Felder, um wirklich die Energie der Teilchen erhöhen zu können.Sprich, man muss sich das so vorstellen, dass wir oszillierende elektrischeFelder haben Und die Teilchen im Prinzip.Angesorgt werden von diesem elektrischen Feld, wenn es die richtige Polaritäthat, je nachdem welche Ladung.Sprich, wir haben einen negativ geladenen Wasserstoff, der wird von einem positivenelektrischen Feld angezogen.Danach wird das umgepolt, sodass das Feld negativ wird, wenn das geladene Teilchenvorbei ist und dann wieder abgestoßen wird.Und so müssen wir schön synchronisiert Stück für Stück entlang des Beschleunigers dafür sorgen,dass diese Polaritäten der Felder immer so sind, dass wir im Endeffekt einekontinuierliche Beschleunigung entlang der Maschine erhalten.
Tim Pritlove
Also im Prinzip wie bei einer Schaukel, wo man dann auch im richtigen Momentsein Gewicht so verlagert,dass man dann immer genau schiebt, wenn man es braucht und sich nach vorne verlegtzurück und dadurch quasi die eigene Bewegungsenergie, Also wenn man sie richtigtimet, auf die Schaukel überträgt und dann schaukelt es immer schneller.
Alexander Huschauer
Ganz genau und wenn man sie falsch timet, dann bleibt das Teilchen stehen.
Tim Pritlove
Okay, verstehe. Und das machen diese Hohlraum- Hochfrequenz-Kavitäten.Hochfrequenz-Kavitäten.
Alexander Huschauer
Weil sie eben mit sehr hohen Frequenzen arbeiten. In dem LIMNAC zum Beispielmit 350 Megahertz oszilliert dieses elektrische Feld dann.
Tim Pritlove
Aber wie synchronisiert sich denn dann dieses elektrische Feld?Da muss man ja quasi sehr genau wissen wie schnell das Teilchen schon ist.Muss man das messen oder ergibt sich das?
Alexander Huschauer
Im Linac ist das ein Teil des Designs der Maschine.Man muss sagen im Prinzip gibt es da einen sogenannten Driftube Linac.Das heißt, die Teilchen fliegen durch kleine Röhrchen, in denen sie abgeschirmtwerden von dem elektrischen Feld. Und währenddem sie abgeschirmt werden, wird das Feld umgepolt.So, dass wenn das Teilchen am Ende dieser Röhre herauskommt,es genau wieder beschleunigt wird, weil das Feld die richtige Polarität hat.Dann gibt es aber jetzt nicht nur eine so eine Röhre in so einem Linearbeschleuniger, es gibt viele.Und die Teilchen werden schneller und schneller und schneller.Die Frequenz dieses elektrischen Felds bleibt aber konstant.Dementsprechend müssen diese Röhren, in denen die Teilchen abgeschirmt werden,auch immer länger und länger werden. Also im Inneren so eines Drift-Tube-Linux.Und ja, so ist das eine Anordnung von verschiedenen Röhren, wo dazwischen dannBeschleunigung stattfindet in einem Linearbeschleuniger, in einem Kreisbeschleunigersieht das Ganze wieder ein bisschen anders aus.
Tim Pritlove
Okay, aber der Linearbeschleuniger ist jetzt sozusagen erstmal dafür da,die Source erstmal anzuzapfen, überhaupt erstmal die Teilchen,die man haben will, die man beschleunigen möchte, rauszunehmen und dann ebenüber diese Methodik erstmal auf so eine Grundgeschwindigkeit zu bringen und nicht nur das,sondern auch gerade auszurichten, dass sie einfach eine klare Richtung habenund das sowohl in horizontaler, als auch in vertikaler Sicht.Also man weiß, wo man hinschießt und man weiß, wie schnell man schießt und woder Strahl sich befindet und dann kann es eigentlich erst so richtig losgehen.
Alexander Huschauer
Und man weiß auch, welche Größe der Strahl hat. Das ist wesentlich nachher fürdie Experimente und welche Energie. Also das natürlich geht mit der Geschwindigkeit einigermaßen.
Tim Pritlove
Aber nicht alle Detektoren schreienja jetzt nach Wasserstoffatomen oder beziehungsweise nach Protonen.
Alexander Huschauer
Aber der Großteil, sagen wir mal, also wir haben eben den Großteil des Jahresam CERN machen wir Protonenphysik.Wir machen meistens am Ende des Jahres, haben wir einen Monat Ionenphysik,wo wir dann Bleionen verwenden. Aber den Rest des Jahres machen wir eigentlich immer Protonenphysik.Natürlich ist es dann so, dass die Experimente selbst nicht unbedingt die Protonenbrauchen, aber aus den Protonen werden eventuelle Sekundärteilchen erzeugt,die dann wirklich von den Experimenten verwendet werden.
Tim Pritlove
Und das Blei, wo kommt das her?
Alexander Huschauer
Das kommt aus einer anderen Quelle. Also im Prinzip gibt es diese Wasserstoffquelle,es gibt eine Bleiquelle mit einem anderen Linak.Dort funktioniert das ein bisschen anders, da gibt es so ein kleines Stück 10Gramm schwerer Blei, das aufgeheizt wird, wo dann diese Bleiatome eben in eine Kammer hineinkommen.Dort auch wird wieder ein Plasma angeregt, in dem man mit Mikrowellen die ganze Struktur anregt.Die Teilchen dazu führen, dass sie ionisiert werden und dort werden die dannaus einer Quelle genauso herausgesaugt und in einen anderen Linang,der ein bisschen anders funktioniert, aber vom Prinzip her das gleiche ist,Teilchen beschleunigen, Strahlgröße definieren, vorbereitet.
Tim Pritlove
Also man macht sich quasi durch Hitze so eine Art Bleigas und dann geht es wenig weiter.
Alexander Huschauer
Absolut, genau. Und am Ende dieser Linearbeschleuniger gibt es dann eine Transferlinie,die jeweils zu dem ersten Ringbeschleuniger die Teilchen bringt.Und wenn wir zurück in zu der Protonenkette, dann ist nach dem LINAK 4,der eben unser erster Beschleuniger ist, der diesen Wasserstoff beschleunigt.
Tim Pritlove
Wenn er der erste ist, warum heißt er dann 4?
Alexander Huschauer
Ja, weil es davor 1, 2 gab. 3 ist der für die Ionen und 4 ist der neue,der jetzt eben 2019 quasi in Betrieb genommen wurde.
Tim Pritlove
Also die die neueste Version.
Alexander Huschauer
Und dann gehen wir hinein in den Booster, den Proton-Synchrotron-Booster,der die erste kreisförmige Maschine ist.Unsere Kreisbeschleuniger, die nennen wir Synchrotron. Da sage ich dann auchnochmal dazu vielleicht warum genau. Also gehen wir zu den Bestandteilen,die wir brauchen. Beim LINAC hatten wir jetzt schon die Hochfrequenz-Kavitätenund Quadrupole zum Fokussieren.Ein wesentlicher Bestandteil für einen Ringbeschleuniger fehlt uns jetzt noch,das sind die Dipolmagnete.Dipolmagnete haben ein konstantes magnetisches Feld und geladene Teilchen ineinem Dipolmagnet werden auf eine Kreisbahn gelenkt.Und das ist eben das, was es uns ermöglicht, die Teilchen im Kreis zu senden,in sogenannten Synchrotrons, in diesen Kreisbeschleunigern.Und mit diesen Quadrupolmagneten kommt es auch in diesen Maschinen zur transversalenFokussierung und dann gibt es eben noch genauso Hochfrequenz-Kavitäten in denMaschinen, die auch dort dazu führen, dass die Teilchen beschleunigt werden.Es ist ein großer Unterschied aber zum LINAK, weil beim LINAK gehen diese Teilchendurch zum Beispiel beim LINAK 4 86 Meter einmal durch.Die werden einfach einmal beschleunigt und dann ist die Beschleunigung dort erledigt.Bei dem Kreisbeschleuniger nützt man jetzt aus, dass man wesentlich kleinereelektrische Spannungen hat, kleinere Beschleunigung bekommt,aber dafür eben oftmals im Kreis geht. Und jedes Mal, wenn das Teilchen vorbeikommt,wenn es im Kreis geht, wird es mehr und mehr und mehr beschleunigt.Wenn es jetzt mehr beschleunigt wird, sagen wir auch, dass es im Prinzip morerigid wird, rigider, und Es lässt sich.Also die Ablenkung in einem gleichbleibenden Magnetfeld wird immer weniger und weniger.Um ein Teilchen, das immer höhere und höhere Energie bekommt,weiterhin auf einer gleichen Kreisbahn halten zu können,muss man auch das Magnetfeld der Dipole nach oben fahren, so damit eben derKreisbeschleuniger hat eben eine Vakuumkammer und die Teilchen müssen idealerweiseim Zentrum dieser Vakuumkammer bleiben.Wenn sie davon zu weit ausgelenkt werden, dann werden sie irgendwann die Kammertreffen und dann sind sie weg.Und deswegen heißen die Maschinen Synchrotron, weil synchron mit der Beschleunigungmuss man das Magnetfeld der Dipole und im weiteren Sinne auch der Quadropoleerhöhen, damit man die Teilchen auf der gleichen Kreisbahn halten kann.
Tim Pritlove
Und die erhöht man, indem man da mehr Strom reinsteckt?
Alexander Huschauer
Für die Magnete, ganz genau. Konventionelle Magnete, Eisenmagnete,die wir hier verwenden, die gehen so bis 1,2 Tesla Magnetfeld hinauf.Das sind normal leitende dann.Und wenn man dann an den LAC schaut, dann verwenden wir dort eben supraleitendeMagnete, wo wir 8,3 Tesla Magnetfelder erzeugen können, die mit konventionellenEisenmagneten nicht mehr erreichbar sind.
Tim Pritlove
Also das mit dem Ring ist ja eigentlich eine ganz pfiffige Nummer,weil sonst müsste man es ja quasi einmal um die Erde schicken,wäre auch ganz schön, wäre ein echt toller Ring, aber kriegt man irgendwie nicht so richtig gebaut.Heißt aber auch, wenn man es einmal in den Ring reinschickt,dann möchte man es ja auch irgendwann aus dem Ring wieder rauskriegen,da gibt es ja dann sozusagen eine Kreuzung, da muss ja dann irgendwo auch maleine Weiche gestellt werden und vor allem, vielleicht kannst du uns auch gleichmal so ein Gefühl für die Zeit geben, in der sich das jetzt alles abspielt.Also klar das Teilchen kommt aus dem Linearbeschleuniger, das macht halt zack,dann ist es halt irgendwie schon in diesem Synchrotron.Wie lange dauert das jetzt bis man das auf die gewünschte erste Zwischengeschwindigkeit bekommt?Ist das dann auch nur zack und dann war's oder reden wir von Sekunden?
Alexander Huschauer
Sekunden, Sekunden in dem Fall. Also wir sprechen da immer von einer sogenanntenBasic Period, das ist so quasi der Herzschlag aller unserer Beschleuniger, das ist 1,2 Sekunden.Alle 1,2 Sekunden kann unser erster Beschleuniger, erster Synchrotron der Boostereben Strahl liefern an entweder eins der Experimente, das direkt an dem Boosterdran hängt oder an die nächsten Beschleuniger in der Kette.Und innerhalb dieser 1,2 Sekunden passiert jetzt eben, dass der LINAC injiziert.Danach werden die Teilchen beschleunigt, also das Magnetfeld im Booster wirdnach oben gefahren, bis wir von der Injektionsenergie von 160 MeV auf 2 GeV kommen.An diesem Punkt würden dann die Strahlen aus der Maschine extrahiert werden,zu der nächsten Maschine zum Beispiel. Und danach muss natürlich das Magnetfeldauch wieder runtergefahren werden, damit man bereit ist für die nächste Injektion.Und das nennen wir einen magnetischen Zyklus.Injektion, Extraktion, wieder runterfahren, vorbereiten für die nächste Injektion.Und das passiert eben alle 1,2 Sekunden.Und die Beschleuniger, die dann dahinter stehen, Die können,die Länge des magnetischen Zyklus kann im Prinzip ein Vielfaches dieser 1,2 Sekunden sein.
Tim Pritlove
Die Rausführung ist dann sozusagen am Ende auch nur ein anders geschalteterMagnet, der dann sozusagen das Teilchen nicht weiter in dieser Kreisbahn hält,sondern einfach frei schießen lässt und dann schießt es einfach gerade rauf.
Alexander Huschauer
Wir nennen diese Elemente Kicker. Die kicken den Beam aus der Maschine raus.Die sind im Prinzip schnelle Magnete, weil diese Dipole, die wir im Ring haben,diese Hauptdipole, die ändern ihr Magnetfeld relativ langsam, über Millisekunden.Also im Bereich von Millisekunden ändert man das Feld um, wir sprechen da vonGauss, 10 hoch minus 4 Tesla.Und dann sind das 10-20 Gauss, die sich da in der Millisekunde ändern.Um den Strahl jetzt aber aus der Maschine zu extrahieren, wir sprechen da vonUmlaufzeiten, die im Mikrosekundenbereich sind. Das heißt viel schneller.Deswegen braucht man schnell gepulste Magnete, eben diese Kicker,die so ein, zwei Mikrosekunden lang ein Magnetfeld aufbauen und den Strahl wirklichdann rauskicken, durch ein sogenanntes Septum.Also im Ring selbst befindet sich so ein Kicker und dann geht der Strahl durchein Septum durch, das wiederum nichts anderes als ein Magnet ist,das dazu führt, dass der Strahl dann ausgelenkt wird in die Transferlinie.
Tim Pritlove
Okay, ich hätte jetzt vielleicht als erstes erstmal erwartet,dass man einfach einen dieser Magneten, die das im Ring halten,einfach ausschaltet und dann schießt das gerade aus, aber das ist nicht so,weil die halt eben langsam sind und insofern dafür geeignet sind.Das heißt man hat noch so einen zwischengeschalteten Kickermagneten,der das daher einfach rausboxt.
Alexander Huschauer
Genau, es gibt viele zusätzliche Magnete in einem Beschleuniger.Es gibt immer die Hauptdipole, es gibt die Hauptquadrupole, die eben für dietransversale Fokussierung da sind.Es gibt die Hochfrequenzkapitäten, es gibt diese Kicker, es gibt die Scepter,das sind eben diese Elemente zum Extrahieren direkt.Es gibt Messinstrumente, man möchte wissen,wie viel Intensität, wie viele Teilchen laufen um in meinem Ring,welche Größe haben die, sprich ich kann die transversale Größe messen und vieleandere Elemente. Es gibt Positionen.
Tim Pritlove
Wie viel ist da drin?
Alexander Huschauer
Mit einer Spule im Prinzip, die rundherum gewickelt ist, um deine Vakuumkammer.
Tim Pritlove
Achso, weil das Teilchen da durchfliegt, dann erzeugt es natürlich einen Strom.
Alexander Huschauer
Genau, das nennen wir Beam Current Transformer. Also da wird einfach ein Strominduziert, der der Anzahl der Teilchen proportional ist.Und genauso kann man transversal die Größe messen des Strahls.Das machen wir mit einem Draht, der durch den Strahl durchgeht,sogenannter Wire Scanner.Das heißt, der wird von links nach rechts oder oben nach unten durch den Strahl durchbewegt.Dieser Draht ist eigentlich so ein Kohlenstoffdraht, die Teilchen kollidierenmit diesem Kohlenstoffdraht.Wird dann dazu geführt, dass Sekundärteilchen erzeugt werden.Die werden von einem Sintellator gemessen, das wird verstärkt und das Signalist dann proportional zur Größe deines Strahls. Und du kannst sagen,okay, dieser Strahl in den kleineren Maschinen ist vielleicht einen Zentimeter groß.Im LHC, wenn es dann wirklich sehr klein wird, dann ist er halt ein paar hundert Mikrometer groß.
Tim Pritlove
Eben Durchmesser?
Alexander Huschauer
Genau. Das ist nämlich auch ein wesentlicher Punkt. Je höher die Energie ist,umso kleiner werden die Dimensionen der Teilchen.Dementsprechend hat man auch bei den ersten Beschleunigern Vakuumkammern,die extrem groß sind, weil diese Strahlen halt noch sehr divergent sind.Und da reden wir von ein paar Zentimetern.Dies können schon mal so sein, so 15 Zentimeter in der horizontalen Richtungund 7, 8 Zentimeter in der vertikalen Richtung.Während dann im LHC die Kammer halt wesentlich kleiner ist und hat dann nureinen Durchmesser von so 4 Zentimetern ungefähr.
Tim Pritlove
Aber nicht die Teilchen selber sind kleiner, sondern der Strahl in dem sie gebündelt sind ist kleiner.
Alexander Huschauer
Also im Prinzip der Leerraum zwischen den Teilchen verschwindet.
Tim Pritlove
Ok, verstehe.Ok, also wir haben jetzt die Quelle gehabt, wir haben die lineare Beschleunigunggehabt, dort ging es ins Synchrotron rein, dann hat man 1,2 Sekunden Zeit dasmal ordentlich in Rotation zu bringen.Das wird mit diesen langsamen Magneten, also verhältnismäßig langsamen Magnetengemacht und dann mit dem Kicker werden sie raus aus ihrer Flugbahn ein wenig abgelenkt,um dann von diesem Septum Element, was macht denn das überhaupt?
Alexander Huschauer
Ist wieder im Prinzip ein Dipole, ein schnell gepulster Genuss.
Tim Pritlove
Also nochmal ein Magnet.
Alexander Huschauer
Nochmal ein Magnet.
Tim Pritlove
Aber reicht der Kicker alleine nicht schon? Ich meine, wenn er kickt,dann fliegt das doch schon woanders hin. Wozu braucht man dann noch einen?
Alexander Huschauer
Dann fliegt es woanders hin, aber man muss in der Maschine, muss man sich vorstellen,aus dem einerseits den zirkulierenden Strahl hat.Und dann hat man den extrahierten Strahl. Wenn dieses Septum jetzt im Zentrumder Maschine sein würde, würde dort der zirkulierende Strahl sich bewegen undder Strahl würde im Prinzip jedes Mal aus der Maschine ausgelenkt werden.Aus dem Grund ist dieser Septum-Magnet mit einigem Abstand zum Zentrum der Maschine,also ein paar Zentimeter außerhalb, installiert.Dann verwendet man den Kicker, dass der Beam von der zentralen,idealen Orbit eben ausgelenkt wirdund dann in die Öffnung von diesem Septum hineingetroffen wird und nur dortsieht der Strahl dann wirklich das Magnetfeld von dem Septum,so dass der zirkulierende Strahl während dieser ganzen 1,2 Sekunden nie vondiesem Feld, das in dem Septum wirkt, beeinflusst wird.Und erst dann, wenn der Strahl zu hohen Amplituden gekickt wurde,dann sieht der Strahl dort das Magnetfeld, wird ausgelenkt und dann geht esweiter in der Transferlinie.
Tim Pritlove
Okay, also weiter in der Transferlinie.Was folgt denn auf dieses Synchrotron? Gibt es da nur eins von oder hat jederLinearbeschleuniger sein eigenes?
Alexander Huschauer
Da gibt es ein paar. Das ist eben die Beschleunigerkette. Es gibt einen Linearbeschleuniger,dann gehen wir in einen Proton-Synchrotron-Booster, von dort gehen wir in dasProtonen-Synchrotron, dann in das Super-Protonen-Synchrotron und dann in den LAC.
Tim Pritlove
Okay, also es gibt im Prinzip eine Kaskade von mehr oder weniger ähnlich aufgebautenDingern, die aber unterschiedliche Größen, andere Magnete, andere Dimensionierungenhaben und dabei immer wieder die Energie weiter steigern.
Alexander Huschauer
Genau, so Pi mal Dormen ist so ein Faktor 10 Energieerhöhung pro Maschine möglich.
Tim Pritlove
Okay, wie groß sind diese einzelnen Synchrotrone dann so im Durchmesser?
Alexander Huschauer
Also der Booster hat einen Radius von 25 Metern mit einer Länge von 157 Metern,der PS 628 Meter Länge, SPS 7 Kilometer und LAC dann 27 Kilometer Länge.Und zum Beispiel, wenn man sich den PS hernimmt mit einem Radius von 100 Meternund den Proton-Synchrotron-Booster mit einem Radius von 25 Metern,da sieht man genau da, dass da eben ein Faktor 4 dazwischen ist,weil in den Anfängen des ZERNs gab es den LINAK, der direkt in den PS injiziert hatte.Und zwischen dann irgendwann in den 70er Jahren, um die Energie zu boosten,wurde der Booster dazwischen geschaltet.Und der hat dann eben dazu geführt, dass die Strahlen, die in den PS injiziertwerden, höhere Energie haben, als sie ursprünglich vom Linnak hatten.Und das erlaubt einem höhere Strahldichten zu erzeugen, also mehr Teilchen inkleinerer Fläche, um dann effizientere Experimente durchführen zu können.
Tim Pritlove
So, das waren jetzt vier Synchrotrone, die wir aufgezählt haben.
Alexander Huschauer
Ganz genau.
Tim Pritlove
Aber der Booster gehört jetzt nicht dazu?
Alexander Huschauer
Doch, doch. Booster, PS, SPS und LAC.
Tim Pritlove
Okay, Booster, PS, SPS, LRC. Jetzt kriegst du langsam auf die Kette hier imwahrsten Sinne des Wortes.Und es folgt auch nur noch Synchrotron auf Synchrotron, also die Verbindungist sozusagen dann unmittelbar.Vom Booster fliegt es auch direkt in den nächsten Ring rein.
Alexander Huschauer
Jeder dieser Beschleuniger hat zusätzlich seine experimentelle Zone,Experimental Area nennen wir das, wo genauso Physikexperimente durchgeführt werden.Also einerseits kann der Strahl zur nächsten Maschine kommen,andererseits kann der Strahl zu diesen Experimenten direkt ausgelenkt werden.
Tim Pritlove
Für Experimente, die jetzt nicht so viel Energie brauchen.
