Tief innerhalb der französisch-schweizerischen Grenze ist das größte wissenschaftliche Instrument der Welt verstummt. Nachdem der Large Hadron Collider (LHC) des Cern jahrelang Protonenteilchen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit zerschmettert hatte, stellte er den Betrieb ein und trat in eine lange Zeit der Inaktivität ein.
Obwohl es am LHC nicht zu Teilchenkollisionen kommt, zerlegen Tausende von Wissenschaftlern, Ingenieuren und Technikern Teile der Maschine, installieren neue Technologien und bereiten eine der ehrgeizigsten Modernisierungen vor, die jemals in der Experimentalphysik versucht wurde.
Wenn er etwa im Jahr 2030 wieder eingeschaltet wird, wird er zum High Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC), der etwa siebenmal mehr Daten liefern kann als der Collider, der das Higgs-Boson entdeckt hat.
Für mich stellt dieser Abschluss einen weiteren Meilenstein in einem Projekt dar, das einen Großteil meines wissenschaftlichen Lebens geprägt hat. Ich habe mich zum ersten Mal mit dem High-Luminosity-Collider beschäftigt, lange bevor das Higgs-Boson-Teilchen im Jahr 2012 entdeckt wurde. Fast zwei Jahrzehnte lang hatte ich das Privileg, auf beiden Seiten des Atlantiks zum Programm beizutragen.
In den Vereinigten Staaten arbeitete ich als Upgrade-Koordinator für das Compact Muon Solenoid (CMS), ein Schlüsselexperiment am LHC. Das CMS wird an einem der Punkte des Large Hadron Collider gebaut, an dem einzelne Strahlen von Protonenteilchen kollidieren. CMS erfasst dann Daten dieser Kollisionen, damit sie von Cern-Physikern analysiert werden können. Ich half dabei, die internationalen Bemühungen zur Vorbereitung von CMS auf die HL-Collider-Ära zu leiten.
Heute arbeite ich in Oxford an einem weiteren LHC-Experiment namens Atlas. Atlas und CMS funktionieren sehr ähnlich, aber zwei Maschinen wie diese tragen dazu bei, dass wichtige Entdeckungen aus einem Experiment von einer Gegenpartei mit einem separaten Team von Wissenschaftlern überprüft werden. Hier bauen meine Kollegen und ich Silizium-Pixeldetektormodule für ihren aktualisierten internen Tracker. Dies wird ein wesentlicher Bestandteil des HL-LHC-Upgrades sein.
Daniela Bortoletto mit dem High Luminosity LHC Silizium-Tracker. Daniela Bortoletto
Vor ein paar Monaten sah ich den ersten kompletten Pixelring, der in Oxford zusammengebaut wurde. Es war auffallend schön: eine filigrane Anordnung von Siliziumsensoren, Elektronik und Stützstrukturen, deren Eleganz jahrelange akribische Ingenieurskunst widerspiegelte.
Zum ersten Mal war der Detektor, den wir uns in unzähligen Designüberprüfungen, Prototypen und Produktionsbesprechungen vorgestellt hatten, Wirklichkeit geworden.
Unser Beitrag ist nur ein Teil eines Detektors, den Teams auf der ganzen Welt bauen. Tausende Komponenten müssen zusammenkommen, bevor der High Luminosity Collider bereit ist, neue Grenzen der Teilchenphysik zu erkunden.
Der LHC hat unser Verständnis der Natur bereits verändert. Seine Entdeckung des Higgs-Bosons bestätigte den Mechanismus, der Elementarteilchen Masse verleiht. Das Higgs war das letzte fehlende Teil im Standardmodell der Teilchenphysik. Dies ist die beste Theorie zur Erklärung von Elementarteilchen und den drei Grundkräften, die ihre Wechselwirkungen bestimmen. Aber wie so oft in der Wissenschaft führte die Beantwortung einer Frage zu vielen weiteren Fragen.
Untersuchung des Higgs
Bei vielen der größten Fragen geht es heute nicht mehr darum, ob das Higgs existiert, sondern darum, ob es sich genau wie vorhergesagt verhält. Kleine Abweichungen vom Standardmodell könnten auf völlig neue Teilchen oder Kräfte hinweisen. Solche Entdeckungen würden uns helfen, Geheimnisse wie die dunkle Materie zu verstehen oder herauszufinden, warum das Universum viel mehr Materie als Antimaterie enthält.
Die Herausforderung besteht darin, dass diese Hinweise unglaublich subtil sind. Statt viel höherer Kollisionsenergien erfordern sie viel mehr Kollisionen. Der HL-LHC wird die Leuchtkraft des Colliders (die Anzahl der Protonenkollisionen, die er erzeugt) im Laufe seiner Lebensdauer um etwa den Faktor sieben erhöhen.
Mit dem Atlas-Experiment soll das detaillierte Verhalten des Higgs-Bosons untersucht werden. Steven Goldfarb/Cern
Stellen Sie sich vor