Alexander Huschauer
Ganz genau, ganz genau. Gibt es verschiedenste. Eben je nach Energiebedarf sindsie dann an einem anderen Beschleuniger angesiedelt Und die nennt man FixedTarget Experimente, sprich man schießt den Strahl auf ein feststehendes Ziel,ein Metallblock in der Regel, und dahinter werden sekundäre Strahlen erzeugt.Und je nachdem welches Experiment dort angeordnet ist, filtert es dann die Sekundärteilchen aus, Die,benützt werden für das jeweilige Experiment und macht dann damit weitere Untersuchungenoder der Strahl geht eben weiter zum nächsten Beschleuniger,wo einfach die Energie erhöht wird und dann geht es weiter zum nächsten odereben zu der anderen Experimental Area.
Tim Pritlove
Das kann man sozusagen je nach Experimentbedarf entsprechend timen,dass man weiß so hier jetzt muss man da was machen und jetzt brauchen wir es in dem großen,Es ist nicht so, dass nur eine dieser Konstellationen gleichzeitig funktionieren kann,sondern die werden sozusagen die ganze Zeit alle parallel bedient,dass es mehr oder weniger gleichzeitig, nebenläufig funktionieren kann.
Alexander Huschauer
Ganz genau, das ist relativ flexibel. Also wir haben diese 1,2 Sekunden,in denen der Boosterstrahl produzieren kann,dann geht der Strahl zum Beispiel zum PS weiter und kann dort innerhalb von1,2 Sekunden wiederum extrahiert werden, ausgelenkt zu einem der Experimente.Zum Beispiel gibt es EntOF, Neutron Time of Flight, wo Neutronenphysik gemacht wird.Oder, es ist nicht immer im PS dann 1,2 Sekunden, manchmal muss man auch umdie Energie weiter zu erhöhen, 2,4 Sekunden oder 3,6 Sekunden machen.Also diese Basic Period von 1,2 Sekunden einfach zusammenpacken in längere magnetische Zyklen.Und dann kann man Strahl weiter senden zum Beispiel zu unserer Antimaterie Maschine,dem Antiproton Decelerator oder zum Superprotonen Synchrotron,wo dann im weiteren die Strahlen zum LAC.Für den LHC produziert werden, aber das geht eben relativ flexibel.Also einmal gibt es einen Strahl für ENTOF, einmal gibt es einen Strahl fürAD, einmal gibt es einen Strahl zum SPS.Danach hat wieder nur der Booster Strahl und schickt das zu seiner Facility,die ist die Isolde Facility, wo Isotope und exotische Atomkerne untersucht werden.Und das ist relativ flexibel und all das wird immer und wieder abgespielt ineiner Konstellation, die wir Super Cycle nennen.Also man hat zum Beispiel eine Programmierung von 20 verschiedenen magnetischen Zyklen,die werden abgespeichert, da gibt es das Haupt-Timing-System,das ist dafür zuständig, dass all diese Dinge eben der Reihe nach abgespieltwerden und nach 30 Sekunden beginnt es wieder vom Neuen und die gleichen Userbekommen wiederum ihren Strahl.Das heißt, was bei uns wichtig ist, ist dann der sogenannte Duty-Cycle,wie viel Strahl bekommt welches Experiment zu welchem Zeitpunkt.Und das ist halt ein bisschen ein Verhandlungsgeschick im Hintergrund und dagibt es natürlich gibt es da vom CERN Council dann auch Prioritäten,welche Experimente sollten wie viel Strahlzeit bekommen über das Jahr verteilt.Dann gibt es den Physikkoordinator, der sich dafür dann einsetzt,dass die Interessen der Experimente richtig vertreten werden.Und gemeinsam mit der Operation entwickelt man dann eben so ein Schema,wie man diesen Beschleunigerkomplex betreibt, sodass im Endeffekt jeder glücklich wird.
Tim Pritlove
Also vergleichbar mit so der Zuteilung von Beobachtungszeit auf Weltraumteleskopen,wo sich ja auch mal alle boxen, wer denn jetzt mal wann wohin gucken kann.Aber das lässt sich ja hier ganz gut aufteilen zumindest. Aber irgendwann istnatürlich dann auch jeder Strahl vergeben und dann geht's los das Geboxe.
Alexander Huschauer
Stimmt ja.
Tim Pritlove
Was sind denn exotische Atomkerne?Gibt es welche, die so ein bisschen aus der Mode gekommen sind oder die nichtso oft angeschaut werden?
Alexander Huschauer
Ja vor allem die sehr kurzlebig sind. Das sind dann Teilchen,die wirklich unter Lava-Bedingungen erzeugt werden, die dann sehr kurzlebigsind, oft sehr schwer sind und dann gibt es eben die Isolde-Facility,die sich damit genauer dann beschäftigt und ansieht, wie sich diese Teilchen verhalten.
Tim Pritlove
Diese vier Synchrotrone sind ja vermutlich auch alle mehr oder weniger in derReihenfolge gebaut worden. Mit dem kleinsten hat es mal angefangen und dannist man immer größer geworden, bis es halt jetzt bis zu dem LHC gekommen ist.Und es gibt ja auch schon Pläne für noch größere Ausdehnungen.Sind denn die technischen Unterschiededieser 4 Synchrotoner dürften wahrscheinlich auch signifikant sein?Also einerseits, also das Prinzip ist immer das gleiche, aber die konkrete Ausführung ist anders.
Alexander Huschauer
Genau, also die Art und Weise dieser Hauptmagnete.Die ändert sich von Maschine zu Maschine. Im Booster, im PS und im SPS verwendenwir eben immer noch normal leitende Magnete, während im LAC dann supra leitendeMagnete verwendet werden.Die Energie, die maximale Energie, die man erreichen kann in einer Maschine,hängt eben ab von dem maximalen Magnetfeld, das man erreichen kann und von demDurchmesser der Maschine.Dementsprechend braucht man, um zu den höchsten Energien zu kommen, große Tunnel.
Tim Pritlove
Warum ist denn der Durchmesser entscheidend? Man könnte doch im Prinzip sagen,man kann sich die ganze Zeit im Kreis drehen, wird immer schneller.
Alexander Huschauer
Aber irgendwann, das ist eben das Prinzip des Synchrotrons, sie werden immerenergetischer und energetischer, wenn das Magnetfeld nicht mehr mitfahren kann,dann kannst du sie irgendwann nicht mehr auf der Kreisbahn halten.Und deswegen mit normalen Leitungen.
Tim Pritlove
Man muss die Krümmung reduzieren, damit man es überhaupt noch halten kann,trotz höherer Energien.
Alexander Huschauer
Ganz genau. Und wenn wir dann vielleicht ein bisschen zur Supraleitung gehen, zum LHC.
Tim Pritlove
Das ist nur dort so.
Alexander Huschauer
Es gibt verschiedenste kleinere Installationen, wo einzelne Magnete supraleitendsind am CERN, aber wirklich am LHC sind die Hauptmagnete wirklich supraleitend.Also da gibt es 1232 Dipole, die installiert sind. Jeder ist 15 Meter lang und die sind supraleitend.Sprich, da ist nicht mehr das Eisen dafür zuständig,dass die magnetische Feldlinienverteilung vorgegeben wird, sondern diese supraleitendenKabel, die im Inneren der Dipole angeordnet sind, sind auf eine bestimmte Artund Weise angeordnet, dass eben ein Dipolemagnetfeld entsteht.Und um in diesen supraleitenden Zustand zu kommen, muss man die Magnete kühlen.Weil im Falle vom LAC wird er betrieben bei minus 271 Grad Celsius bei 1,9 Kelvin.Diese Kabel, die da verwendet werden, sind aus Niobium-Titan,die unterhalb einer bestimmten Temperatur superleitend werden,was eben heißt, dass sie ihren elektrischen Widerstand verlieren und dass hoheStröme, so wie im LHC, bis zu 12.000,Ampere, ungehindert fließen können. Aber dafür muss diese Superleitung permanentaufrechterhalten werden.Was heißt, diese Magnete müssen mit flüssigem Helium gekühlt werden,um eben auf 1,9 Kelvin Arbeitstemperatur gehalten zu werden.Da kann man sich schon vorstellen, dass da eine riesige Infrastruktur dahintersteckt, um dieses Helium zur Verfügung zu stellen, abzukühlen,in die Magnete zu bringen und die Magnete runter zu kühlen.
Tim Pritlove
Ist flüssiges Helium nicht auch so total ätzend, dass man das überhaupt im Tankbehält? Also das kriecht doch auch überall durch, oder?
Alexander Huschauer
Es gibt dann natürlich, wir sprechen da von einer Cold Mass,das ist jener Teil des Magneten, der kalt ist, der gekühlt wird.Und der muss natürlich bestens abgeschirmt sein gegenüber der Außenwelt.Das ist dann in seinem sogenannten Kryostat.Da gibt es eine riesige Infrastruktur für die Kryotechnik.Und man muss natürlich aufpassen zwischen den Verbindungen der Magneten,dass alles extrem dicht ist, dass dort das Helium dann auch nicht irgendwo entweichen kann.
Tim Pritlove
Weil das tut es gerne, ne?
Alexander Huschauer
Ja, ich meine, es ist natürlich auch in unserem Interesse, es nicht entweichen zu lassen.Das ist natürlich eine 150 Tonnen vom Helium sind am CERN gespeichert und inVerwendung, rein für den LHC. Das ist natürlich ein riesiger Speicher,der auch einiges dann an Geld bindet, sag ich mal.Und dementsprechend muss man da wirklich effizient sein, dass das wiederverwendet wird.
Tim Pritlove
Aber wodurch wird diese Kühlung realisiert?Also Helium muss ja erstmal gekühlt werden, das ist ja nur das Übertragungsmedium an der Stelle.
Alexander Huschauer
Da gibt es eben in dieser Kryotechnik verschiedene Kompressoren und Wärmetauscherund Stickstoff vor allem, der als erste Kühlstufe dient, um die Maschine dannrunter zu kühlen bis zu 80 Kelvin.Und ab dann erst übernimmt das Helium auch die weitere Kühltätigkeit, sage ich mal.Und es ist vor allem, wenn mansich denkt, dass man diese Maschine von Raumtemperatur runterkühlen muss,minus 270 auf minus270 grad dann kommt es dann natürlich auch zuextremen mechanischen änderungen alsoim endeffekt verkürzt sich so eine lhc magnet beim abkühlen um bis zu vier zentimeterder ist wie groß normalerweise der ist eben so 15 meter lang 15 meter und wirdvier zentimeter also über die ganze maschine sprechen wir da schon von mehrals 50 metern dann ja und das muss ausgeglichen werden,auch von diesen Flanschen oder Bellows,die flexibel gestaltet werden müssen zwischen den verschiedenen Magneten,damit dort diese Längendilatation abgefangen werden kann.
Tim Pritlove
Wann ist der LHC das erste Mal in Betrieb gegangen?
Alexander Huschauer
Das erste Mal in Betrieb gegangen ist der 2008 und dann gab es einen kleinen Stopp 2008 bis 2009.
Tim Pritlove
Weil mit dem Magneten was schief gelaufen ist?
Alexander Huschauer
Genau, da ist in der ersten Phase, während einer Testphase ein bisschen was schief gelaufen.Da warst du aber noch nicht hier oder? Da war ich noch nicht hier. Ich bin seit 2011 hier.Aber da gab es einen, im Prinzip gab es einen elektrischen Kurzschluss in derVerbindung zweier Magnete.
Tim Pritlove
Ja.
Alexander Huschauer
Das hat dazu geführt, dass es dann einen Lichtbogen gab, der genau diese Verpackungdes Heliums dann mal durchtrennt hat.Das Helium dann begonnen hat dort auszutreten und eigentlich sind die Magnete,haben schon Sicherheitsvorkehrungen dafür eingebaut, dass sowas passiert.Aber das waren einfach Unmengen von Helium, die da ausgetreten sind.Diese ganzen Ventile, die da existieren, die waren nicht dafür ausgelegt.Und dementsprechend hat es dann eine riesige Druckwelle in der Maschine gegeben,als dieses flüssige Helium dann gasförmig geworden ist, durch diese Ventile austreten wollte.Der Druck hat sich immer weiter aufgebaut in diesem Kryostaten.Und dann hat es einfach dazu geführt, dass longitudinal entlang der Maschineeine extreme Druckwelle sich ausgebreitet hat und große Teile der Maschine einfach zerstört hat.Und da mussten dann auch so bis zu 50 Magnete ausgetauscht werden,was dann zu einem Stopp von einem Jahr geführt hat. Das Sicherheitssystem wurdeüberdacht und seitdem laufen wir dann auch wieder ohne Probleme.
Tim Pritlove
Also gebrannt hat er aber nichts. Nein, gebrannt hat er nichts.So eine reine mechanische Deformation, aber das ist ja auch schlimm genug bei diesen Geräten.Die kauft man ja auch nicht so von der Stange, die werden ja auch alle spezielldafür hergestellt. und da gab es dann wahrscheinlich auch keine mehr,die noch irgendwie auf Lager lagen.
Alexander Huschauer
Es gab da zum Glück noch Ersatzterrenner und Ersatzmagnete, absolut.
Tim Pritlove
Glück gehabt.
Alexander Huschauer
Glück im Unglück, das sagt gern.
Tim Pritlove
Ok, haben wir denn jetzt die Chain mehr oder weniger komplett?Wenn wir jetzt mal so die ganze Beschleunigung vielleicht noch mal kurz zusammenfassenvon der Quelle geht es durch den Linearbeschleuniger und da waren wir schonbei den Megaelektronenvolt oder waren das noch die Kilowatt?
Alexander Huschauer
160 Megaelektronenvolt und dann gehen wir in den Booster,da gehen wir zu 2 Gigaelektronenvolt, im Protonensynchrotron zu 26 Gigaelektronenvolt,im Superprotonensynchrotron zu 450 Gigaelektronenvolt Und dann schlussendlichim LHC zu 7 Teraelektronenvolt oder 7000 Gigaelektronenvolt Energie pro Strahl.Weil im LHC kollidieren wir zwei Strahlen aufeinander.Das heißt, vom SPS gibt es zwei Transferlinien, die einmal BIM1 und BIM2 in den LHC injizieren.Einmal läuft der Strahl im Uhrzeigersinn, einmal gegen den Uhrzeigersinn,in zwei unabhängigen Vakuumkammern.Und an den Interaktionspunkten, wo dann die großen Experimente angeordnet sind,dort werden die Strahlen dann vereint in eine einzelne Vakuumkammer und in Kollision gebracht.Diese Strahlen sind jetzt nicht kontinuierlich in der Maschine,die sind in Pakete zusammengefasst, die nennen wir Bunches.Particle-Proton-Bunches und im LHC haben diese Pakete 25 Nanosekunden Abstand.Also alle 25 Nanosekunden haben wir so ein Paket und insgesamt können wir so2800 dieser Pakete in der Maschine Speichern.Und in Kollision bringen.
Tim Pritlove
Speichern heißt im Ring behalten.
Alexander Huschauer
Im Ring behalten, weil das ist auch diese 1,2 Sekunden, über die wir gesprochenhaben, diese Basic Period, die trifft nicht wirklich auf den LHC zu.Der LHC ist einerseits eine Kollisionsmaschine, die eben Teilchen kollidierenlässt, aber andererseits auch ein sogenannter Speicherring, der die Protonenstrahlenüber Stunden speichern kann.Sprich die ganze Injektorenkette, die die sendet Strahl zum LHC,die füllt den LHC mit der Anzahl an Teilchen, Anzahl an Protonenpakete, die der LHC benötigt.Sobald dieses Füllen abgeschlossen ist, beginnt der LHC die Energie zu erhöhenvon den 450 GeV Injektionsenergie hoch auf diese 7 Teraelektronenvolt.Und danach beginnt man so eine Phase, in der verschiedene Maschinenparameterangepasst werden, um möglichst effizient nachher in Kollision gehen zu können.Und dann erst beginnt man Physik und das nennen wir dann Stable Beams,wenn die Strahlen eben stabil kollidieren und das kann mehrere Stunden dauern.Also der Rekord, dass die Strahlen im LHC gehalten wurden,sind um die 56 Stunden und so ein typischer Fill,also typische Dauer dieser Stable Beams ist so 8 bis 12 Stunden,in denen Kollisionen stattfinden, in denen die Direktoren dann die Kollisionsproduktemessen und langsam stetig nimmt dann die Teilchenanzahl in der Maschine ab,bis irgendwann nicht mehr genügend Teilchen vorhanden sind und dann wird dieMaschine eben neu gefüllt.
Tim Pritlove
Das heißt man, ich hab mir das glaube ich am Anfang so ein bisschen vorgestellt,für jede Kollision pumpt man einmal da so einen Strahl rein und dann ballertder anderthalb Sekunden später halt irgendwo drauf und das war's.Und wenn man wieder weitermachen will holt man sich halt einfach das nächste aus der Quelle.
Alexander Huschauer
Das ist halt ineffizient weil diese Rampe um von 450 GeV auf 7 TeraelektronenVolt zu kommen im LHC schon mal eine halbe Stunde dauert.
Tim Pritlove
Aha, das wäre meine nächste Frage gewesen, wie lange das eigentlich dauert.Eine halbe Stunde bis man auf die maximale Geschwindigkeit kommt.
Alexander Huschauer
Genau, bis man auf die maximale Energie ist.
Tim Pritlove
Das heißt, wie viel davon wird in den einzelnen der vier Ringe drauf verwendet?
Alexander Huschauer
Dieses Füllen, das dauert ungefähr eine halbe Stunde.
Tim Pritlove
Oder sind die alle im Prinzip gleichzeitig im Betrieb, die Ringe?
Alexander Huschauer
Die sind alle immer gleichzeitig in Betrieb. Die Strahlen für den LAC werdendurch die komplette Kette durchgesendet, in den LAC injiziert.Aber wir können immer nur eine bestimmte Anzahl von Teilchenpaketen erzeugen in den Injektoren.Sprich, wir brauchen viele Injektionen in den LAC von einer bestimmten Anzahl an Teilchenpaketen.Jetzt sagt man zum Beispiel, wir injizieren 144 Pakete von dem SPS in den LAC.Wir wollen im Endeffekt 2800 haben.Dementsprechend muss man diese Injektionen und diesen Prozess immer und immerwieder wiederholen, bis der LHC schlussendlich voll ist und erst wenn der LHCkomplett gefüllt ist, dann beginnt der LHC sein Energiereinschub.
Tim Pritlove
Also der wird sozusagen so richtig Druck betankt und so voll gemacht wie es irgendwie geht.Und was ist die Grenze dafür, wieviel Teilchen der aufnehmen kann und von wasfür einer Menge an Masse reden wir da?
Alexander Huschauer
Also so ein Protonen-Bunch, der hat 10 hoch 11 Teilchen.Also sind wir so bei 100 Milliarden Teilchen in einem solchen Bunch und dannhat man 2000 die da drinnen zirkulieren.Ist nicht viel. Ist nicht viel.
Tim Pritlove
Also nicht dass da jetzt Kilogramm Material rumfliegt, sondern eigentlich eher sehr sehr wenig.
Alexander Huschauer
Aber energetisch ist es extrem viel. Also die Energie, die in so einem Strahlgespeichert ist, vor allem bei der höchsten Energie im LHC, bei 7 TeV,die ist schon wirklich enorm.Und einerseits hängt das natürlich ab von der Ladung der Protonen,einerseits von der Anzahl der Teilchen, von der Anzahl der Bunche.Und da kann man dann schon sagen, dass wir so 500 Megajoule an Energie in einemStrahl speichern, was dann auch gefährlich für die Maschine werden kann.500 Megajoule kann man so eine Tonne Kupfer schmelzen.Wir machen oft den Vergleich so ein Hochgeschwindigkeitszug bei über 200 Kilometerpro Stunde hat ungefähr die gleiche gespeicherte Energie.Also kann man sich schon vorstellen, wenn der einen Unfall baut, was damit passiert.
Tim Pritlove
Ein Güterzug.Obwohl es sich quasi unbeschleunigt nur um wenige Gramm handeln würde sozusagen.
Alexander Huschauer
Also die Masse ist nicht das Problem, es ist wirklich die Energie.
Tim Pritlove
Ja klar, die Masse entsteht ja dann durch die Energie, ist ja letztlich das gleiche.Und diese Speicherung, gerade mit dem Beispiel,das war auch mal, was weiß ich, über zwei Tage da drin,das heißt, wenn man es einmal so beschleunigt hat mit diesen supraleitendenMagneten, Muss man dann auch nicht so viel Energie wieder hinzuführen,um das am Laufen zu halten oder muss das im Prinzip die ganze Zeit angetrieben werden?
Alexander Huschauer
Die Energie, die man braucht, ist jene,um das Helium kühl zu halten und um diese ganze Kryo-Anlage im Betrieb zu halten.Aber dann genau, dann haben wir keine resistiven Verluste, keinen Widerstandin den Spulen. Da zirkulieren die 11.000, 12.000 Ampere durch die Maschine.
Tim Pritlove
Weil es ja Supraleitend ist, also Hauptsache es ist kühl, aber die Kühlmaschinen,die fressen natürlich auch nochmal.
Alexander Huschauer
Absolut. Trotzdem haben wir im LHC dann einen konstanten Verbrauch von 40 Megawatt.
Tim Pritlove
40 Megawatt konstanter Verbrauch, solange der Ring in Betrieb ist.Ganz genau. Und wie oft, also ist der immer in Betrieb?
Alexander Huschauer
Gerade heute haben wir im Prinzip, oder gestern, die Commissioning-Phase vom LRC abgeschlossen.Sprich, er ist jetzt wirklich in den Physikbetrieb übergegangen und beginntjetzt langsam mit der Intensität und der Anzahl der Protonenpakete nach oben zu gehen.Das ist immer so ein, der Anfang des Jahres muss man immer wieder checken,dass wirklich alle Systeme richtig funktionieren und dass man dann langsam dieIntensität, die in der Maschine gespeichert wird, nach oben dreht,bis man eben dort ankommt, wo wir dann so gegen Ende Juni bis Ende des Jahres laufen.Und dann gibt es diese Winterstops, Wintershutdowns,und die sind dieses Jahr zum Beispiel von Ende Oktober Bis dann nächstes JahrFebruar, März, wo die Maschinen dann graduell wieder ans Netz gebracht werden.Vor allem im Winter, wenn auch der Strom relativ teuer ist, wird gestoppt.
Tim Pritlove
Deswegen?
Alexander Huschauer
Auch deswegen, absolut.
Tim Pritlove
Aber nicht nur deswegen?
Alexander Huschauer
Naja, einerseits braucht man natürlich Wartungsarbeiten, die jedes Jahr durchgeführt werden müssen,aber gerade auch mit den aktuellen Strompreisen und mit eventuellen Engpässenin der Stromlieferung und so stoppen wir auch früher, als wir normalerweise getan hätten.Also zum Beispiel dieses Jahr wird ein Jahr früher gestoppt,eben auch aus Energieeffizienzgründen.Und während dieser ganzen Zeit verbraucht der LAC diese 40 Megawatt und erstdann wirklich im Winter, wenn er abgeschaltet wird, dann geht dieser Verbrauch nach unten.
Tim Pritlove
Verstehe. Also der Grund,dass es abgeschaltet wird ist, man muss sowieso warten und man macht es dannam besten im Winter, weil dann spart man auch noch am meisten Strom und dannhaben manche auch noch ein bisschen Pause und man macht ja lieber einen Urlaubim Winter. Okay, verstehe.Kommt das eine und das andere zusammen.Eigentlich wollen doch alle nur Skifahren gehen.
Alexander Huschauer
Gibt es hier eine gute Infrastruktur. Hab ich auch gehört.
Tim Pritlove
Jetzt hast du erwähnt, es gibt ja diverse Punkte,an denen man, also sozusagen immer am Ausgang der kleineren Synchrotrone,da gibt es sozusagen die Möglichkeit Experimente zu fahren.Im reinen Kollisionsmodus, also sozusagen die Teilchen die beschleunigt sinddie treffen dann auf irgendwas auf, dieses Prinzip mit zwei Strahlen treffenaufeinander, das ist sozusagen LHC spezifisch, das geht nur in dem großen Ring.Jetzt gibt es ja glaube ich noch so eine Sonderzone, wo so Experimente aller Art angesiedelt sind.
Alexander Huschauer
Die North Zone oder die East Zone. North ist am SPS,East ist am PS, wo dann verschiedene User,wie wir die nennen, von außen hineinkommen können und verschiedenste Tests machen können,also zum Beispiel Materialien einfach bestrahlen, um zu sehen,wie sich die unter der Einwirkung von Protonenstrahlen oder Ionenstrahlen verhalten.Oder wirklich auch Grundlagenforschung zu machen, um sich anzusehen,wie zerfallen verschiedene Produkte, was sind die Zerfallsprodukte.Also einerseits gerade zum Beispiel dunkle Materie,natürlich einerseits gibt es die Forschung dafür am LHC,aber es gibt auch sehr viel Forschung in diesen ganzen experimentellen Zonen,wo man halt, nachdem die Möglichkeit der Masse dieser Teilchen,die zuständig sein können für die dunkle Materie, einen enormen Energiebereichspannen können, man nicht genau weiß, wo, in welchem Energiebereich sich diebefinden, sucht man im LHC danach, sucht man aber auch bei anderen Energien danach einfach.Und dafür sind diese verschiedenen Beschleuniger mit ihren unterschiedlichenEnergien wirklich bestens geeignet, wenn man verschiedene Experimente an verschiedenenBeschleunigern durchführen kann. Was jetzt das...Was der Unterschied ist zwischen diesen Kollisionsexperimenten und diesen Fixed-Target-Experimentenist, dass die Energien, die erreicht werden können, wesentlich geringer sind bei Fixed-Target.Man schießt den umlaufenden Strahl auf einen ruhenden Block.Da ist im Prinzip die Energie, die man erzeugt proportional zur Wurzel aus derEnergie der einfallenden Teilchen,während bei den zwei umlaufenden Strahlen einfach die doppelte Energie,die Energie jedes Strahles zählt und somit haben wir diese Kollisionen bei 7 TeV.Das führt zu einer Schwerpunktenergie von 14 TeV in beiden Strahlen und manhat halt viel mehr Energie zur Verfügung, die man in Materie umwandeln kann,als bei diesen Fixed-Target-Experimenten.
Tim Pritlove
Ok, Grundlagenforschung ist klar, das ist immer interessant und das steht jahier auch im Fokus. Aber es gibt auch andere Forschungen. Was ist das?Also Materialforschung, dass man in dem Bereich so einen Strahlenbeschleuniger auch benutzen kann?
Alexander Huschauer
Also wir haben zum Beispiel, wenn ich als Beispiel hernehme,die East Area am PS, dann gibt es dort eine sogenannte Test Facility und diewird auch dafür verwendet, dass all die großen LHC-Experimente, ATLAS, CMS, LS etc.Ihre Detektoren testen können und sehen, wie sich die Materialien,wie sich die Siliziumdetektoren verhalten unter Strahleinfluss.Also in diesem Sinne auf jeden Fall auch Materialtests für zukünftige Entwicklungender verschiedenen Bestandteile der Kette im Prinzip.Dann gibt es auch eine Facility, die nennt sich Heiratmat, wo wir mit hohenEnergien auf Materialien, auf verschiedensten Materialien die Strahlen schießen.Um dann eben einfach zu sehen, wie gut, wie, wie soll ich sagen,wie widerstandsfähig sind verschiedenste Materialien.Was für Schäden kann der Strahl erzeugen, abhängig von der Strahlgröße,von der Strahlintensität, von der Strahlenergie.Wenn wir verschiedenste Elemente im Beschleuniger einbauen, möchte man oft malneue Materialien ausprobieren und sehen, ob die vielleicht ein bisschen bessergeeignet sind für den jeweiligen Anwendungszweck. Das muss man vorher testen.Und dafür gibt es dann so eine Facility zum Beispiel. Dann gibt's...Unsere Antimaterie-Produktion mit dem Antiprotonen-Decelerator,ein Endschleuniger, der dazu führt, dass Teilchen langsamer werden.Also wie das dort funktioniert ist, man schießt wiederum Protonen auf einenMetallblock und filtert dahinter die Antiprotonen heraus.Das heißt, alle anderen Teilchen werden im Prinzip abgelenkt und weggeworfen,wenn man so möchte. Man filtert nur die Antiprotonen heraus.Die werden dann von einer speziellen weiteren Maschine, auch ein Synchrotron,das halt nicht Teil der Hauptkette ist, aber genauso ein Synchrotron ist,die werden von dort dann entschleunigt, zu einem weiteren kleinen Synchrotron geschickt vom AD,diesem Decelerator, zu Eleanor, der eine sehr geringe Energie am Ende hat unddort kommen wir zu antiprotonen Energien von nur 100 Kiloelektronenvolt.Also da sind wir dann quasi wieder von den Energien vergleichbar zum Beginnder Kette, wo wir die Protonen erzeugt haben.
Tim Pritlove
Gerade mal in der Source.
Alexander Huschauer
Genau, aber man braucht eben hohe Energien zu formen,die Antiprotonen zu erzeugen und dann möchte man sie aber extrem abbremsen,um sie einerseits untersuchen zu können und Vergleiche machen zu können zwischenAntiprotonen und Protonen.Andererseits aber auch einfach um Antivasserstoff zu erzeugen.Das heißt, man bringt diese Antiprotonen in Kontakt mit den Antiteilchen vom Elektron,dem Positron, und versucht daraus ein Antivasserstoffatom zu erzeugen und untersuchtdann die Eigenschaften dieses Antivasserstoffs und vergleicht sie mit Wasserstoff.Zum Beispiel die Energieniveaus, die so ein Antiwasserstoffatom mit sich bringt.Wie verhält es sich in der Schwerkraft, falls nach oben oder falls nach unten?
Tim Pritlove
Verhalten die sich denn sonst ähnlich wie ihre Äquivalente?
Alexander Huschauer
Ja, ja, ja.
Tim Pritlove
Ich weiß ja nicht, ich habe nicht so viel mit Antimaterie zu tun.Ist die jetzt hier gerade im Raum? Kann schon sein, ja?
Alexander Huschauer
Naja, das ist halt so eine der großen Fragen der Physik. Woher kommt diesesUngleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie?Ursprünglich, direkt nach dem Urknall geht man davon aus, dass ja beide irgendwiezu gleichen Teilen bestanden haben müssen, aber die Materie hat dann gewonnen.Wenn die beide wirklich identisch gewesen wären, dann löscht sich Materie undAntimaterie einfach aus. Dann gäbe es vielleicht gar nichts.Genau, aber wir sind immer noch da.Also da gab es dann irgendeinen Mechanismus, der dann dazu geführt hat,dass doch die Materie gewonnen hat.Und das möchte man auch untersuchen mit diesen Antimaterien.
Tim Pritlove
Das heißt die andere Antimaterie, die übrig geblieben ist, die ist vielleichtschon längst egalisiert, also das ist alles weg, aber man kann es sozusagenkurzfristig wiederherstellen?
Alexander Huschauer
Man kann sie erzeugen wieder genau.
Tim Pritlove
Okay, verstehe. Jetzt geht ja nicht immer alles nach Plan.Also wir hatten ja schon diesen kleinen Unfall, sowas erregt natürlich immerviel Aufmerksamkeit, gerade wenn es neu ist, aber was treten denn hier für Probleme auf?Also was geht denn auch mal schief oder was ist sozusagen das,worauf auch die ganze Zeit geachtet werden muss?Also Surveillance, Wartung und Reparaturen, was geht kaputt? Die Kühlung? Alles?
Alexander Huschauer
Viel.
Tim Pritlove
Das ist permanent auch.
Alexander Huschauer
Ja, auch permanent. Es ist halt doch ein riesiger Komplex mit verschiedenstenTechnologien, die im Einsatz sind. Mit verschiedensten Elementen.Magneten, Stromversorgungen, Kühlsysteme, Vakuumsysteme, Hochfrequenzsystemeund überall dort kann was kaputt gehen.Das kann einfach ein Kondensator sein in einer der Stromversorgungen,dass einer der Magnete dann einfach nicht mehr den Strom bekommt,den er eigentlich braucht, um die Strahlen auf der Bahn halten zu können.Dafür gibt es dann am CERN die Equipment-Experten.Also für jeden Bereich gibt es im Prinzip die Experten.Und wir in der Operations Group sind dafür zuständig. Wir haben Leute,die 24-7 auf Schicht sind, um diese Beschleuniger zu betreiben und eben auchdie Leistungsfähigkeit der Maschine nachzuverfolgen.Und immer wenn ein Problem auftritt, entweder selbst lösen zu können oder haltauch zu identifizieren, welche Leute muss ich kontaktieren, um jetzt diese eineStromversorgung zum Beispiel zu reparieren.Manchmal kann es sein, dass an einer Stelle zum Beispiel ein Problem mit dem Vakuum auftritt.Dann kontaktiert man den Vakuum-Experten, der sich das dann genau ansieht unduns sagt, okay, ist normal, erwarten wir, oder da haben wir vielleicht ein Lack,sollten wir uns mal anschauen. dann müssen wir mal in die Maschine hinein unddas vielleicht patchen.Dann, was wir gerade gestern wieder hatten, ein kritischer Punkt ist immer,Strahl von einer Maschine in die andere Maschine rüber zu schicken,weil man hat eben diese Kicker und man muss diese Kicker richtig timen,dass der Kicker in der einen Maschine den Strahl extrahiert,aber gleichzeitig gibt es in der anderen Maschine Kicker, die den Strahl injizieren.Also Extraktionskicker, Injektionskicker, die müssen aber mehr oder wenigergleichzeitig feuern, nur durch die Time of Flight, die die Teilchen halt brauchen,von einer Maschine zur nächsten und die halt synchronisiert.Und dafür gibt es einen ganzen Synchronisierungsmechanismus zwischen den Maschinen,wo die eine Maschine Informationen zur anderen Maschine sendet und wenn da malein Stück Hardware kaputt geht, dann kannst du auf einmal keine Strahlen mehr injizieren.
Tim Pritlove
Krass die spielen so Tennis miteinander, im Prinzip die Maschinen und wieviel Sensoren?Hat man dann so im Blick, also ich könnte mir vorstellen, dass es alles vollist mit Sensoren aller Art und dann hat man so einen Control Room,so einen War Room, wo 30.000 Bildschirme hängen.
Alexander Huschauer
Ja ganz so viele sind es nicht, aber wir haben schon, auf jeden Fall wir habendas CERN Control Center, den CCC, wo der Großteil aller Bioschleuniger kontrolliert wird.Und da haben wir unsere Vistas, die Bildschirme an der Wand hängen,die uns zu jeder Zeit Statusinformationen geben über die Beschleuniger selbst.Was ist die Intensität im Beschleuniger? Was ist das Magnetfeld im Beschleuniger?Welche Art von magnetischem Zyklus wird gerade gespielt? Wohin sollen dieseTeilchen geschickt werden?Habe ich Verluste, weil es kann auch sein, wenn eines dieser Elemente dann nichtfunktioniert im Beschleuniger, dann werde ich es in erster Linie dadurch sehen,dass ich irgendwo Strahlverluste habe.Das kann soweit führen, dass ich einen Alarm bekomme, weil an einer bestimmtenStelle der ganze Strahl zentriert einfach aus der Maschine rausgeschossen wurde,wo aber jetzt nicht die Transferlinie unbedingt ist.Dann kriege ich dort einen Alarm über unseren Radiation Monitor und dann mussich verstehen, welches Element nicht funktioniert und dazu geführt hat,dass wir den Strahl dort eben verloren haben.In größeren Maschinen ist das dann wirklich problematisch, weil dort eben diegespeicherte Energie im Strahl so hoch ist, dass, wenn das passiert,die Maschine beschädigt werden kann.Dementsprechend braucht man da schon spezielle Maschinenschutzkonzepte,die frühzeitig erkennen, ob irgendein Equipment fehlerhaft ist.In den kleineren Maschinen bis zum PS ist das jetzt nicht so problematisch,ab dem SPS wird das dann eben problematisch.In den kleineren Maschinen kriegt man halt einen Alarm und muss dann ein bisschenwarten, bis dieses Strahlungsniveau im Prinzip runtergegangen ist.Und dann nehmen wir den Betrieb wieder auf.Und oftmals kommt es auch vor, dass man dann direkt in die Maschine hineingehenmuss, weil Sachen, die kaputt gegangen sind, wirklich im Ring selbst nur zu reparieren sind.Und das können zum Beispiel Verstärker sein für diese Hochfrequenz-Kavitäten.Die haben oft Verstärker, die sehr nahe am Beam gebaut sind,damit die ganzen Kabellängen und dergleichen wesentlich ziemlich kurz sind.Und da muss man dann, da haben wir eine eigene Strahlenschutzgruppe,die kontaktiert man dann,die sagen, okay ihr habt so und so viel Stahl produziert in den letzten so und so viele Stunden,das heißt jetzt müssen wir dort 15 Minuten, 30 Minuten, eine Stunde warten,bis wir überhaupt hineingehen können in die Maschine, damit die Leute,die dort dann arbeiten, auch einfach nur eine minimale radioaktive Strahlendosis abbekommen.
Tim Pritlove
Das ist nett, ja. Gab's denn auch mal so einen Fehler, wo ihr irgendwie nurblöd geguckt habt und überhaupt nicht wusstet, was jetzt los ist?
Alexander Huschauer
So beginnt jeder Fehler.
Tim Pritlove
Die Frage ist, wie lange hält der Zustand an?
Alexander Huschauer
Ja das kommt wirklich auf den Fehler drauf an. Gestern früh hatten wir da einenFehler, der eben die Synchronisation zwischen Booster und PS betroffen hat undda haben wir so 3-4 Stunden mal herumgesucht, welches dieser Hardware-Moduledenn kaputt gegangen ist.Dann machst du ein Reboot von diesem Ding, dann funktionieren aber ein paarder Parameter sind nicht richtig abgespeichert worden im Memory,du musst sie neu setzen und es kann schon sein, dass das ein paar Stunden mal dauert.Auch manchmal ist es halt nicht so offensichtlich welches Element jetzt der Schuldige ist.
Tim Pritlove
Das wollte ich nämlich gerade sagen. Wenn man weiß wo das Problem ist,ist man ja schon mal relativ weit.
Alexander Huschauer
Richtig, richtig. Oftmals weiß man nicht und dann versucht man halt auszuschließen,was kann es nicht sein, bis man dann hinkommt und das eingrenzt.Und natürlich was uns oft Hilfe gibt, ist der Strahl selbst.Also wenn man den Strahl in die Maschine injizieren kann, aber dann zum Beispielin der Maschine nicht behalten kann, dann kann man den Strahl immer noch selbstmessen. Und man kann sich die Position des Strahls anschauen,man kann sich die Größe des Strahls anschauen, man kann sich die Energie des Strahls anschauen.Und das gibt dann oft auch einen Hinweis darauf, was schief geht.Ist er zum Beispiel zu groß der Strahl, dann funktioniert irgendeiner von diesenQuadrupolen nicht, dann funktioniert die Fokussierung nicht richtig.Ist er viel zu lang der Strahl, ist er nicht mehr ein Paket,sondern ist er so ein kontinuierlicher Strahl, dann sagen wir,dass der Strahl debunched ist, ist eben kein Bunch mehr.Dann funktioniert das mit den RF-Systemen nicht. Also so kann man sich mit demStrahl schon immer die Informationen holen, die man braucht,um zumindest einzugrenzen, wo man sucht, ja.
Tim Pritlove
Ich kenne das aus manchen Bereichen, wo in zunehmendem Maße so eine Maschinenüberwachungauch mit Machine Learning schon gemacht wird,dass man im Prinzip die Sensorik einfach die ganze Zeit irgendwie erlernt undwenn man einen Fehler hat,dann sagt man so, hier ist mal was kaputt gegangen, dass man quasi schon sichso langsam so ein System aufbaut, was so Frühwarnfähigkeiten hat,also quasi das Versagen von Sensoriken oder so gewisser Insicht vorher sagt.
Alexander Huschauer
Das ist das Stichwort preventive maintenance, also Wartung vorhersehen im Prinzip,bevor sie notwendig wird und Teile austauschen.Also wir haben Unmengen von Daten, die wir laufend abspeichern,natürlich einerseits der Experimente, aber auch wir auf der Beschleunigerseite.Wir haben wirklich ein System, das all diese Daten kontinuierlich lockt unddas einerseits über die Strahlqualität, aber andererseits auch über die Equipmentqualität.Und diese Datenmenge, die können wir dann eben verwenden, um Modelle zu trainierenund dann Vorhersagen zu machen.Man steckt noch ein bisschen in den Kinderschuhen für jetzt gerade diese Wartungsvorhersagen,aber wo wir viel Machine Learning oder Optimierung einfach verwenden,ist, um die Leistungsfähigkeit des Strahls zu verbessern.Es gibt Temperaturvariationen, im LHC gibt es zum Beispiel auch Einfluss der Gezeiten.Das sieht man auch, die Maschine ist relativ sensibel darauf, wie der Mond steht.Also die Parameter des Strahls können sich laufend ändern.Da kann natürlich der Operator, der die Maschine betreibt, intervenieren undverschiedene Parameter anpassen.Das passiert dann alle x Minuten, Stunden oder dergleichen, je nachdem,wie es erforderlich ist.Oder wir verwenden Optimierungsalgorithmen, die kontinuierlich die Strahlparameterüberwachen Und immer dann, wenn so ein Drift gemerkt wird, nachkorrigieren.Das hilft uns auch in vielen Teilen, die Leistungsfähigkeit unserer Strahleneinfach immer auf optimalem Niveau zu halten, sage ich mal.
Tim Pritlove
Das ist auf jeden Fall alles ein Moving Target. Es ist nicht einfach so eine Maschine,die man mal einschalten, dann läuft sie halt, sondern man muss eigentlich dieganze Zeit drauf schauen,man muss die ganze Zeit optimieren, gucken, dass nichts kaputt geht oder sichnicht zu schnell verschleißt und um sozusagen dann auch diesen Flow der Detektion,der letzten Endes das Ziel der ganzen Operation ist, nicht abreißen zu lassen.Trotzdem muss ja dann der Apparat ab und zu mal, also nicht nur gewartet werden,sondern es gab ja auch diese längeren Auszeiten, ich glaub das waren jetzt zwei große.
Alexander Huschauer
2019, 20, da war der letzte große Stopp, Long Shutdown 2.Davor gab es schon mal 2013, 14, gab es Long Shutdown 1 und jetzt für 26,27, 28 ist dann Long Shutdown 3 geplant.In den vergangenen zwei Jahren hat man sich darum gekümmert,dass die LHC-Injektoren bessere Leistungsfähigkeit haben,um sie vorzubereiten auf das Upgrade des LHC selbst, was 2026-2028 stattfindenwird, mit dem Ziel, dass wir mehr Kollisionen erzeugen können.Ein wesentlicher Parameter im LHC ist die Luminosität.Die sagt uns, wie viele Kollisionen pro Sekunde und pro Fläche können wir erzeugen.Das heißt, umso höher die Luminosität, umso höher die Anzahl der Kollisionen,die wir den Experimenten zur Verfügung stellen können.Und die Luminosität wird umso höher, je mehr Teilchen wir haben,haben oder je kleiner die Fläche unserer Teilchenpakete ist.Deswegen hat dieser vergangene Shutdown in den Injektoren dazu gedient,diese Strahlparameter zu verbessern, sprich mehr Teilchen in kleinere Strahldimensionenhineinpacken zu können.Wir haben im Prinzip für die LHC-Strahlen die Anzahl der Teilchen verdoppeltund die Fläche halbiert.Und somit können wir dann wesentlich höhere Luminosität zur Verfügung stellenfür die verschiedenen LHC-Experimente.Das war im Prinzip ein Upgrade-Programm, das rein ausgelegt war auf die Anforderungendes zukünftigen LHC, also High-Luminosity-LHC heißt dann das Upgrade vom LHC in den nächsten Jahren.Aber gleichzeitig ist das dann auch von Vorteil für alle anderen Experimente,die am CERN stattfinden, weil genauso diese verbesserte Strahlqualität auch denen zugutekommt.
Tim Pritlove
Also so kann man dann noch mehr rausholen aus dem LHC und dann wird ja,wie lange ist die Pause? In so einem Jahr?
Alexander Huschauer
Drei Jahre für den LHC.
Tim Pritlove
Drei Jahre?
Alexander Huschauer
Ja, wirklich große Umbauarbeiten sind da geplant. Da werden Teile der Magneteausgetauscht, da werden neueSysteme eingebaut, um diese Kollisionen eben noch effizienter zu machen.Und da braucht man dann doch einiges an Zeit, auch viel Arbeit passiert jetzt schon.Also alles was Infrastruktur betrifft, alles was neue Gebäude,neue Tunnelbereiche und so gibt, das wurde sogar schon alles fertiggestellt.Aber jetzt natürlich, jetzt holen wir noch so viel wie möglich raus aus derMaschine und warten auch noch bis die ganzen Bauteile dann wirklich zur Verfügungstehen, um dieses Upgrade machen zu können.Und dann wird die Maschine für drei Jahre abgeschaltet und abgegradet.
Tim Pritlove
Das ist schon echt speziell, dass man so eine unglaublich lange Auszeit hat.Für die Wissenschaftler stimmt das auch nicht so toll. Wobei so viele Datenwie hier anfallen, gibt es wahrscheinlich auch zwischendurch noch genug zu entdecken und auszuwerten.Also da wird einem nicht langweilig unbedingt.
Alexander Huschauer
Und es gibt auch noch die Injektoren. Also der LAC selbst wird drei Jahre stoppen,aber die Injektoren werden so ein, eineinhalb Jahre stoppen.Das heißt die ganze Physik in den anderen experimentellen Zonen,die beginnt vorher schon wieder.
Tim Pritlove
Also in dem Booster, in dem SPS, das läuft alles weiter, es ist nur der LAC.
Alexander Huschauer
Es ist ein kürzerer Stopp eben in diesem Maschinen.
Tim Pritlove
Okay gut, aber dann nach einem anderthalb Jahr kann man da zumindest schon malwieder arbeiten, aber der LHC der muss dann halt noch richtig hübsch gestrichenwerden sozusagen, bis alles hübsch ist.Okay, das heißt das ist dann sozusagen jetzt auch so der Ausblick für die zumindestabsehbare Zukunft, was jetzt auch schon ganz klar ist, dass das auf jeden Fall stattfinden wird.
Alexander Huschauer
Absolut.Dieses High-Luminosity-LHC-Projekt, das ist die Priorität für das CERN im Moment,dieses Upgrade durchzuführen.Da ist alles unterwegs, um diese neuen Elemente gerade zu konstruieren und einzubauen.Und das soll eben die LHC-Kette bis zum Jahr 2040 so in Betrieb halten,soll dann natürlich nach dem Upgrade wesentlich höhere Statistik den Experimentenzur Verfügung stellen, damit man schneller zu Entdeckungen kommen kann.Ungefähr ein Faktor 10 wird sich diese Luminosität erhöhen nach diesem Upgrade von dem LHC.Und das ist halt jener Schritt jetzt, um den LRC wirklich komplett auszunützen,bis ans Ende seiner Lebensdauer sozusagen.Und dann muss man halt schon darüber hinaus schauen und muss mal anfangen.Also der LRC ist 2008 in Betrieb gegangen. Die ersten Diskussionen und Vorschlägefür so eine Maschine sind 1984 gemacht worden.Also da ist wirklich eine lange Designphase, Entwicklung, Produktion,Installation und alles dahinter.Beim LHC ist es so, dass es damals schon in dem gleichen Tunnel,wo der LHC heute ist, eine Maschine gab, wo Elektronen und Positronen,also die Antiteilchen der Elektronen, beschleunigt und kollidiert wurden.Und da hat man im Prinzip einerseits die Elektronenspeicherringe oder Kolliderund andererseits die Protonenmaschinen.Mit Elektronen sagt man so, das sind Präzisionsmaschinen, weil die Elektronenkeine Substruktur haben.Das heißt, da treffen wirklich Elektronen auf Elektronen und man kann ganz genauphysikalische Prozesse damit untersuchen.Während diese Protonenmaschinen, Protonen, interne Struktur,Quarks, Gluonen, das heißt, da treffen keine Teilchen, keine einzelnen Teilchen,sondern da trifft man so ein Gemisch von Teilchen aufeinander.Dadurch entstehen extrem viele verschiedene Produkte, viel Background,den man auch gar nicht haben möchte, aber auch extrem viel Potenzial für neue Physik.Und deswegen heißen diese Protonen-Maschinen dann Entdeckungsmaschinen,oft, weil man damit eben neue Physik entdecken kann. Jetzt haben wir das Higgs-Bosonentdecken können vor zehn Jahren mit dem LHC.Natürlich möchte man weitere Dinge entdecken, aber man möchte genauso die Higgs-Eigenschaftenganz genau verstehen können. Und dafür braucht es im Prinzip wiederum so einePräzisionsmaschine mit höheren Energien.Die Eigenschaften des Higgs-Bosons direkt messen kann.Und deswegen wäre dann der nächste Schritt nach diesem High-Luminosity-LHC,nennen wir dieses Studiegerad FCC,Future Circular Collider, und das wäre dann eine Maschine, so wie es jetzt geplantwird, von 91 Kilometer Länge, die eben genauso hier in die Region hineinpassen würde.Also das ist auch dann schon sehr sehr herausfordernd in mehrerer Hinsicht.Natürlich in Hinsicht von Magnetfeldern, die man braucht für diese Maschine,in der Hinsicht von allein, wie baue ich diesen Tunnel, wie stabil ist das ganzeGestein, wo ich diesen Tunnel hinbaue, wie hoch sind diese Zutrittspunkte.Teilweise ist die Maschine dann unter dem Berg, da muss ich schon mal einensehr, sehr langen Access-Tunnel graben.Was ist dann Sicherheitsaspekte, wenn da unten irgendetwas passiert,wie komme ich rauf, wenn der Aufzug nicht funktioniert, all diese Dinge müssen dann beachtet werden.Aber so ein FCC für Elektronen und Positronen, das wäre so im Prinzip der nächstelogische Schritt, was die Beschleunigerkette betrifft, um dann diese Higgs-Propertiesim größeren Detail untersuchen zu können.Und dann wird das auch so aufgezogen, dass man nach diesem FCC-II auch wiederumeinen Protonen-Protonen-Beschleuniger machen kann.In dem gleichen Tunnel, in diesem gleichen 91 Kilometer Tunnel,eben gleich wie es mit diesem LEP unddem LAC war, dass man die vorhandene Infrastruktur wieder verwenden kann.
Tim Pritlove
Gleichzeitig oder als potenzieller Nachfolger?
Alexander Huschauer
Als Nachfolger, genau.
Tim Pritlove
Warum lässt sich das nicht gleichzeitig machen?
Alexander Huschauer
Weil dann auch die Kette, die dahinter steht, komplett andere Anforderungenwieder hat. Wir müssen Elektronen, wir müssen Positronen zur Verfügung stellen.Es sind auch die Zeitspannen, um wirklich all die Technologien,die Magnetfelder und so einmal technologisch herstellen zu können für so einenweiteren Protonen-Protonen-Kollider.Das ist auch noch in weiterer Zukunft. Das heißt, Machbarkeit ist auch eineandere Sache, da muss noch viel Forschung und Entwicklung hineingehen,bis man technisch diese ganzen verschiedenen Bauteile einfach wirklich herstellen kann.Deswegen sind das auch nicht die gleichen Zeitspannen.
Tim Pritlove
Also 27 Kilometer ist ja schon eine ganze Menge Holz.Im Prinzip was du ja sagst, du bist halt so Ingenieur und deine Maschine ist 27 Kilometer lang.Das ist schon ein Autobahntunnel, der nur ein paar Kilometer lang ist,wirft schon größere Wartungsfragen und Kontrollfragen auf sich,aber allein den Arbeitsplatz mal abzugehen, mit dem Fahrrad ist man ja schonden ganzen Tag unterwegs.
Alexander Huschauer
Ja auf jeden Fall. Die Fahrräder gibt es im Tunnel damit man sich fortbewegen kann.
Tim Pritlove
Wie fährt man denn hin an so einen Ort des Geschehens? Ist halt irgendein Magnet am schwächeln.Steigt man hier in den Tunnel und fährt da 10 Kilometer hin, macht man nichts?
Alexander Huschauer
Man steigt hier ins Auto, fährt hin zu einem der Access Points.
Tim Pritlove
Und wie viel gibt es davon?
Alexander Huschauer
Am ELC gibt es so acht Access Points, die verteilt sind.Einerseits bei den verschiedenen Experimenten, aber dann für die Hochfrequenz-Kavitäten zum Beispiel,dann gibt es Kollimationssysteme, die dafür sorgen,dass die Teilchen, die bei hoher Amplitude,also hoher transversaler Position,hoher horizontaler oder vertikaler Position, dass die quasi geschluckt werdenvon diesem Kollimatorsystem,bevor sie von den Magneten geschluckt werden würden,weil wenn wir Teile im Magneten verlieren,kann es dazu führen, dass dieses flüssige Helium sich erwärmt oder dass dieSpule dieser Supraleiter nicht mehr supraleitend ist,weil er eine lokale Erwärmung hat, das ist dann ein so genannter Quench,dann geht dieser Magnet dann von einem supraleitenden in einen normalleitendenZustand über und das möchte man einfach vermeiden während des Betriebs,weil das dauert dann acht bis zwölf Stunden bis man wieder recoveren kann unddas ist natürlich Maschinenzeit, die dann verloren geht.Und deswegen möchte man, bevor man solche Teilchen in den Magneten verliert,möchte man sie lokalisiert in sogenannten Kollimatoren.Das sind im Prinzip Metallblöcke, die möglichst nah am Strahl positioniert sind,aber nicht zu nah, um den Hauptstrahl zu absorbieren,aber eben Teilchen, die dann aufgrund der Kollisionen wird der Strahle auchimmer größer und größer,dann kann es passieren, dass eben Strahlteilchen zu höherer Amplitude kommenund die werden dann von diesen Metall-Kollimatoren absorbiert,bevor sie den Magneten treffen würden.
Tim Pritlove
So ein Absicherungssystem. Aber bist du schon mal rumgefahren?
Alexander Huschauer
Rumgefahren noch nie.
Tim Pritlove
Ist auch ein bisschen langweilig.
Alexander Huschauer
Geht auch gar nicht, weil du hast dann diese Interaktionspunkte,da ist dann wirklich die Maschine, der Beschleuniger ist getrennt von dem Experiment,das dahinter in dieser großen Halle steht.Da könntest du jetzt auch nicht weiterfahren.
Tim Pritlove
Okay, es ist eh segmentiert.
Alexander Huschauer
Ja, es gibt verschiedene Sektoren, nennt man das im LHC zum Beispiel.
Tim Pritlove
Okay, da ist man auf jeden Fall ganz gut unterwegs. Aber es ist auf jeden Fallein Maschinenpark, der sich sehen lassen kann und es ist die größte Maschine der Welt, oder?
Alexander Huschauer
Absolut, es ist die größte Maschine der Welt, der LHC. Der Beschleunigerkomplexist der größte Beschleunigerkomplex der Welt.Also wir haben hier schon einiges an Potenzial zu bieten, das dann natürlichauch sehr ansprechend ist für verschiedenste Institute, Universitäten dergleichenaus aller Welt, die dann hierher kommen, um ihre Experimente durchzuführen.
Tim Pritlove
Vielleicht zum Schluss nochmal so ein Blick in den Rest der Welt.Das ist ja aber nicht das einzige Synchrotron.Es gibt ja auch Beschleunigerringe an anderen Standorten.Was sind denn so die nächstgrößten Systeme und gibt es irgendeinen der auchnochmal ein ganz anderes Prinzip verfolgt oder andere technologische Ausrichtungenhat in irgendeiner Form?
Alexander Huschauer
Also es gibt natürlich ein paar Laboratorien, die sich wirklich mit Grundlagenphysik beschäftigen.Aber die Teilchenbeschleunigung oder die Anwendung der Teilchenbeschleunigerin der Grundlagenphysik macht nurungefähr 4-5 Prozent der Anwendung der Teilchenbeschleuniger weltweit aus.Natürlich gibt es einige größere Maschinen. Es gab zum Beispiel das TevatronFermilab, die haben genauso Protonen-Antiprotonen-Kollisionen gemacht in der Nähe von Chicago.Es gibt das Brookhaven National Lab in der Nähe von New York.Dort gibt es den Relativistic Heavy Ion Collider.Es gibt dann eben einerseits diese RIG, der Gold beschleunigen kann,wie er auch die Bleionen beschleunigen kann und können, um dann so ein Quark-Gluon-Plasmaherzustellen, wie es zum Beispiel in dem Alice-Detektor vor allem untersucht wird.Also um so eine Suppe von Teilchen im Prinzip zu erzeugen, die.Wo jetzt keine Atomkerne mehr gebunden sind, wo alle Teilchen frei herum existierenund diesen Status knapp nach dem Urknall im Prinzip zu reproduzieren.Und das kann man am RIG untersuchen, das kann man am LAC untersuchen mit Blei.Dann gibt es Programme in China zum Beispiel, um auch größere Beschleunigerzu bauen, die existieren aber noch nicht. Das ist ein bisschen so vielleichtein Konkurrenzprogramm.Es gab früher, am CERN gab es auch der SPS, der war früher mal ein Protonen-Antiprotonen-Kollider.Der ist dann umgebaut worden, der hat begonnen als SPS, als Protonenmaschine,wurde dann umgebaut in eine Protonen-Antiprotonen-Maschine und später wiederzurückgebaut in eine reine Protonenmaschine.Und dann gibt es halt extrem viele Anwendungen in Medizin,in Industrie, von wesentlich kleineren Anlagen,die Energien sind dann nicht mehr vergleichbar, aber gerade in Krankenhäusern,wo man Radioisotope herstellt, um die dann für Bildgebung zu verwenden,Positronenemissionstomographie, wo man etwas injiziert bekommt in den Körper,das sich dann zum Beispiel an Tumorzellen anlagern kann, erzeugt dann Photonen,die gemessen werden von Detektoren.Diese Stoffe muss man irgendwo erzeugen, dann muss man sie in den Körper bringen.Und dann gibt es natürlich auch Strahlentherapie, kann passieren mit Elektronenund dann Gamma-Strahlen,die erzeugt werden, es gibt Protonen oder Kohlenstoff-Ionen-Zentren,die wirklich dazu dienen, dass jetzt Krebstumore behandelt werden.Und je nachdem, ob man jetzt Elektronen verwendet zum Beispiel,wenn man oberflächennahe Tumore hat, kann man relativ gut Elektronen verwenden,weil die einen Großteil ihrer Energie nahe der Oberfläche, nahe der Haut nachdem Eindringen in den Körper verlieren.Andererseits dann, wenn man einen Tumor hat, der an kritischen Stellen sitzt,jetzt zum Beispiel neben dem Herz, hinter dem Aug, im Gehirn irgendwo,dann möchte man nicht unbedingt den Großteil der Energie beim Eintritt in denKörper verlieren und dann weniger Energie am Schluss überhaben.Da verwendet man Protonen und Kohlenstoff zum Beispiel, weil man mit denen dezidierteinstellen kann, wo soll die Energie verloren werden und somit kann man wirklichso einen Tumor scannen aus verschiedensten Richtungen und diese Tumorzellendann mit so einem Synchrotron zerstören.Das heißt, das braucht dann aber für so Protonen- oder Kohlenstoffionentherapiebraucht es wirklich ein eigenes Beschleunigerzentrum mit eigenem LINAC,Quelle LINAC, Synchrotron, verschiedenste Behandlungsräume, Transferlinien,während so Elektronenbeschleuniger dann vielleicht so drei, vier,fünf Meter Platz brauchen und dann wesentlich besser in ein Krankenhaus hineinpassen zum Beispiel.Und dann gibt es das noch in der Industrie, dass man sterilisiert zum Beispiel,Bakterien abtötet, dass man biologische Experimente versucht,dass man in der Halbleiterindustrie die die Oberflächenbeschaffenheiten verändert,indem man Ionen mit Beschleunigern einbringt in verschiedene Elemente.Also es gibt wirklich eine riesige Bandbreite an Anwendungen von Beschleunigern,die über die Grundlagenforschung hinaus geht.
Tim Pritlove
Okay, also wenn man sich da ein bisschen auskennt, gibt es genug Betätigungsfelderauf jeden Fall. Aber am CERN scheint ja noch genug abzusehen zu sein,dass hier noch genug Ingenieursbedarf ist auf absehbare Zeit.Ja, Alexander, dann würde ich sagen, haben wir es erstmal oder haben wir nochirgendwas ganz Wichtiges vergessen, was du noch allen mit auf den Weg geben willst?
Alexander Huschauer
Naja, vielleicht so.Abschluss können wir noch ein bisschen die Verbindung zum Kosmos wiederum machenmit einem der Experimente, das wir auch hier haben, nämlich Cloud.Jenes Experiment, das untersucht, wie Wolken formiert werden,wie verschiedenste kleine Teilchen, wie Aerosole am Himmel,in den verschiedenen Atmosphären, Ebenen zu dieser Wolkenbildung beitragen undvor allem wie der Einfluss von kosmischen Strahlen auf diese Wolkenproduktion ist.Da haben wir eine sogenannte Cloud Chamber, das ist im Prinzip eine große Stainless-Steel-Chamber,die extrem gute Oberflächeneigenschaften aufweist.Innerhalb dieser Kammer werden dann verschiedene Gase eingelassen,verschiedene Aerosole zugefügt.
Tim Pritlove
Was heißt denn extrem gute Oberflächenbeschärfung? Also gut in welcher Hinsicht? Glatt?
Alexander Huschauer
Genau, damit sich dort eben an den Wänden keine Elemente anhaften können,sondern dass die wirklich in diesem Volumen der Kammer dann existieren und zuder Wolkenbildung beitragen.Und dann kann man einerseits untersuchen, wie so Aerosole in der Luft auch alsKeime für Wolken dienen dienen und wie die physikalischen Modelle,übereinstimmen mit diesen Experimenten und andererseits kann man dann von demPS einen Strahl von Protonen auf wiederum so ein Target schicken,Sekundärteilchen erzeugen, die dann durch diese Kammer hindurch gehen und sichanschauen, wie diese quasi nachgebildeten kosmischen Strahlen die Wolkenbildung beeinflussen.
Tim Pritlove
Tun sie denn?
Alexander Huschauer
Sie tun auf jeden Fall zu einer gewissen Art und Weise.Man kann nämlich solche durch Kollisionen, wenn diese Teilchen kollidieren mitden Molekülen, dann werden andere Teilchen erzeugt, andere Aerosole,die dann wiederum ein Keim sein können für weitere Wolkenbildung und so.Was die Frage ist jetzt natürlich auch im Hinblick auf Klimawandel,inwiefern sind diese Wolken ausschlaggebend für den Klimawandel,wie gut passen unsere Modelle, wie gut können wir das vorhersagen,weil das eine große Unsicherheit ist, um die Zukunft auch vorauszusagen.Und deswegen gibt dieses Experiment auf jeden Fall gute, sage ich mal,grundlegende Einblicke, wie die Physik dahinter funktioniert und wie wir unsereModelle verbessern können, umin Zukunft einfach immer besser und bessere Vorhersagen machen zu können.
Tim Pritlove
Wahnsinn, unglaublich praktisch so ein Beschleuniger. Ich finde,jeder sollte einen haben. Vielleicht gibt es ja demnächst auch im Supermarkt.Alexander, Vielen vielen Dank für die Ausführung, das war sehr aufschlussreich und spannend.
Alexander Huschauer
Dankeschön, hat mich gefreut beim Gespräch, danke dir.
Tim Pritlove
Ja und ich bedanke mich auch wieder fürs Zuhören hier bei Raumzeit.Bald geht es weiter hier im Programm mit dem CERN und noch so einiges auf euch zu. Tschüss, bis bald!

Shownotes

RZ111 CERN: Geschichte und Erfolge

Das CERN in Genf und die Grundlagenforschung für Teilchenphysik

1954 gegründet, war das CERN von Anfang an Friedens- und Forschungsprojekt in einem. Der aufsteigenden Bedeutung der Kernforschung trug dieser neue Standort in Genf Rechnung und versammelte Wissenschaftler aus Europa und aller Welt, um zu erforschen, was die Welt im innersten zusammenhält. In seiner über 70-jährigen Geschichte konnte das CERN nicht nur grundlegende wissenschaftliche Erkenntnisse liefern sondern machte auch durch nebenläufige Durchbrüche wie die Erfindung des World Wide Webs von sich reden. Als 2012 durch die Experimente am CERN auch noch das lang gesuchte Higgsfeld bestätigt und damit der letzte gesuchte Baustein des Standardmodells der Teilchenphysik gefunden wurde, hatte das CERN die Aufmerksamkeit der ganzen Welt und steht seitdem wie kein anderer Standort für die Bedeutung der Grundlagenforschung in der Wissenschaft.

Dauer:
Aufnahme:

Manfred Krammer ist Leiter des Experimental Physics Department am CERN, das die Schnittstelle zu allen wichtigen Gruppen innerhalb des CERN darstellt. Wir sprechen über die Geschichte des CERN und die Anfänge der Grundlagenforschung in der Teilchenphysik, über die ersten Meilensteine des CERN und die Besonderheit der Entdeckung des Higgsfelds.


Für diese Episode von Raumzeit liegt auch ein vollständiges Transkript mit Zeitmarken und Sprecheridentifikation vor.

Bitte beachten: das Transkript wurde automatisiert erzeugt und wurde nicht nachträglich gegengelesen oder korrigiert. Dieser Prozess ist nicht sonderlich genau und das Ergebnis enthält daher mit Sicherheit eine Reihe von Fehlern. Im Zweifel gilt immer das in der Sendung aufgezeichnete gesprochene Wort. Formate: HTML, WEBVTT.


Transkript
Tim Pritlove
Hallo und herzlich willkommen zu Raumzeit, dem Podcast über Raumfahrt und andere.Kosmische Angelegenheiten.Mein Name ist Tim Pridlaff und ich begrüße alle hier zur 111.Aufnahme von Raumzeit und ja, ich reise ja immer gerne im Rahmen dieses Podcastsund hab schon den ein oder anderen Standort in Europa abgeklappert.Eins fehlte mir auf jeden Fall noch und das war ein Standort in Genf.Konkret befinde ich mich jetzt hier am Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire.So wie es eigentlich offiziell nicht mehr heißt, aber mal hieß und die Abkürzungnach wie vor beibehalten hat, nämlich das CERN.Also hier der Standort für Kernforschung und Europa, finde ich,wird der Sache gar nicht so richtig gerecht.Eigentlich ist es der internationale Standort für Kernforschung.Was es genau ist und welche Bedeutung das hat, warum es das gibt,das erzählt uns heute mein Gesprächspartner für heute, nämlich Manfred Krammer.Hallo, herzlich willkommen bei Raumzeit.
Manfred Krammer
Ja, hallo. Ich freue mich auch, dass ich heute dabei sein kann.Mein Name ist Manfred Gramer. Ich komme, wie man vielleicht aus meinem Dialekt hört, aus Wien.
Tim Pritlove
Hört man. Genau. Und Sie sind Head of Experimental Physics Department. Schon länger?
Manfred Krammer
Seit 2016, also etwas mehr als sieben Jahre, leite ich hier die experimentelle Abteilung.
Tim Pritlove
Die sich um was genau kümmert? Also ich meine hier gibt es ja viele Leute,die hier arbeiten. Ich weiß gar nicht wie viele Leute hier arbeiten mittlerweile beim CERN.
Manfred Krammer
Ja gar nicht so viele. Vom CERN direkt bezahlt ungefähr 3500.Aber zwischen 12.000 und 13.000,Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus der ganzen Welt betreiben hier ihre Forschung.
Tim Pritlove
Sozusagen als Gast?
Manfred Krammer
Wissenschaftler bezahlt von ihren Heimatinstituten, aber sie sind manche ihrganzes Leben, ihr ganzes Forschungsleben hier an Zern, andere kommen vielleichtnur ein, zwei Wochen pro Jahr für Meetings.
Tim Pritlove
Das Experimental Physics Department kümmert sich konkret wo drum?
Manfred Krammer
Wir kümmern uns um die Infrastruktur. Wir helfen diesen Gastwissenschaftlernhier ihre Experimente durchzuführen.Das heißt, wir betreuen die Experimente, alle Experimente an Zern und meineAbteilung ist natürlich an einigen, hauptsächlich natürlich an den großen Expertendirekt auch als Institut beteiligt.
Tim Pritlove
Und das heißt Sie sind so ein bisschen auch die Schnittstelle zu diesen anderenWissenschaftlern sozusagen, vom internen Team nach außen.
Manfred Krammer
Wir sind die Schnittstelle zu den internationalen Teams, wir sind aber auchauf der anderen Seite die Schnittstelle zu den sehr internen Abteilungen.Zur Maschine, zum Legal Service, zu den Human Resources, also wir sind sozusagendie Schnittstelle für die User und die Experimente.
Tim Pritlove
Alright, dann schauen wir doch vielleicht nochmal kurz auf Ihre persönlicheGeschichte. Wann hat es denn angefangen mit der Wissenschaft bei Ihnen?
Manfred Krammer
Ja, ich habe in Österreich auf der Technischen Universität Technische Physikstudiert und bin relativ früh mit dem CERN in Berührung gekommen.Ein Professor von mir hat mich für ein Praktikum empfohlen, aus dem dann eineDiplomarbeit geworden ist.Das war Anfang oder Mitte der 80er Jahre.Nach kurzem Aufenthalt zurück inWien bin ich dann für meine Dissertation ebenfalls an den CERN gekommen.Ja und damit war es um mich geschehen. Ich war sozusagen ein CERNOA und habedann den Rest meines Forschungslebens nicht direkt am CERN verbracht,sondern bei einem Institut in Österreich, Institut für Hochenergiephysik,Aber ich habe immer für Experimente am CERN gearbeitet.Bin also sozusagen immer hin und her gebändelt, bis ich dann 2016 eingeladenwurde, die Leitung des Physikdepartements zu übernehmen.
Tim Pritlove
Schon eine große Ehre, oder?
Manfred Krammer
Ist eine große Ehre und eine sehr, sehr interessante, abwechslungsreiche Aufgabe.
Tim Pritlove
Kann ich mir vorstellen. Heute wollen wir ja so ein bisschen mal in Geschichteund Wesen der Organisation einsteigen und ich kann auch gleich verraten,das wird hier nicht die letzte Sendung sein, die ich vom CERN sende oder hier aufnehme,sondern es wird eine ganze Reihe von Gesprächen geben, die hier ins Detail gehen,insbesondere was die einzelnen Instrumente betrifft und wir wollen das haltdann entsprechend noch vertiefen.Das ist also jetzt in gewisser Hinsicht nur der Auftakt.Und ja, jetzt müssen wir mal so ein bisschen in die Geschichte auch der Wissenschaft zurückrudern,weil Kernforschung, klar, das war dann halt irgendwann mal ein Thema,aber gab ja auch mal eine Zeit, da wusste man noch gar nicht,dass es sowas gibt wie ein Kern.Also konkret geht es ja hier um den Atomkern, die Atomkernforschung und dasist ja sagen wir mal in dem Bereich auch wirklich der Ort für Grundlagenforschung.Also sehr viel mehr Grundlagenforschung glaube ich als hier geht nicht.Und wer sich vielleicht auch gewundert hat, warum ich das Thema überhaupt hierin einen Podcast reinwerfe, der eigentlich ganz klar mit Raumfahrt angefangen hat.Für mich ist so ein bisschen Zern Raumfahrt auf dem Boden, so wie Raumfahrtja auch oft so ein bisschen Zern in Space ist. Also nicht alles ist deckungsgleich,aber sehr viel der Erkenntnislage wird ja im Weltall gewonnen.Aber vieles wird eben auch teilweise hier gewonnen und letzten Endes arbeitenbeide Bereiche ja extrem an der Erforschung der Grundlagen.Aber wann entstand denn überhaupt in der Wissenschaft die Notwendigkeit dieseArt von Forschung vorzunehmen?
Manfred Krammer
Ja, vielleicht sollte man, wenn man über die Geschichte des CERN spricht,auch die Motivation für die Gründung des CERN erwähnen.CERN wurde 1954 gegründet, also nächstes Jahr feiern wir 70 Jahre.Und eine der Hauptmotivationen für die Gründung war, den CERN als eine Art Integrationsprojektfür westeuropäische Wissenschaftler zu gründen, kurz nach dem furchtbaren Zweiten Weltkrieg.Da sah man darin eine Notwendigkeit. Der CERN war sozusagen eines der erstenIntegrationsprojekte in Europa.Und als Forschungszweig hatte man, wie Sie schon erwähnt haben,Kernphysik ausgewählt.Und das war damals die Zeit, als man begonnen hat, kernphysikalische Untersuchungenmit Beschleunigern durchzuführen.Und daher wurde als erstes Gerät hier am CERN, aus heutiger Sicht ein relativkleiner Beschleuniger, das Synchrozyklotron, gebaut.Das ist eine Maschine, die man heute als Museumsstück noch an dem Originalort besichtigen kann,passt in eine Halle, ist ein großer Magnet, in dem Protonen auf gewisse Energien beschleunigt werdenund dann für kernphysikalische Untersuchungen zur Verfügung stehen.Und damit hat man damals exotische Teilchen untersucht.Diese hat man vorher in der kosmischen Strahlung gefunden. Die Erde wird jaandauernd von der kosmischen Strahlung bombardiert, die größtenteils aus Protonen besteht.Und diese Protonen erzeugen kernphysikalische Reaktionen in der Atmosphäre.Und bei Untersuchung dieser, was dann bis zur Erde herunterkommt,die langlebigen Teilchen, hat man Teilchen gefunden, die neu sind, die exotisch waren.Das ist zum Beispiel das Myon, ein schwerer Verwandter des Elektrons,beziehungsweise hat man dann Teilchen gefunden, die auch nicht in das damaligesehr einfache Schema gepasst haben.Aber natürlich, Untersuchungen der kosmischen Strahlung, das lässt sich sehrschwer planen. Und wie ich bereits gesagt habe, nur die langlebigen Teilchen,die bei diesen Reaktionen entstehen, kommen bis zur Erdoberfläche.Daher war der nächste Schritt, man macht das kontrolliert mit Hilfe von Beschleunigern.
Tim Pritlove
Aber gehen wir vielleicht nochmal ein bisschen zurück in der Wissenschaftsgeschichte,weil das Tor für diesen ganzen Forschungsbereich und überhaupt das Verständnisdieser Welten und das Bedürfnis das zu untersuchen begann ja im Prinzip erst so grob Anfang des 20.Jahrhunderts. So als die großen Revolutionen angestoßen wurden in beide Richtungen,Relativitätstheorie von Einstein, aber eben dann vor allem auch die ganzen Erkenntnisserund um die Quantenmechanik und dieses Bemühen der Wissenschaft überhaupt erstmalsozusagen zu verstehen, wie man so schön sagt, was die Welt im Innersten zusammenhält.Noch mal Goethe zitiert zu haben und das musste sich ja dann auch erst mal findenund auch dieses Konzept von Strahlung,Radioaktivität, also wann hat sich denn überhaupt das wissenschaftliche Bildsoweit geformt, dass man wusste womit man es zu tun hat?
Manfred Krammer
Ich habe gar nicht so sicher mit den Experimenten von Rutherford,Alpha-Strahlung auf Goldfolien.Da hat man zum ersten Mal gesehen, dass es so etwas wie einen Kern geben muss,dass die Materie durchlässig ist, aber aus Korpuskeln, aus Kernen besteht.Ich würde sagen, das war der Beginn des Verständnisses, des Aufbaus der Materie.Vorher hat man wahrscheinlich einen schwammigen Begriff von Materie gehabt,aber zu dem Zeitpunkt hat man dann begonnen, Teilchen zu identifizieren.Kerne und das erste Elementarteilchen und ein Elementarteilchen,um das vielleicht zu erklären, ist ein Teilchen, das sich nicht weiter unterteilenlässt, sozusagen mit unserem Wissen heute punktförmig ist.Und das erste dieser Elementarteilchen war das Elektron, das man entdeckt hatvor etwas mehr als 100 Jahren.
Tim Pritlove
Und bis dahin gingen wir ja davon aus, dass das Atom das schon vielleicht sei,weil das ja eigentlich der historische Name ist, der Unteralpakan.
Manfred Krammer
Damals oder schon noch einige Jahre vorher glaubte man das Atom ist der kleinstemögliche Baustein der Materie.
Tim Pritlove
Aber war halt nicht so. Genau und dann ist halt daraus sozusagen die Erkenntnisdarüber langsam geworden, dass es eben Teilchen gibt, aber ich glaube man hatam Anfang auch nicht im Ansatz damit gerechnet so viele unterschiedliche zu finden.
Manfred Krammer
Man hat am Anfang ein paar Teilchen gefunden, man hat einen Kern gefunden,hat festgestellt, der Kern besteht noch aus Protonen und Neutronen,man hat das Elektron gehabt und eigentlich hätte das auch ausgereicht und reichtauch aus, um das Biodensystem der Elemente zu erklären.Und dann kam, was ich vorher vielleicht schon erwähnt habe, Untersuchungen,dass der kosmischen Strahlung als plötzlich ein Teilchen auftauchte,das Myon, das ähnliche Eigenschaften hat wie das Elektron, nur viel schwererwar. Das hat gar nicht reingepasst.
Tim Pritlove
Aber wie konnte man denn das, also was hat sich denn da technisch bereits entwickelt,dass man das überhaupt messen konnte?
Manfred Krammer
Es wurden die ersten Detektoren entwickelt, die solche Teilchenspuren nachweisen konnten.Es gab damals die ersten Detektoren, die nicht nur nachweisen konnten,dass es Strahlung gibt, sondern auch verschiedene Größen dieser Teilchen messen konnte,wie Ablenkungen in einem Magnetfeld, Spuren und daraus konnte man dann schließen,dass es sich um ein anderes Teilchen handelt als das Elektron.
Tim Pritlove
Und dann gab's ja dann diesen Pfad dahin, dass man irgendwie gesagt hat,ich weiß nicht so ganz genau, wie so die Abfolge war, aber ein Teilchen kommtdazu, das Myon kommt dazu, also irgendwann bestand ja sozusagen dieser Bedarfmit, okay wir müssen das Feld neu sortieren.Wir müssen hier in irgendeiner Form ein neues Konzept finden.Man kam so vom Atom, das dann auf einmal aus Teilen bestand und jetzt muss jaquasi die Formel wieder neu aufgestellt werden.
Manfred Krammer
Ja, die Physik und im Speziellen natürlich, was wir jetzt Teilchenphysik nennen,ist ein Wechselspiel zwischen Theorie und Experiment.Die Experimentatoren messen etwas, finden etwas Neues, messen eine Abweichungund dann gibt es Theoretiker, die das versuchen zu erklären,die daraus ein Modell basteln, um das zu erklären.Umgekehrt kann es natürlich auch sein, dass Theoretiker ein Modell aufstellenund dann etwas vorhersagen, nachdem die Experimentatoren suchen und es entwederbeweisen oder falsifizieren.Also es ist ein Ping-Pong-Spiel zwischen Experimenten und Theoretikern und diesesPing-Pong-Spiel hat langsam zur Entwicklung eines Modells, einer Theorie geführt,die wir jetzt das Standardmodell der Teilchenphysiker nennen.Begonnen hat es natürlich sehr einfach.Ein paar einfachen Teilchen und Theorien, die das erklären konnten.Dann fand man etwas, was da nicht hineinpasst.Dann haben wieder ein paar sehr clevere Theoretiker ein anderes Modell vorgeschlagen,das aber auch Vorhersagen gemacht hat. Und da sind wir dann schon in der Zeitdes Zern und der Teilchenphysik mit Beschleunigern.Denn diese Vorhersagen konnten dann zum ersten Mal einen Beschleuniger überprüft werden.Zum Beispiel mit dem Synchrozyklotron am CERN konnte eine gewisse Theorie zurFall von Pionen das erste Mal gemessen werden und somit ein Teil,was wir jetzt das Standardmodell nennen, bewiesen werden.
Tim Pritlove
Ich würde gerne mal diesen Gedankengang versuchen nachzuvollziehen,warum man jetzt sozusagen auf Beschleunigung kam.Also man versucht ja zu beobachten. Man hat jetzt durch verschiedene Experimente,wie das erwähnte Rutherford Experiment, also erstmal rausgefunden,okay da strahlt was und so wie wir das beobachten, passt das mit unserer bisherigenTheorie nicht mehr zusammen. Es muss sozusagen Teilchen geben.Was ist denn dann sozusagen die Entwicklungskette da in der in der Theorie undin der Praxis und in der Technik gewesen zu sagen wir müssen jetzt irgendwasbeschleunigen um hier näher an die Wahrheit zu kommen?
Manfred Krammer
Die Beschleuniger brauchen wir.Teilchen zu erzeugen, die eine höhere Masse haben.Je stärker die Energie ist, die wir im Beschleuniger erzeugen können,umso schwerere, massereichere Teilchen können wir erzeugen. E ist gleich imc², die berühmte Formel.Und als offensichtlich war, dass es schwerere Teilchen geben muss,hat man begonnen, immer größere Beschleuniger zu bauen. Und tatsächlich mitjedem neuen Beschleuniger, der ein neues Energiespektrum eröffnet hat,hat man wirklich was Neues gefunden.Das ging sehr lange so.
Tim Pritlove
Aber warum muss die Masse, also wie geht der Gedankenschluss zu diesem Ansatz?
Manfred Krammer
Ich habe das schon erwähnt, dass sich wie ein Elektron erhält,nur eine größere Masse hat.Ähnliche Teilchen hat man beiden Hadronen gefunden, also Teilchen die aus Quarks zusammengesetzt sind.
Tim Pritlove
Also das was den Atomkern ausmacht.
Manfred Krammer
Kern auch ausmacht. Das sind Atomkern, besteht aus Neutronen und Protonen, das sind Hadronen.Dann kennen wir aber auch sogenannte Mesonen, die bestehen ebenfalls aus Quarks,aus zwei Quarks und davon gibt es auch eine ganze Reihe.Das erste Teilchen, das man kennengelernt hat, war das sogenannte Pion und dannhat man ein Teilchen gefunden, das Kaon, das sich wiederum ähnlich verhaltenhat als das Bion, aber schwerer war, wie wir jetzt wissen, weil es ein schwereres Quark enthält.Und um diese von Bionen auf Kaonen, um das immer weiter zu untersuchen,hat ein Beschleuniger mit immer höheren Energien gebraucht.
Tim Pritlove
Also was macht das Prinzip der Beschleunigung? Wie kam man überhaupt darauf,dass man einen Beschleuniger braucht?Das so ein bisschen versuche ich gerade herauszufinden.
Manfred Krammer
In der Analogie, ich denke jetzt, das ist natürlich lang vor meiner Zeit gewesen,ich denke natürlich in der Analogie zur kosmischen Strahlung.Wir wissen ja, kosmische Strahlung hat sehr hohe Energie, wusste man damals sicher auch.Die kosmische Strahlung trifft auf die Atome, Atomkerne der Gashülle und wennman das nachvollziehen möchte im Labor braucht man natürlich Beschleuniger,um Protonen auf höhere Energie zu bringen, um dieses Phänomen der kosmischenStrahlung nachvollziehen zu können unter kontrollierten Bedingungen.
Tim Pritlove
Das gibt mir auch die Gelegenheit auf eine andere Sendung zu verweisen,die ein bisschen mit diesem Thema zusammenhängt, Raumzeit 104.Da geht es um das Cherenkov Teleskop Array, was ja auch die kosmische Strahlungversucht zu analysieren und dabei eben konkret diesen Effekt,diese Cherenkov Strahlung auswertet, während die kosmische Strahlung auf dieAtmosphäre der Welt, der Erde auftaucht und dort halt Lichtspuren hinterlässt,die in diesem Fall von diesem Array gemessen werden.Und das ist im Prinzip das, was man im Beschleuniger versucht nachzubauen.Hier liegt die Masse zwar rum, aber sie ist halt nicht schnell und wenn mansie irgendwie beschleunigen will, muss man sie halt irgendwie auf Trab bringen.Das heißt, das sind wir jetzt sozusagen in der Zeit kurz vor CERN.Das war sozusagen die Erkenntnis.Es wurden erste Beschleuniger-Systeme gebaut in einem sehr überschaubaren Raumund man hat einfach gesehen,okay, jetzt haben wir hier schon eine ganze Halle voll gebaut oder wie großdie ersten Beschleuniger auch immer gewesen seien, mögen wir brauchen das jetzt mal in größer.
Manfred Krammer
Ja der erste Beschleuniger wie ich schon gesagt habe passt noch in eine Halle.Parallel dazu wurde aber auch der nächste Beschleuniger schon geplant und mitdem Bau begonnen. Das ist das Proton Synchrotron.Das hat immerhin schon einen Umfang von fast 800 Meter und damit hat man jetztdann natürlich deutlich höhere Energien erreicht und konnte damit Teilchen studieren,die noch höhere Massen haben.Das Prinzip war damals das sogenannte Fixed-Target-Experiment-Prinzip.Man hat hauptsächlich Protonen in diesen Beschleunigern auf hohe Energien gebrachtund diese dann auf ein Target geschossen.Das Target ist ein Materieblock, das kann Blei sein,Eisen sein, aber auch Wasserstoff, Gas und hat dann untersucht,welche Wechselwirkungen, welche Reaktionen diese hochenergetischen Protonenin dem Target verursachen.Indem man nach dem Target die Detektoren aufgebaut hat. dann konnte man dieTeilchen untersuchen, die bei den Reaktionen entstehen.Und das BS, das ebenfalls Ende der 50er Jahre gebaut wurde, ist noch immer im Betrieb.Es ist ein Vorbeschleuniger jetzt vom großen LHC, zu dem wir sicher noch sprechen kommen.Also diese Maschine ist nach einigen Verbesserungen aber immer noch im Betrieb.
Tim Pritlove
Dann münden wir doch mal sozusagen in die konkrete Entstehungsgeschichte ein.Also die Wissenschaft hat sozusagen erstmal festgestellt, gut,Kernforschung ist wichtig, weil das ist etwas, was uns überhaupt erstmal dieGrundlagen bringt, Physik überhaupt zu verstehen und die offenen Fragen zu beantworten.Und mit den Grundlagen, die so in den 30er Jahren gelegt wurden,theoretischer Natur und dann praktischer Natur, kann man dann eben schnell aufdiesen Punkt so beschleunigen, sind ein wenig der Schlüssel zur Erkenntnis.Das würde ich mal so festhalten.Also es ist jetzt nicht nur so irgendeine Technologie,sondern es ist schon so eine richtige Schlüsseltechnologie, die wirklich dazubeitragen kann, diesen Teilchen zu überhaupt erstmal zu kartieren und dann ebenauch daraus Schlüsse zu ziehen, was gehört jetzt hier eigentlich zu was,was hat worauf einen Einfluss, was besteht aus was.Also Beschleuniger sind nicht irgendwas, sondern Beschleuniger sind sozusagen essentiell.Und das ist dann das, was letzten Endes, gerade eben nach dem Krieg,sozusagen das verbindende Element war,wo man gesagt hat, okay es ist jetzt Zeit für ein wirklich großes wissenschaftlichesGesamtexperiment und einen neuen Standort und dann eben in dem Zuge vielleichtauch noch so ein Friedensprojekt,um an dieser Stelle die Grundlage zu schaffen für die weitere wissenschaftliche Forschung.Kann man das so stehen lassen? Ja, ja.Dann sind wir jetzt sozusagen in den 50er Jahren. Womit fing es denn hier an?
Manfred Krammer
Deswegen, wie ich schon gesagt habe, mit dem ersten kleineren Beschleunigeran, mit den ersten kernphysikalischen Experimenten.Wie gesagt, den Begriff Hochenergiephysik, Teilchenphysik, hat es damals sicherlich noch nicht gegeben.Dann die nächste Maschine, um zu höheren Energien zu kommen,war der Proton-Synchrotron.Damit konnten dann Teilchen erzeugt werden, die deutlich höhere Energien haben.Die wurden in der Zwischenzeit bei anderen Forschungseinrichtungen entdeckt,wie zum Beispiel das Chum-Teilchen in Amerika, Reaktionen, wo diese Teilchenmit ins Spiel kommen konnten, dann am CERN ebenfalls untersucht werden.Die Erkenntnis kam dann im Wechselspiel, wie ich bereits gesagt habe,mit der Theorie, dass es noch schwerere Teilchen geben musste.Dann schon langsam die Erkenntnis gekommen, dass man zur Erklärung der Phänomene,die wir sehen, es mehr als diese drei, vier damals bekannten Quarks,wir reden jetzt hauptsächlich von Quarks, geben muss.Und daher hat man dann begonnen, einen noch größeren Beschleuniger am CERN zubauen. Jetzt sind wir am Anfang der 70er Jahre. Das ist das sogenannte SPS.Das war dann immerhin immerhin bereits ein Beschleuniger mit ungefähr 7 km Umfang,der wiederum noch immer benützt wird als Vorbeschleuniger für den LHC.
Tim Pritlove
Jetzt muss ich nochmal ein bisschen auf die Technik als solche zu sprechen kommen,damit auch alle das nachvollziehen können. Bei so Beschleuniger hört man haltimmer so, okay, alles klar, wir beschleunigen jetzt hier so die Teilchen.Das macht man ja nicht eben so mit Haushaltsgerät.Man nimmt also irgendein Atom oder ein Teil davon und will den jetzt sozusagenauf die Reise schicken. Man will hohe Geschwindigkeiten erzeugen.Jetzt nimmt man ja nicht eine Zwille, sondern man muss ja in irgendeiner Formsowas leiten und es handelt sich ja immer um etwas extrem kleines.Was sind also sozusagen die Grundkomponenten, die man braucht,um diese Beschleunigung überhaupt zu erreichen?
Manfred Krammer
Ja zum einen muss ich das widersprechen, man macht es auch mit Haushaltsgeräten.Tatsächlich. zumindestens die Zuhörer, die noch einen Röhrenfernseher zu Hausehaben, das ist ein einfacher Beschleuniger.Die Elektronen werden in der Röhre beschleunigt und treffen dann den Schirmund erzeugen den Lichtblitz. Ein einfacher Beschleuniger.Durch Anlegen eines elektrischen Feldes werden Elektronen beschleunigt.Das ist das Grundprinzip eigentlich, nachdem auch die großen Beschleuniger funktionieren.Auch hier erzeugen wir ein elektrostatisches Feld.Und in diesem Feld, bei Durchlaufen des Feldes, werden die geladenen Teilchen,egal ob es jetzt Elektronen oder Protonen sind, beschleunigt.So, das ist das einfache Prinzip eines Linearbeschleunigers.Jetzt, Linearbeschleuniger hat natürlich das Problem, dass man die Teilchen,dass er sehr lang werden kann.Und daher ist man übergegangen, Kreisbeschleuniger zu bauen.Und um geladene Teilchen auf einem Kreis zu halten, braucht man Magneten.Ein geladenes Teilchen, das fliegt, beschleunigt wird, würde nur geradeaus fliegen.Jetzt brauche ich einen Magneten, um die Teilchen auf eine Kreisbahn zu zwingen.Und dann kann ich die Teilchen durch dieses elektrostatische Feld bei jederUmdrehung durchschicken.Ich habe also eine Beschleunigungsstrecke und die Teilchen fliegen da zigmalin der Sekunde durch und werden zu immer höheren Energien beschleunigt.Das ist der Prinzip eines Kreisbeschleunigens. Also ich brauche ein elektrostatischesFeld und Magneten, die die Teilchen auf einer Kreisbahn halten.Die Energie ist jetzt beschränkt durch die Energie, die ich zuführen kann durchdas elektrostatische Feld, aber auch durch die Abstrahlung, die Teilchen produzieren,wenn sie auf einer Kreisbahn fliegen.Ein Teilchen, das in eine Kreisbahn gezwungen wird, strahlt Energie ab,die ich wieder zuführen muss.Das kann ich jetzt insofern umgehen, als ich immer mehr Energie zuführe oderden Ring größer machen, damit weniger abgestrahlt wird.Das ist das Wechselspiel zwischen Größe eines Beschleunigers,elektrostatisches Feld und dann auch Magnetfeld.Das ist der Grund, warum, wenn ich zu höheren Beschleunigern komme,möchte ich zu höheren Energien kommen, weil ich immer größere Ringe brauche.
Tim Pritlove
Also ein klassisches Bigger is better Ding.Wenn ich jetzt das Magnetfeld brauche, um das Teilchen erstmal so in die Bahnzu zwingen, was macht das Teilchen schneller? Also was sorgt für die eigentliche Beschleunigung?
Manfred Krammer
Die Teilchen müssen ein Spannungspotential durchlaufen.In dem Spannungspotential werden sie dann beschleunigt. Also ich lege an derBatterie einen Volt an, wenn ein Teilchen durchfliegt, gewinnt es die Energie von einem Elektrovolt.Jetzt deswegen ist es natürlich sehr wenig, wir wollen ja auf Gigaelektronen,Voltärelektronen kommen. Und da gibt es das Prinzip der Kavitäten.In Kavitäten entstehen stehende Wellen, die ein elektrostatisches Feld erzeugen,das die Teilchen beschleunigt.Diese Gravitäten wurden auch so um die 50er, 60er Jahre entwickelt.Natürlich werden jetzt immer besser, immer effizienter, werden superleitend.Und das sind die Beschleunigerstrecken, die es zum Beispiel in LHC an einerStelle entlang des Ringes gibt.Und die Protonen jedes Mal, wenn sie bei dieser Stelle vorbeikommen,bekommen sie Energieschub.
Tim Pritlove
Das sind diese Hohlraumresonatoren.Okay, also über Resonanzen werden die Emel beschleunigt.
Manfred Krammer
Genau, beschleunigt und damit Energie zugeführt. Wir führen ja Energie zu.
Tim Pritlove
Das ist sozusagen die Technologie, die dann am CERN wirklich primär nach vorne gebracht wurde.Und wann haben sich denn das erste Mal dann auch konkrete Erkenntnisse daraus,aus dieser Arbeit ableiten lassen?
Manfred Krammer
Ja, vielleicht der erste Meilenstein, wenn man so will, oder die erste großeEntdeckung am CERN war die Entdeckung der neutralen Ströme.Wir haben hier auf der einen Seite die Quarks und Leptonen, also die Teilchen,die Materieteilchen, aber diese Teilchen müssen ja miteinander interagieren,sonst wäre das Universum sehr einfach und fad sozusagen.Und da kennen wir vier Grundkräfte, elektromagnetische Kraft,schwache Kernkraft, starke Kernkraft und die Gravitation.Und bei der schwachen Kernkraft war nicht klar oder war nicht sicher,ob es auch einen sogenannten neutralen Strom gibt, also eine Wechselwirkung,bei der keine Ladung ausgetauscht wird.Und der Nachweis für diesen neutralen Ströme wurde hier am CERN mit Hilfe desPS-Beschleunigers in einer sogenannten Blasenkammer erbracht.Das war der erste, würde ich sagen, große Entdeckung am CERN.War eigentlich nur der Anfang für ein wirklich besseres Verständnis dieser schwachen Wechselwirkung.Der Beweis, dass es einen neutralen Strom gibt, fordert auch,dass es ein Austauschteilchen gibt für diesen neutralen Strom.Das nennen wir jetzt das Z-Boson.Und genau dieses Z-Boson wurde dann ungefähr 20 Jahre, 15 Jahre später,hier am CERN ebenfalls entdeckt.Mit dem nächsten Beschleuniger.
Tim Pritlove
Um es gleich mal, um ein paar Leute noch mitzunehmen, weil man kommt ja hierschnell ins Schlingern in dieser ganzen Begriffswelt.Also Quarks, Leptonen, grob gesagt Quarks so ein bisschen das was so die Grundlagefür die Atomkerne darstellt, Leptonen ist quasi mehr so die Elektronenwelt,beides zusammen macht ja so die Atome aus.Und die vier Kräfte sind ja, ich frage ab und zu mal so Leute nach den vierGrundkräften und es ist gar nicht so, wie soll ich sagen, also Gravitation hatjeder schon mal gehört, beim Rest gibt's unterschiedliche Antworten.Schwache Kernkraft ist halt so ein bisschen die Treibkraft hinter der Radioaktivität,das was irgendwie sozusagen auch in der Lage ist so die Atome wieder zu zersetzen,die ja ansonsten sehr stabil sind.Die starke Kernkraft hält alles zusammen und die elektromagnetische Kraft istja sagen wir mal die bekannteste, das ist so das was uns hier irgendwie ermöglichtam Tisch zu sitzen und nicht in tausend Strahlen zu zerfließen. Das.Heißt...Diese erste Erkenntnis war vor allem erstmal eine Erforschung dieser schwachen Kraft,primär, die einem viele Rätsel aufgegeben hat und überhaupt die Radioaktivitätauch so ein bisschen am Anfang der ganzen Idee des Teilchen Zoos auch stand.Was hat dann diese Erkenntnis der neutralen Ströme klar gemacht?Also war das sozusagen eine Erfüllung einer lang gepflegten Theorie und wo mansich schon immer gedacht hat, das müsste so sein oder war das dann so revolutionärmit so oh hoppala ist ja ganz anders als wir gedacht haben?
Manfred Krammer
Nein, parallel dazu wurde eine Theorie entwickelt, die sowohl die elektromagnetischeKraft als auch die schwache Kraft als die Erscheinung einer einzelnen Urkraft erklärt.Also sozusagen die beiden Kräfte in einem mathematischen Konzept,in einer mathematischen Theorie, die wir jetzt die elektroschwache Theorie nennen, zusammenfasst.Und in dieser Theorie braucht man eben diese neutralen Ströme.In dieser Theorie gibt es drei Austauschteilchen.Wir stellen uns ja die Wechselwirkung der Kräfte so vor, indem sie Teilchen austauschen.Das bekannteste Teilchen, sicher für jeden Hörer bekannt, ist das Photon.Es tauscht die elektromagnetische Kraft aus. Für die schwache Kraft gibt esjetzt die W- und die Z-Bosonen.Also zusammen brauchen wir dreidieser Austauschteilchen, um die elektroschwache Kraft zu beschreiben.
Tim Pritlove
Damit sie überhaupt miteinander interagieren kann und nicht vollständig separat voneinander agiert.
Manfred Krammer
Genau.
Tim Pritlove
Ja das ist sozusagen die Suche nach den Bosonen.Also diese, genau, Photon ist glaube ich sehr bekannt, weil ich meine das machtdas Licht, deswegen auch der Name.Aber das Licht halt letzten Endes ja auch nur Elektromagnetismus ist,ist glaube ich mittlerweile allgemein bekannt.Und die anderen wechselwirkenden Teilchen,also die, die sozusagen, kann man das sagen, so Quarks und Leptonen ist mehrso das Ist und die Wechselwirkungen, also die Bosonen, die sind mehr so das,was wird und sich ändert.
Manfred Krammer
Mit einem leichten philosophischen Touch kann man das vielleicht so sehen.Wir nennen es auf der einen Seite sind es die Materie Teilchen,also das was sie als ist bezeichnen und das andere ist die Wechselwirkung zwischenden Teilchen, ebenfalls ausgetauscht durch diese Posonen, das sind ebenfalls Teilchen.
Tim Pritlove
So das heißt mit dieser Entdeckung wurde erstmal klar,es gibt überhaupt erstmal eine unmittelbare Beziehung zwischen diesen beiden Kräften,von denen man weiß, dass es sie gibt, die man messen konnte, beschreiben konnte,für die die Theorie auch da war, die Beobachtungen gepasst haben,nur ob sie komplett separat voneinander existieren oder dann doch irgendwasmiteinander zu tun haben, das war dann sozusagen diese Entdeckung, die dann,Haben Sie es gesagt, ein neutraler Strom, der keinen Ladungsaustausch vornimmt.Wie muss man sich das vorstellen?
Manfred Krammer
Also nachgewiesen wurde es, indem durch das Proton-Synchrotron am CERN wurden Neutrinos erzeugt.Das sind Leptonen, gehören zur Klasse der Elektronenmyonen und so weiter.Sie haben die Eigenschaft, dass sie keine Ladung haben, extrem leicht sind.Wir wissen gar nicht wie leicht.Wir haben noch keine Messung, praktisch durch alle Materie durchgehen,denn sie wechseln wirkend nur schwach.Und mit einem solchen Neutrinostrahl, Myon-Neutrinostrahl, den man hier erzeugthat, das hat man dann auf ein Target geschossen, in einer Blasenkammer,und hat dort Wechselwirkungen mit den dort vorhandenen Elektronen gesehen.Und zwar so, dass sich die Elektronen nicht umgewandelt haben,sondern einfach gestreut wurden.Also es war eine Wechselwirkung, ein Myon Neutrino geht rein,trifft ein Elektron und man sieht ein Myon Neutrino auf der anderen Seite rauskommen,ebenfalls mit einem Elektron. Also kein Austausch von Ladung.Vermittelt durch die sogenannten Z-Bosonen. Aber der Beweis,dass diese Theorie stimmt, ist erst erfolgt durch die Entdeckung dieser Z-Bosonen, 1983 am SPS.
Tim Pritlove
Was heißt das jetzt, dass man die entdeckt? Also man baut jetzt seinen Beschleunigerring,man schafft es halt, Teilchen auf hohe Energien hochzufahren,in dem der Ring schön groß ist, die Magnetfelder entsprechend stark sind unddie Hohlraumresonatoren ihrer Arbeit leisten.Das Teilchen fliegt, hat sehr viel Energie, aber wie kann ich jetzt sozusagendiese Erkenntnis aus dieser Beschleunigung herausziehen?
Manfred Krammer
Man bringt die Teilchen zu einer Wechselwirkung. Also man schießt,wie ich schon gesagt habe, die Protonen zum Beispiel auf ein Target und dannuntersucht man, was rauskommt.Man misst alle Teilchen, die bei der Reaktion entstehen.Man misst, in welchem Winkel sie entstehen, man wisst, welche Teilchenart,mit welchem Impuls sie entstehen, wie häufig gewisse Reaktionen stattfinden,weil nicht jede Reaktion ist gleich.Und das vergleicht man dann mit der Theorie, vergleicht man mit den theoretischenVorhersagen. Und im besten Fall stimmt das natürlich überein.
Tim Pritlove
Wie viel Prozent sind denn hier Theoretiker und wie viel Prozent sind denn hierso die Experimentalphysiker.Weil das ist ja immer so der Witz bei den Physikern, dass so die Theoretikerund die Experimentalphysiker so ein bisschen separate Türme sind,die auf unterschiedlichen Inseln wohnen.Aber hier kommt dann wirklich alles zusammen.
Manfred Krammer
Ja, wobei der CERN ein experimentelles Labor ist,also ich leite ja das Department für experimentelle Physik, ich habe knapp tausendLeute in meinem Department, während die Theoriegruppe ist ungefähr einen Faktor 10 kleiner.
Tim Pritlove
Aber es gibt sie.
Manfred Krammer
Es gibt sie natürlich, ist sehr wichtig und diese Theoriegruppe arbeitet natürlichmit den vielen tausenden Theoretikern auf der ganzen Welt zusammen.Also ich traue mir jetzt keine Aussage treffen, ob es mehr Theoretiker oderExperimentalphysiker gibt. Ich glaube es gibt mehr Experimentalphysiker,aber im Großen und Ganzen hätte sich das schon sehr die Waage.
Tim Pritlove
Aber die gehen auch gemeinsam Mittagessen. Die vertragen sich schon.
Manfred Krammer
Ja, natürlich. Wir arbeiten ja zusammen. Wir versuchen ja gemeinsam die Rätselder Natur zu entziffern. Für Theoretiker macht es keinen Sinn eine Theorie zuentwickeln, die keiner überprüfen kann.Und für uns Experimentalphysiker macht das ja auch keinen Sinn,etwas zu messen, wenn wir keinen Anhaltspunkt haben, was soll jetzt eigentlichherauskommen laut Theorie. Das heißt wir brauchen einander.
Tim Pritlove
Kommen wir wieder zurück zu der Weiterentwicklung des CERNs.Also nach diesem ersten Durchbruch, was hat denn das bewirkt?Also was, wie kann man sich denn das so vorstellen, was war denn so die Wirkung dieser Entdeckung,dieser neutralen Ströme auf einerseits die wissenschaftliche Öffentlichkeitweltweit, auch die Legitimation des Projektes in der Politik?Wie muss man sich das vorstellen? War das so ein Heureka-Moment oder hat man schon mit gerechnet?
Manfred Krammer
Ich glaube nicht, dass es ein Heureka-Moment war, denn man darf nicht vergessen,das waren ganz andere Zeiten.Informationsfluss war viel langsamer, es gab natürlich kein Internet,neue Erkenntnisse haben sich nur langsam herumgesprochen über Publikationen,Das hat sicher Monate gedauert, bis es publiziert war, andere Forscher gelesen haben.Also der Erkenntnisgewinn und die Informationenverbreitung damals war natürlichviel, viel langsamer, als es heutzutage ist.Inwieweit die Politik damals Notiz genommen hat von den Entdeckungen und Arbeitenan CERN, ja, bin ich mir nicht allzu sicher.Aber natürlich, ich denke, nachdem der CERN ja dann weiter Zukunft hatte undgrößere Projekte beschlossen wurden, dass es natürlich sehr positiv gesehenwurde von den Mitgliedsländern.Parallel dazu, muss man auch sagen, hat sich ja die Mitgliedschaft am CERN weiterentwickelt.Gegründet wurde der CERN von zwölf europäischen Mitgliedsländern.Mittlerweile haben wir 21 Mitgliedsländer und etliche assoziierte Mitglieder.Das heißt auch die Community und die Anzahl der Mitgliedsländer im CERN hatsich ja mit den immer größer werdenden Projekten auch erweitert.
Tim Pritlove
Mir fällt auch grad so ein bisschen ein, in meiner Wahrnehmung,es war jetzt auch nicht gerade meine Jugendzeit, so die 50er, 60er Jahre,aber die waren ja einfach auch extrem geprägt von einem Glauben des technischenFortschritts und Aufbruchs und insbesondere die Atomtechnologie spielte da ja eine große Rolle.Mal abgesehen jetzt von den.Militärischen Entwicklungen, Kernkraftwerke, unbegrenzte Energieversorgung,das war ja alles solche Träume,die dort aktiv ausgelebt wurden,überall wurden entsprechende Kernkraftwerke auch gebaut und es war generellja auch so ein Zustand der,Ich würde fast sagen auch Dankbarkeit für wissenschaftlichen Fortschritt,der ja nun gerade in der ersten Hälfte des 20.Jahrhunderts dazu beigetragen hat, auch viele konkrete Probleme der Welt vonErnährung bis hin zu Transport zu lösen und fundamental voranzubringen.Also innerhalb von 50 Jahren hat sich ja die Welt enorm verändert,vielleicht so sehr wie seitdem auch nie wieder.Gut Internet ist jetzt nochmal vielleicht in eine andere Dimension und in gewisserHinsicht sehen wir ja auch immer noch eine exponentielle Beschleunigung in manchenBereichen, aber sagen wir mal was so das Leben an sich der Leute betrifft hatsich ja wirklich sehr viel verändert.Und das war ja dann auch so ein bisschen das Vertrauen, was in so ein großeswissenschaftliches Experimentsystem reingesteckt wurde.
Manfred Krammer
Diese Aufbruchstimmung und diese Technologie, glaube ich, war damals sicher präsent.Obwohl im Namen des CERN Kernphysik vorkommt, hat sich der CERN aber relativrasch zu wirklich der fundamentalen Grundlagenforschung entwickelt.Hier am CERN wurde nie Kernphysik an sich betrieben.Ich muss jetzt vorsichtig sein, wir haben nämlich einige Einrichtungen hieram CERN, wo wir sehr wohl kernphysikalische Untersuchungen machen.Aber am CERN wurde nie an Atomkraftwerken und schon gar nicht an irgendwelchenMilitärforschungen, Das wurde ja von vornherein ausgeschlossen,in der Konvention gearbeitet.Also der CERN hat sehr früh wirklich die fundamentalen Fragen versucht zu beantworten,was die Welt, wie Sie gesagt haben, innestens zusammenhält.Und daher, der CERN wurde, glaube ich, schon eher als Grundlagenprojekt gesehenund weniger als eine Einrichtung, die angewandte Forschung betreibt.Erst später hat man dann vielleicht erkannt, dass diese Grundlagenforschungsehr viel produziert und entwickelt, was man im angewandten Bereich braucht.Beschleunigertechnologie, auch die Detektoren, die wir entwickeln,ist der zweite große Bereich am CERN, wird vielfach in der Medizin verwendet.Computing, World Wide Web brauche ich glaube ich nicht extra erwähnen,aber die ursprünglichen Ziele und nach wie vor die Ziele des CERN sind absoluteGrundlagenforschung, für die es unmittelbar keine Anwendung gibt.Vielleicht darf man auch nicht vergessen, denke ich zumindest, dass am Beginn des CERN,die Maschinen, die wir jetzt besprochen haben, vielleicht bis hin zum SBS,der dann immerhin schon sieben Kilometer war, keine so riesigen,gigantischen Projekte sind, wie wir sie jetzt vielleicht sehen.Das hat sich ja alles mit der Zeit entwickelt. Das waren ja am Beginn kleineGruppen, wenige Leute, die Experimente gemacht haben.Erst mit der Zeit, als die Beschleunigung immer größer wurden,die Experimente immer komplexer, die Fragestellungen immer komplexer,hat sich das hin zu Kollaborationen entwickelt, die jetzt aus 3000 Wissenschaftlern bestehen.Eine Entwicklung, die übrigens nicht nur in der Teilchenphysik stattgefundenhat, sondern auch in anderen Bereichen der Wissenschaft.
Tim Pritlove
Kommen wir vielleicht noch mal zu diesen Meilensteinen, um daran auch vielleichtso ein bisschen die Entwicklung auch festmachen zu können. Also wenn ich dasrichtig sehe, diese neutralen Ströme, das war so 73, so größenordnungsmäßig.
Manfred Krammer
Aber diese W&Z-Busse waren 1983.Dazu musste, das ist vielleicht interessant zu erklären, dazu musste der SPSumgebaut werden. Der SPS wurde gebaut als eine Maschine für Fixed-Target-Experimente,ich habe das schon erklärt.Beschleunigt die Protonen und schießt sie dann auf einen Materioblocker undmacht dann die Messungen. Aber da geht sehr viel Energie verloren.Wenn das Proton auf einen Block trifft, geht viel der Energie hinten wieder raus.Viel effizienter wäre es, wenn man Protonen frontal qualitieren lässt.Da hat der Karl Rubia, weil man sozusagen doppelte Geschwindigkeit hat,mehr sogar frontal volle Energie bei der involvierten Teilchen,steht dann zur Verfügung.Und da hatte der Karl Rubia, später der Nobelpreisträger, die Idee gehabt, wir bauen das SPS um.Zu diesem Zeitpunkt gelang es bereits am CERN Antiprotonen zu erzeugen.Das sind die Antiteilchen der Protonen. Ein Proton besteht aus drei Quarks,ein Antiproton aus drei Antiquarks, hat aber sonst gleiche Eigenschaften außerentgegengesetzte Ladung.Und er hat jetzt die Idee gehabt, man kann eigentlich in dem gleichen Ring,im Uhrzeigersinn die Protonen, gegen den Uhrzeigersinn die Antiprotonen.Wenn man sich überlegt, wie die Felder der Magnete wirken, wirken sie genauentgegengesetzter, aber auch entgegengesetzter Ladung.
Tim Pritlove
Aber man nutzt sozusagen die Technik doppelt.
Manfred Krammer
Man nutzt die Technik des gleichen Beschleuniger, die gleiche Vakuumröhre,die gleichen Kavitäten, Hohlraumresonatoren und beschleunigt in die eine RichtungProtonen, in die andere Richtung Antiprotonen und kann sie dann zu einem Frontalcrashin der Mitte eines Detektors zusammenführen.
Tim Pritlove
Aber wo kriegt man denn so Antiprotonen her? Gibt es ja so Regale, wo die so drin stehen?
Manfred Krammer
Mittlerweile schon.
Tim Pritlove
Ach wirklich?
Manfred Krammer
Antiprotonen entstehen auch bei hochenergetischen Reaktionen.Wenn Sie einen Proton nehmen, wenn die Energie groß genug ist und Sie siehst,dass Sie auf ein Plei-Target kommen hinten alle möglichen Teilchen heraus.Unter anderem auch Antiprotone.Sehr selten. Aber wenn man eine gute Apparatur aufbaut, kann man diese Antiprotonenvom Rest der Teilchen separieren.Und mittlerweile wissen wir auch, wie wir sie aufheben können.Also wir haben mittlerweile Regale, magnetische Fallen, wo wir Antiprotonen speichern.Vielleicht kommen wir zu dem später zurück. Das ist ein ganz spannendes Thema.Aber bleiben wir bei dem SPS.Der SPS wurde umgebaut. Zwei Experimente wurden gebaut, UR1 und UR2.Ich hatte das Vergnügen, als kleiner Student beim Experiment UR1 mitarbeiten zu können.Und durch diesen Frontal-Crash der Protonen und der Antiprotonen stand genugEnergie zur Verfügung, um die W- und Z-Bosonen zu erzeugen. Und so gelang derNachweis der W- und Z-Bosonen.Das war sicher das größte, bis zur Entdeckung des Higgs, das größte Erfolg amZehren, der Nachweis der W- und Z-Bosonen.1983, ein Jahr später, hat der Karl Rubia gemeinsam mit dem Simon van der Meer,einem Beschleunigerexperten, den Nobelpreis bekommen.Das Simon van der Meer, dem ist es gelungen die Maschine so umzubauen,dass die Antiprotonen auch fokussiert bleiben und in der Maschine bleiben.Das war technologisch ein sehr wichtiger Fortschritt um diese Maschine überhaupt zu realisieren.
Tim Pritlove
Und 1983 gab es dann auch noch kein Internet, aber dann hat sich auch die Medienweltschon so ein bisschen verändert.Das dürfte dann schon ein bisschen mehr Impact gehabt haben oder dauerte dasimmer noch Monate lang bis das alles zur Kenntnis genommen hat?
Manfred Krammer
Ich hab damals schon Physik studiert, das war knapp bevor ich das erste Mal an den Zehren kam.Ich kann mich nicht erinnern, dass es im ORF I vorgekommen ist.
Tim Pritlove
Ja gut, alles klar.
Manfred Krammer
Als Physiker hat man das natürlich mitbekommen, überhaupt wenn man schon einTeilchen Physik studiert.
Tim Pritlove
Wie ging es dann weiter?
Manfred Krammer
Ja, jetzt, wir haben ja gesprochen über die Personen, elektroschwache Wechselwirkung.Gibt es drei Personen, Photon, W und Z Person.Und der große Unterschied ist zwischen diesen Personen der riesige Masseunterschied.Die Photonen sind masselos, deswegen fliegen sie auch mit Lichtgeschwindigkeitund ähnlicher Reichweite.Die W- und Z-Personen haben zwischen 80 und 90 Gigaelektronenvolt Masse.Das entspricht der 80 bis 90 fachen Protonenmasse.Also das sind riesige, schwere Auslausteilchen.Und das passt nicht ganz zusammen. Da fehlt etwas in der Theorie.Und da haben viele Theoretiker damals nachgedacht, wie kann das,oder die Überlegung fand schon in den 60er Jahren statt, Wie kann man dieseungroßen Massenunterschiede erklären?Und da kommen wir jetzt schon langsam zum Higgs, zum Higgs-Feld.Einige Theoretiker, allen voran die Theoretiker Braut,Angler und Higgs, haben dann eine Theorie aufgestellt, dass es im Universumein Feld geben muss, das für diese Massenunterschiede verantwortlich ist.Wir nennen es jetzt das Braut-Angler-Higgs-Feld.Und der Higgs war der Theoretiker, der erkannt hat, dass wenn es ein solchesFeld gibt, dann muss es auch ein Teilchen dazu geben, das Feldteilchen.Und deswegen nennen wir das Higgs-Boson jetzt Higgs-Boson.
Tim Pritlove
Da müssen wir vielleicht nochmal einen kleinen Physik-Exkurs einwerfen und soein bisschen auf diese Idee dieser Felder kommen.Das ist ja eine komplexe Materie.Das Verständnis, was ich so ein bisschen für mich erlangt habe oder glaube erlangt zu haben,Also ich rede quasi von dieser Quantenfeldtheorie, also die Annahme,dass eigentlich für jedes Teilchen, korrigieren sie mich, werden sie wahrscheinlichgleich tun, mehr oder weniger eigentlich auch ein passendes Feld dazu existiert.Wir eigentlich quasi dadurch in der Vorstellung von einer permanenten,wabernden Masse unterschiedlicher Feldtypen umgeben sind und diese ganzen Teilchen,die wir dann sozusagen finden, sind dann so mehr oder weniger Zuspitzungen in diesem Feld.Kulminationen, die dann sozusagen greifbar, quantisierbar,also zählbar werden, die diskret abgeteilt sind,die sozusagen so viel aus diesem Feld herausragen, dass man sagen kann,da ist ein sichtbares, greifbares, zählbares Element aus diesem Feld.Ist das ein Bild, was passt?
Manfred Krammer
Ja, ich würde das Einzige, was ich korrigieren würde, wir sind nicht von denFeldern umgeben, sondern durchdrungen von all diesen Feldern.Und ja, die Teilchen, wenn sie sozusagen an dem Feld rütteln, entstehen.
Tim Pritlove
Die Teilchen, genau. Weil das Bild hat mir ehrlich gesagt sehr geholfen dabei,weil so dieses, diese ganze Welt aus so herumfliegenden Objekten sich zusammenzubauen,macht's auch irgendwie schwierig, weil einfach alles permanent irgendwie kollidiertund wie ein riesiger Billardtisch funktionieren würde.Aber sozusagen alles so ein bisschen als wabernde Masse zu verstehen,wo sich dann irgendwie immer wieder was konkretisiert,das passt ja dann auch irgendwie gut so mit diesen Beschreibungen zusammen in der Quantentheorie,dass ja alles ja Welle und Teilchen gleichzeitig ist,dieser Dualismus, dieses Dinge sind nicht so konkret greifbar,ich kann sagen mit welcher Wahrscheinlichkeit irgendwas irgendwo ist,aber nichts ist wirklich total bestimmt.Was ja sagen wir mal auch die einfache Physik am Anfang des 20.Jahrhunderts auch so ein bisschen in Wallung gebracht hat, wo ja auch viele,ich glaube auch Einstein, so ein bisschen ihre Zweifel hatten,dass das sozusagen so ein Bild sein kann, mit dem sich alles erklären lässt,weil man eigentlich ja bis dahin immer so ein bisschen Konkretes haben wollte,Festgelegtes haben wollte, Abzählbares haben wollte und das ja sagen wir malBlick aufs große auch irgendwie gepasst hat.Allgemeine Relativitätstheorie war in der Lage so das Weltall zu beschreibenund auf einmal passte die Bewegung der Planeten und es ging irgendwie alleswunderbar auf und diesen großen Dimensionen,ja konnte man das alles so nachvollziehen, aber umso mehr man ins Kleine schaute,umso waberiger und unbestimmter wurde irgendwie alles und das dann irgendwiezusammenzubringen ist ja im Prinzip auch immer noch so ein bisschen die Aufgabe.Also diese Felder spielen einfach eine große Rolle und das Higgs-Boson,um da jetzt drauf zu kommen, oder die Higgs-Entdeckung, oder sagen wir überhaupterstmal die Theorie vom Higgs, ist ja sozusagen der Ansatz.Okay, wie, was ist überhaupt Masse? Und damit in letzter Linie auch so die Frage,was ist überhaupt Energie, wenn das sozusagen das gleiche ist,was ist das für eine Eigenschaft und wovon eigentlich?Und diese Theorie, wann wurde die aufgestellt?
Manfred Krammer
Ende der 60er Jahre.
Tim Pritlove
Das muss ja ein unglaublich weitblickendes Gedankenmodell gewesen sein,was jetzt sozusagen gesagt hat, okay unter all diesen Feldern,die wir sowieso haben, gibt's dann nochmal eins.Das sehen wir nicht, aber nehmen wir einfach mal an, das ist irgendwie da undes ist in gewisser Hinsicht so ein Metafeld, was für alle auch nochmal eineEigenschaft hinzufügt.Also vereinigen sich dann letzten Endes alle Felder.
Manfred Krammer
Ja, es war sicher damals eine sehr mutige Vorhersage, ein solches zusätzliches Feld einzuführen.Aber mathematisch in ihrem Mechanismus, diesem Brauteiger-Higgs-Mechanismus, hat das gepasst.Und hat all das erklärt, was man damals gemessen hat. Was man sich erklärenkonnte. Genau. Und seit diesen 60er Jahren suchen wir dieses Higgs-Teilchen.Weil, was die Theorie nicht vorhergesagt hat, bei welcher Masse sich diesesTeilchen befinden sollte.Deswegen haben dann eigentlich Generationen von Physikern versucht,dieses Higgs-Teilchen nachzuweisen.Man hat aber erst einen LHC gebraucht, um genug Energie in diese Kollisionenzu bringen, damit dieses Higgs-Teilchen entsteht.Und zweitens entsteht dieses Higgs-Teilchen, weil es auch so schwer ist,sehr, sehr selten. Das heißt, man braucht auch noch einen Beschleuniger,der eine hohe Interaktionsrate, eine hohe Intensität hat.Und das war erst durch den LHC möglich.
Tim Pritlove
Okay wir lassen nochmal kurz auf Dröseln.Also die Voraussage war ja im Prinzip es gibt nochmal ein Feld und nennen wires jetzt mal das Higgs Feld und das hat eine bestimmte Eigenschaft und um esnachweisen zu können muss man sozusagen ein Teilchen finden,also so eine Kulmination in diesem Feld, die erst dadurch angeregt wird,wenn man extrem hohe Energien zusammenbringt.Was heißt das jetzt mit ich suche ein Teilchen in einem bestimmten Energiebereich?Also wie muss man sich das jetzt… Ja bis jetzt haben wir eigentlich nur überden Beschleuniger gesprochen.
Manfred Krammer
Der Beschleuniger ist nur eine Komponente. Wie ich schon gesagt habe,um nachweislich das Higgs Teilchen brauche ich einen Beschleuniger,Der bei der Kollision, beim LHC, beschleunigen wir Protonen in beide Richtungen.Es kommt zur Kollision zwischen den einzelnen Quarks in den Protonen,beziehungsweise die Gluonen, die die Protonen zusammenhalten.Und bei dieser Kollision muss genug Energie zur Verfügung stehen,damit die Masse des Higgs überhaupt entstehen kann.Zweitens braucht man diese hohe Intensität, damit es auch oft genug entsteht.Aber das ist nur der erste Teil. Jetzt hat man es erst einmal erzeugt.Dann muss es nachgewiesen werden. Das Higgs-Boson zerfällt instantan.Man sieht es, man kann es auch im Detektor nicht nachweisen.Was man nachweisen kann, sind die Zerfallsprodukte.Da entstehen aber alle Teilchen, die wir bis jetzt kennen.Der LHC hat eine so hohe Energie, dass er die ganzen Teilchen so erzeugen kann.
Tim Pritlove
In einer einzigen Kollision?
Manfred Krammer
In einer einzigen Kollision. Wir haben aber jetzt eine Milliarde Kollisionenpro Sekunde, rund um die Uhr, fast das ganze Jahr.Das heißt, die Detektoren, die Experimente müssen so aufgebaut sein,dass sie zum einen die Kollisionen auseinander dividieren können,messen können, was dabei entstanden ist, und dann vergleichen wir in der Analysemit dem, was wir erwarten.Wir vergleichen zum Beispiel die Verteilung gewisser Teilchen mit einem Modellohne Higgs und mit einem Modell mit Higgs.Und dann schauen wir, was besser passt.Detail ist natürlich komplizierter. Zum einen machen wir eine blinde Analyse,damit wir das Ergebnis nicht, wir wollen ein Higgs finden und dann drehen wirso lange an den Parametern der Analyse, bis wir das wirklich finden.Also diese Analyse, was ich gerade gesagt habe, die wird blind gemacht.Das heißt, der Bereich, den man untersucht, der wird nie gezeigt auf dem Platz.Man definiert die Analyse, das sind ganze Teams von hunderten Leuten, die daran arbeiten.Man definiert die Suche, man definiert die Simulation, die Vergleiche und wenn man dann sicher ist,dass alles passen muss, dann öffnet man sozusagen die Box und schaut nach,ob das, was man sieht, der Theorie mit Higgs oder ohne Higgs entspricht.Und dann sieht man, dann hat man vielleicht dann die Zuhörer ja damals diese Plots 2012 gesehen,Da sieht man eine Verteilung, die hat eine kontinuierliche Kurve und irgendwoplötzlich steht ein Peak heraus.Und da haben wir dann das X-Boson identifiziert.
Tim Pritlove
Das heißt man hat genug Experimente gefahren mit unterschiedlichen Energienund in diesem einen spezifischen Energiebereich waren dann die Explosionen der Art,dass sich eben der komplette Teilchenzoo dort entwickelt hat und in der Verteilung,was da, in welcher Reihenfolge und wie viel sich sozusagen herausgetan hat,entsprach der Vorhersage des Higgs-Feldes und des Higgs-Teilchens und das hatman so in diesen ganzen anderen Energiebereichen nicht gesehen.Was war nochmal kurz diese Energie genau? 125 GV. 125 Gigaelektronenvolt.
Manfred Krammer
Das entspricht der Masse von 125 Protonen.Ruhemasse von 125 Protonen.
Tim Pritlove
Klingt nicht viel, wenn das so rot und so rumliegt.Aber wie kann man sich das...
Manfred Krammer
Entspricht glaube ich nicht, weil das ein Xenonatom war.
Tim Pritlove
Ja aber wie kann man sich vorstellen, dass es sich dabei um viel Energie handelt,wenn die auch einfach so rumliegen können.
Manfred Krammer
Naja herumliegen, wie ich ja gesagt habe, das Higgs Boson entsteht und zerfällt sofort.
Tim Pritlove
Ja, aber nur diese Energie. Wie kriegt man ein Gefühl dafür,dass das viel Energie ist? Weil es ist ja viel Energie, wenn man es so groß nennt.
Manfred Krammer
Also zumindest meine persönliche Normierung ist die Energie,also die Masse eines Protons oder Neutrons, das ist ungefähr ein GeV.Das ist sozusagen meine Kalibrationseinheit.Alles was drüber ist, ist schwer, alles was darunter ist, ist leicht.
Tim Pritlove
Klingt aber nicht beeindruckend.
Manfred Krammer
Nein und ist auch nicht wissenschaftlich, um ehrlich zu sein.
Tim Pritlove
Okay, aber nehmen wir einfach mal hin. Es ist eine Menge Holz und das überhaupterstmal in einem Beschleunigerring zu erzeugen braucht eben all diese ganzeTechnologie und wir werden hier über den LHC in anderen Folgen noch sehr vieldetaillierter sprechen.So und dann entstand das,ich meine das ist ja jetzt nicht so, man schaut auf den Bildschirm und macht so pling,sondern wir haben es ja schon gesagt, über einen langen Zeitraum permanent wirdimmer wieder quasi dieses Experiment permanent durchgeführt oder es wird einfach die ganze Zeit,werden einfach Daten erfasst und dann zusammengesammelt, Über welchen Zeitraummusste man dann sozusagen schauen, um letzten Endes dieses Bild und auch dieGewissheit zu bekommen.Weil es ist ja nicht ein Ereignis, sondern es ist ja sozusagen ein Ereignis,was mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit auftrifft.
Manfred Krammer
Der Nachweis gelang relativ rasch. Mit den Daten von ungefähr einem Jahr hatte man die Gewissheit,dass die Abweichung von der Theorie ohne Higgs deutlich genug ist,dass man eindeutig sagen kann, da ist etwas Neues passiert.Das hat ungefähr die Eigenschaft eines Higgs-Posons und für die Entdeckung hat das ausgereicht.Aber jetzt, was wir seitdem machen, seit zehn Jahren, ist, genauer zu studieren dieses Teilchen.Und zwar auf der einen Seite die Reaktionen, die zur Erzeugung eines Higgs-Bosons führen.Darum gibt es eine ganze Reihe. Und dann auch die Zerfallsmechanismen.Das Higgs-Boson kann in alle bekannten Teilchen mit Masse zerfallen.Das ist ja sozusagen die Essenz des Higgs-Bosons, es koppelt an alle Teilchen mit Masse.Das heißt, in erster Linie zerfällt es in Teilchen mit großer Masse,dann mit geringer Statistik in kleinere und so weiter. Und das untersuchen wir jetzt.Und dazu brauchen wir viele dieser Experimente.Jede Kollision ist sozusagen ein Experiment, bei der eine dieser Reaktionen abläuft.In den seltensten Fällen entsteht ein Higgs-Boson. Es entstehen natürlich alleanderen Teilchen, wie ich schon gesagt habe.Man darf auch nicht glauben, dass wir am LHC nur das Higgs-Boson untersuchen.Die großen Experimente machen, wenn ich jetzt grob schätze, dürfte an die 100verschiedene Analysen gleichzeitig, wovon nur wenige das Higgs-Boson betreffen.Es gibt dann Analysen, um detailliert andere Teilchen des Standardmodells zuuntersuchen, wo erst jetzt die Energie zur Verfügung steht.Es gibt viele Suchen nach zusätzlichen neuen Teilchen oder Feldern.Also es ist eine riesen Bandbreite. Es arbeiten ja nicht umsonst mehrere tausendPhysiker pro Experiment.Und viele hunderte, auch mehrere tausende in Summe, an all den vier LHC-Experimenten.Studenten machen ihre Dissertation. Die arbeiten nicht alle an den Higgs-Boson.Aber natürlich, nachdem der LHC die einzige Maschine ist, die Higgs-Bosonenproduzieren kann, ist das natürlich ein Gebiet, das wir mit hoher Priorität untersuchen.
Tim Pritlove
2012 gab's Internet und ich erinnere mich noch relativ gut wie es so langsam anfing raus zu sickern,dass wohl irgendwie was passiert ist, also ich weiß gar nicht ganz genau,ich glaube es ist dann erstmal angekündigt worden, dass es eine Pressekonferenzgeben wird, da waren dann schon die Hände nass bei vielen und es sickerte haltdurch, weil es war ja auch klar wonach gesucht wurde.Und es ist auch klar, dass jetzt nicht für jede Minimalerkenntnis gleich einePresskonferenz aufgesetzt wird und insbesondere wenn dann so eine Geheimniskrebereiauch noch drumherum gemacht wird, was es denn ist, da waren dann schon alle irgendwie nervös.Und das war, und das ist jetzt so ein bisschen meine Außenperspektive,da hatte man wirklich so den Eindruck so, oh wow, okay, gut,jetzt kommt hier irgendwie das Zern und macht einen bold move.Also das war wirklich spürbar, dass das jetzt mal etwas ist,auch wenn das irgendwie so ein sonderbarer Moment war,dass man dann auf dieser Veranstaltung Wissenschaftler gesehen hat und dannwurde so eine, mehr oder weniger langweilig aussehende Kurve auf den Beamergeworfen und alle sind ausgeflippt, als hätten sie jetzt gerade irgendwie Fußball-Weltmeisterschaft zu feiern.
Manfred Krammer
Ja, und der Grund ist diese Blind Analysis, von der ich vorher gesprochen habe.Ein, zwei Wochen vorher wussten selbst wir nicht, dass wir wirklich schon beidieser Entdeckung sind.Weil es gab die beiden Experimente, Atlas und CMS, die mit unterschiedlichenExperimenten, unterschiedlichen Detektoren, unterschiedlicher Software,unterschiedlichen Personen ihre Daten analysieren.Damit ist sichergestellt, dass die Ergebnisse völlig unabhängig sind.Diese Gruppen reden auch nicht miteinander.Es gibt sogar Geschichten, dass Ehepaare, die eine arbeitete in Atlas,die andere in CMS, die sind heimlich aufs WC gegangen, um zu telefonieren mitihren Kollegen, als es um die Analyse ging.Und dann kommt es zu diesem Unplugging und dann sehen die Kollaborationen zumersten Mal, ob sie wirklich was gefunden haben und wie groß die Abweichung ist.Wir müssen ja auch sicherstellen, dass das eindeutig ist. Das peinlichste wäre,der CERN verkündet das X-Poson und ein Jahr später müssen wir sagen,es war doch nur eine statistische Fluktuation.Und da gibt es diese sogenannte 5-Sigma-Grenze in der Teilchenphysik,ab der man von einer Entdeckung spricht.Da ist dann mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit ausgeschlossen,dass das eine Wahrscheinlichkeit verteilt.Und das heißt, kurz vor der Pressekonferenz wussten erst die Kollaborationen,dass sie etwas haben, aber sie wussten nicht, ob sie beide das gleiche sehen.Das wusste nur ein paar Tage vorher der CERN-Generaldirektor.Der wurde von beiden Kollaborationen informiert und der sah,dass sich diese Entdeckungen entdeckten.Denn es hätte ja sein können, ATLAS findet etwas bei 100 GeV,CMS findet etwas bei 200 GeV und dann glaubt keiner was.Und in dieser Pressekonferenz, Also in dem Seminar, das der Pressekonferenzvorangegangen ist, haben zum ersten Mal die Spokesbörsen bei der Kollaborationihre Ergebnisse gezeigt.
Tim Pritlove
Sprühen wir nochmal ein paar Wochen zurück oder wie weit auch immer.Also die Experimente, ich meine, ich habe ja mein Verständnis so,LHC arbeitet jetzt sozusagen permanent Es gibt solche Kampagnen über einen längerenZeitraum bis dann mal wieder eine technische Pause durchgeführt wird.Also es gab ja einen Upgrade von dem großen Beschleunigerring,dem Large Hadron Collider im Vorfeld, ich weiß nicht wie viele Jahre vorherwar das, der letzte Ausbau, der sozusagen diese Energien ermöglicht hat?
Manfred Krammer
In der ersten Stufe war das eigentlich, sogar mit einer halben Energie ist derLHC zu dem Zeitpunkt gelaufen. Mh.Die echte Experimentierphase hat 2010 begonnen, sehr geringe Intensität,das war erst der Start und dann 2011, Beginn 2012 ist dann die Intensität immerhöher gesteigert worden und damit war dann genug Statistik da um ein paar hundertdieser Higgs Ereignisse herauszufiltern.
Tim Pritlove
Okay aber das läuft ja dann sozusagen Tag und Nacht und wird die ganze Zeitaufgezeichnet und die Daten werden abgespeichert und da fließt ja auch irgendwie,da werden sehr viele Festplatten gefüllt und man kann ja die Daten gar nichtin Echtzeit so analysieren nehm ich mal an,also das ist ja sozusagen etwas, da muss ja quasi parallel muss man die ganzeZeit auf diesen Daten arbeiten und man ist den Experimenten immer Wochen,vielleicht Monate hinterher, weiß ich nicht genau.Und sowohl bei dem einen Experiment als auch bei dem anderen,Atlas und CMS, wurde auf die selben Zahlen reingeschaut und das Ziel war schon,okay Higgs, also nicht nur aber eben auch und die Gruppen die sich darum gekümmert haben,haben halt einfach ihre Daten analysiert so und Gab's dann irgendwie so einenStichtag, wo du gesagt hast, okay, jetzt schauen wir uns mal alles an und wertendas aus und das haben dann beide Gruppen parallel gemacht und das wussten dieaber auch, dass sie das beide parallel machen.
Manfred Krammer
Ja solche Schnittpunkte ergeben sich automatisch zum Beispiel Ende des Jahres,wo der Beschleuniger dann für ein paar Monate abgedreht wird,dann nimmt man die Daten des letzten Jahres als Paket, analysiert das und zeigt dann die Ergebnisse.
Tim Pritlove
Okay, das heißt das war dann Ende 2011?
Manfred Krammer
In dem Fall war der Zeitpunkt, wo man den Schnitt gemacht hat,Anfang 2012. Also ich bin jetzt nicht sicher, Mai oder so. Bis zu dem Zeitpunkthat man die Daten genommen.Dann hat man parallel schon die ganze Analyse vorbereitet. Dann hat man nochein paar Wochen Zeit gehabt, um abzuschließen.Und dann rechtzeitig, das Timing wird vorgegeben durch die Konferenzen.Wir haben üblicherweise eine Serie von Sommerkonferenzen und Winterkonferenzen.Und da versuchen die Experimente ihre Ergebnisse, ihre neuen Ergebnisse zu zeigen.Und in diesem Fall 2012 war es eine internationale Konferenz in Melbourne,bei der das Ergebnis gezeigt werden sollte.
Tim Pritlove
Eine Sommerkonferenz.
Manfred Krammer
Eine Sommerkonferenz, genau.
Tim Pritlove
Wobei in Melbourne ist ja dann wieder Winter.
Manfred Krammer
Das war relativ kühl dort.Und am ersten Tag dieser Konferenz wurde sozusagen das Ergebnis verkündet.
Tim Pritlove
Ok, aber wie ist das dann sozusagen abgelaufen? Das heißt beide Gruppen habendann sozusagen auf ihre Daten geschaut und dann dürfte so beiden so ein bisschender Mund trocken geworden sein.Weil ich meine, hat man damit gerechnet, dass man dann schon am Ziel ist?Also war das sozusagen die Erwartungshaltung, jetzt haben wir eigentlich dieEnergie, jetzt muss es passen.Sowas kann man ja eigentlich gar nicht sicher, da kann man sich nicht sicher sein.
Manfred Krammer
Man konnte sich nicht sicher sein, weil es war ja nur eine Theorie.Es hätte gar nichts auch herauskommen können.Also man konnte sich nicht sicher sein. Es gab natürlich schon in der Analyse,vielleicht ein Jahr vorher, gab es Fluktuationen, aber Fluktuationen kommen und gehen.Also wo man in diesem Bereich was gesehen hat, aber eben nicht diese 5 Sigma, sondern nur 2, 3 Sigma.Das ist eine Wahrscheinlichkeit, die kann mit ein bisschen mehr Statistik wieder verschwinden.Also die Optimisten haben natürlich schon geglaubt, das kann was werden,aber eigentlich viele, ich persönlich war auch überrascht, dass man so raschzu diesem 5 Sigma Schwelle gekommen ist.
Tim Pritlove
Und zwar beide Experimente.
Manfred Krammer
Beide Experimente und sehr genau übereinstimmend.Also da war ein geringer Fehler zwischen den beiden Experimenten.
Tim Pritlove
Okay und jetzt nochmal diese Timeline bis zu der Veröffentlichung.Also zwei Wochen vorher waren dann sozusagen alle mit ihren Daten durch undhaben dann Kurve gesehen und jede Gruppe selber meinte, okay wir sehen das.Aber die beide wussten nichts voneinander.
Manfred Krammer
Beide wussten nicht was sie sehen und ob sie was gesehen haben und schon gar nicht wo.
Tim Pritlove
Ok und dann fand dieses Seminar statt, was dann eine Woche vorher vor der Veröffentlichung war?
Manfred Krammer
Nein, es war am Tag der Konferenz, am ersten Tag der Konferenz.Die Präsentation beider Experimente wurde von hier übertragen nach Melbourne.
Tim Pritlove
Und da haben dann überhaupt das erste Mal festgestellt, dass das so ist.
Manfred Krammer
Dass beide etwas sehen und es übereinstimmt und das war dann eigentlich wirklich…Aber das war dann auch noch nicht öffentlich.Gleich darauf gab's die Pressekonferenz, so weit ich mich erinnere,das ist auch mehr als 10 Jahre her.
Tim Pritlove
Ich meine es gab so ein bisschen Vorlauf.
Manfred Krammer
Ja, Gerüchte, Gerüchte, jeder Kollaboration bestand aus ca. 3000 Leuten.
Tim Pritlove
Da entstehen Gerüchte.Ich meinte ja schon, es sickerte halt was durch. Aber ok, jetzt verstehe ich das erst.Es war dann wirklich auf dieser Konferenz eine sehr sehr sehr frische finale Erkenntnis,die eigentlich erst einen Tag vorher so gewonnen wurde und die dann,ja, die dann jetzt wirklich aber auch mal international auch wirklich abgestrahlthat, also das war dann schon auch wirklich mal ein echter Eureka Moment.
Manfred Krammer
Gigantische Resonanz hervorgerufen, die uns Physiker alle überrascht und ichwürde fast sagen überfahren hat.
Tim Pritlove
Warum?
Manfred Krammer
Weil wir mit einem solchen Medieninteresse alle nicht gerechnet haben.Also ich kann mich erinnern, ich war damals im Institut für Ironie-Physik,habe Interviews gegeben und die Fernsehstationen und Radiostationen haben sicham Gang geprügelt um die Plätze.Und so ein Interesse als Teilchenphysiker hat man in seinem Leben sehr selten.
Tim Pritlove
Im Nachgang gab es dann eine gute Erklärung dafür, was das sozusagen bewirkt hat.Hatte das was mit dem CERN zu tun? Hatte das was mit dem Thema zu tun?Also was hat das sozusagen gemacht, dass das so eine Aufmerksamkeit erzeugthat? Weil das ist ja ein Prozess, der muss ja auch an so einem medialen Apparatsich erstmal aus irgendetwas heraus entwickeln, also was war die Grundlage für dieses Interesse?Ich meine man hätte ja auch sagen können, ja Wissenschaftler haben ja irgendwasrausgefunden, denen interessiert das schon.
Manfred Krammer
Sicher hat der CERN eine Rolle gespielt. Der Status des CERN,dann die Tatsache, dass der LHC doch eine sehr riesige Maschine ist,die von der Technologie her sehr aufregend ist, wo man auch sehr schöne Bilderzeigen kann, nicht nur von der Installation, aber auch diese Kollisionen, die bunten Bilder.
Tim Pritlove
Ich meine mich, jetzt fällt es mir gerade wieder ein, da gab es doch vorherso eine putzige Diskussion um das Erzeugen von schwarzen Löchern.
Manfred Krammer
Vorher im Betriebnahme des LHC gab es ja die Befürchtung und da gab es einige Esoteriker,die das bis zum Karlsruher Verwaltungsgerichtshof gebraucht haben,die Gefahr, dass der LHC schwarze Löcher erzeugen kann und dieses schwarze Loch die Erde verschlingt.Das hat sicher auch das Interesse.
Tim Pritlove
Und konnte es?
Manfred Krammer
Nein.
Tim Pritlove
Warum?
Manfred Krammer
Es gibt die Erklärung der Theoretiker. Da hätte ich auch meine Bedenken.Theoretiker haben sie auch schon geirrt.Aber ich gebe ihnen die Erklärung des Experimentalphysikers.Jede Sekunde finden viele LHCs in der Atmosphäre statt.Weil die Protonen, die aus der kosmischen Strahlen haben zum Teil eine vielhöhere Energie als der LHC jemals erzeugen kann.Würden solche Kollisionen schwarze Löcher erzeugen, gäbe es uns nicht mehr.
Tim Pritlove
Ende der Diskussion. Im Endeffekt wurde es mal gerichtlich festgestellt,dass es keine Gefahr gibt.Ja, aber das kann wirklich der Katalysator gewesen sein, da kann man in derEthik wirklich glücklicherweise sein.
Manfred Krammer
Unglücklicherweise kam es ja nach der ersten Inbetriebnahme des LHCs zu einem Unfall.Es ist ja eine superleitende Leitung, hat einen Fehler entwickelt und dadurchist der LHC beschädigt worden 2008.Das hat bereits ein großes Medieninteresse hervorgerufen.Riesenmaschine, viel Geld und ist nach zwei Wochen schon kaputt.
Tim Pritlove
Ja, stimmt.
Manfred Krammer
Das hat sicher auch das Interesse und vielleicht hat das in Summe alles zusammenzu einer Steigerung geführtes Dannen.Am 4. Juli 2012 zu dieser Medien Explosion geführt hat.
Tim Pritlove
Das kann ich mir gut vorstellen, man ist ja auch immer so ein Thema in der Wissenschaft,wie kriegt man denn eigentlich auch so die Begeisterung für das Thema mit.Ich merk das ja so ein bisschen als Beobachter von außen,der ich jetzt viel mit Wissenschaftlern aller Couleur spreche,insbesondere halt in der Raumfahrt und wenn man erstmal so spürt wie viel Begeisterungfür das Thema dort einfach ist, wie besessen eigentlich alle davon sind,weil in dem Moment wo man sich das halt wirklich mal genauer anschaut auch klarwird, was das Faszinosum ausmacht.Verständnis des Weltalls, der unglaublichen Weite, die Komplexität in unsererEntstehungsgeschichte und des Seins,dass das ja sozusagen, dass dieser Arbeit ja der Schlüssel zu dieser Erkenntnisist und dass diese Erkenntnis an sich irgendwie einfach eine große Bedeutung hat,weil das ja im Prinzip auch so ein bisschen, sagen wir mal der Plump gesagt,so ein bisschen Sinn und Erläuterung des Lebens und des Seins ist.Andere Leute suchen die Erleuchtung, indem sie meditierend im Wald sitzen undandere versuchen es halt irgendwie Erkenntnisse über Experimente und Theorienzu finden und das ist ja sozusagen das was begeistert,aber nach außen, nachdem eben die erste Hälfte des 20.Jahrhunderts irgendwie diese Begeisterung auch überall hatte, Ichkann mich noch erinnern, wenn man sich so, Reden von Politikern,was hab ich da mal gesehen, Mitterrand, auch so in der Zeit noch, wie, mit wieviel...Anerkennung und Bewunderung wie für diesen wissenschaftlichen Fortschritt auchin der öffentlichen politischen Diskussion mit der Öffentlichkeit gearbeitet wurde.Das hat dann halt einfach später stark nachgelassen und interessante Geschichtenzu erzählen ist heute so ein bisschen glaube ich der Weg und das hier warenes in gewisser Hinsicht so die Unfälle,so dieses irgendwie ja schwarzes Loch die Erde wird verschlungen hö hö hö Sohat sich halt einfach gut gemacht und Unfälle kommen ja sowieso immer gut und ich glaube,dass Europa generell auch immer so eine gewisse Kommunikationsschwäche hat,man sieht das ja auch bei der ESA, die im Vergleich zu den Geschichtenerzählernder NASA, die das einfach immer schön dramatisieren können.Ich sag nur so sieben Minuten des Terrors bei einer Marslandung und so weiter.Einfach ein hervorragendes Framing einer wissenschaftlichen Geschichte.Insofern hat das dazu beigetragen. Aber ich denke, dass jetzt schon das CERNeinfach auch so einen gewissen Kultstatus dadurch jetzt auch erreicht hat undda war dann diese Higgs Geschichte irgendwie, passt da dann irgendwie auf einmal alles zusammen.So die Suche nach der Erkenntnis, 50 Jahre Wahnzündung glaube ich,seit der Theorie oder so, bis man das dann auch wirklich gefunden hat,das ist natürlich dann auch so ein schöner Rundenschluss gewesen.
Manfred Krammer
Dann die unglückliche Bezeichnung Gottesteilchen zu Wirks,natürlich für einen Physiker ein Albtraum ist diese Bezeichnung,aber praktisch in jeder Zeitung, in jedem Medium vorgekommen ist,das hat natürlich dem auch noch einen Auftritt gegeben.
Tim Pritlove
Aber das ist vielleicht ganz gut, greifen wir das doch nochmal auf, Gotteszeichen.Was da im Prinzip so ein bisschen dahinter steht ist, dass sozusagen das Higgs-Bosonund das Higgs-Feld und der Nachweis dessen im Prinzip auch so ein bisschen denSchluss um das Standardmodell der Elementarteilchen dargestellt hat.
Manfred Krammer
Den Schlussstein oder den Beginn von neuen Erkenntnissen,denn das Higgs-Feld und das Higgs-Teilchen ist nicht ein beliebiges weiteres Teilchen oder Feld,von dem wir sehr viele kennen, sondern das Higgs-Feld und Teilchen hat ganzspezielle Eigenschaften, nämlich fast keine.Es hat keine Ladung, keine Richtung. Es ist das einfachste Objekt,das man sich vorstellen kann.Es ist nur ein Feld, das das ganze Universum durchdringt.
Tim Pritlove
Aber das tun ja alle Felder.
Manfred Krammer
Aber mit Richtungen. Mit Richtungen, wie zum Beispiel elektromagnetische Felder,die haben alle Meereigenschaften, Meereparameter.
Tim Pritlove
Das X-Feld hat… Das ist einfach nur da.
Manfred Krammer
Ja, auch das Higgs-Boson, es hat nur Masse. Es hat keine Spiene,es hat keine Ladung. Also es ist das einfachste Teilchen, das man sich vorstellen kann.Weiß jetzt noch nicht, welche Rolle das Higgs-Feld und das Higgs-Teilchen noch spielen kann.Es kann so auch ein, wir nennen es ein Portal, ein Zugang zu der dunklen Materie zum Beispiel sein.Wenn das Higgs auch an die dunkle Materie koppelt, dann kann das unser Zugangsein, um die dunkle Materie zu verstehen.Das Higgs-Feld oder ein Feld mit ähnlichen Eigenschaften wie das Higgs-Feldkann zum Beispiel auch für die Inflation des Universums verantwortlich sein.Das haben wir auch noch nicht verstanden.Warum hat sich kurz nach dem Urknall das Universum inflationär erweitert?Da ist vermutlich auch ein Feld dahinter und das könnte unter Umständen einigeTheoretiker sagen, das ist das Higgs-Feld selbst, das könnte ein ähnliches Feld sein.Also das Higgs-Feld, so sehr es das Standardmodell abgeschlossen hat,kann es auch der Türöffner für neue Erkenntnisse sein.Und deswegen ist es unser Hauptziel jetzt so viel wie möglich über das Higgs herauszufinden.Und vielleicht können wir da jetzt einen kurzen Ausblick wagen,wie kann es am CERN weitergehen.
Tim Pritlove
Genau, darauf würde ich jetzt auch gerne kommen, weil das ist dunkle Materie,dunkle Energie, das hatten wir hier bei Raumzeit natürlich schon sehr sehr oft.Das sind einfach zwei von ein paar ganz elementaren Fragen der Physik,wo man irgendwie weiß, wir beobachten etwas, das nennen wir so,deswegen heißt es ja dunkel, nicht weil irgendwas wirklich dunkel ist,sondern weil man es einfach nicht weiß.So das verhält sich irgendwie wie Materie, man kann quasi die Schwerkraft beider Beobachtung des Weltalls feststellen,aber man kann sie nicht auf die normale klassische baryonische Materie,die uns sonst überall umgibt und von der wir wissen, dass sie eben diese Schwerkrafterzeugt, wir sehen diese Materie nicht.Also entweder gibt es irgendeine andere Materie, deswegen auch dieser Arbeitstiteldunkle Materie oder eben was auch immer anderes, was dann eben eine entsprechendeWirkung hat und vielleicht zu der Schwerkraft dazu kommt oder so oder die irgendwie verstärkt.Und die dunkle Energie, genauso dunkel und unklar,die halt in irgendeiner Form das Universum ja nicht nur zu dieser initialenExpansion getrieben hat, sondern ja auch immer noch weiter dazu beiträgt,dass es sich weiter beschleunigt.Also wir wissen mittlerweile, dass die Beschleunigung noch weiterhin zunimmt,zumindest derzeit noch.Und irgendwann unser Universum so auseinander zerrt, bis wir dann irgendwannkeine Sterne mehr sehen. Dann sind wir zwar nicht mehr hier,aber theoretisch steht das sozusagen auch noch auf der Liste.Das sind zwei Themen, die hier sicherlich auch mit eine Rolle spielen.Und was sind die nächsten großen Ziele noch darüber hinaus?
Manfred Krammer
Aus den Gründen, die ich gerade gesagt habe, dass das Higgs so interessant ist,sind wir uns, und wenn ich uns sage, dann denke ich schon, die Experimentalphysikerund die Theoretiker einig, dass wir eine Maschine brauchen, mit der wir dasHiggs besonders genau untersuchen können.Und mit dem LHC haben wir einen Beschleuniger, der Higgs-Teilchen erzeugen kann,aber er erzeugt sie in einem sehr schmutzigen Umfeld. Wir schießen ja Protonenauf Protonen, die bestehen aus Quarks und Gluonen.Das heißt, bei den Kollisionen selbst ist die Energie der Kollision nicht bestimmt.Das ist der Nachteil und gleichzeitig der große Vorteil eines Hadronbeschleunigers,weil es finden alle Experimente beim ganzen Energiespektrum gleichzeitig statt.Und die Bruchteile des Protons fliegen weiter. Also es ist eine sehr schwierige Umgebung.Hingegen hätte man einen Elektron-Positron-Kollider, wie der Vorgänger des LHC war,nur bei höheren Energien, dann kann man die Elektron-Positronen,das punktförmige Teilchen, Sie erinnern sich, so die Energie so einstellen,dass Higgs-Bosonen mit viel höherer Wahrscheinlichkeit erzeugt werden und auchbei genau definierten Energien in einer sehr klaren Experimentierumgebung Undmit einer solchen Maschine,wir nennen diese Maschine, an der wir derzeit planen und eine Machbarkeitsstudie machen,den FCCEE, Future Circular Collider Elektron,damit könnten wir Higgs-Boson extrem genau untersuchen und vielleicht Hinweiseauf die eine oder andere Frage, die ich vorher aufgeworfen habe,oder die Sie jetzt aufgeworfen haben, finden.
Tim Pritlove
Das ist dann sozusagen das, was nach dem LHC kommen könnte.
Manfred Krammer
Das könnte nach dem LHC kommen. In der Planung,in der Machbarkeitsstudie, die wir derzeit machen,würde das einen neuen Ring bedeuten, mit knapp über 90 Kilometer Umfang,in dem wir eine solche Elektron-Positron, also wir würden Elektronen auf Positronen schießen,als Higgs-Factory, das wäre eine Higgs-Factory, Und in dem gleichen Tunnel könnteman dann, 15 Jahre später, einen noch größeren Hadron Collider einbauen,der dann zu viel höher in Energien kom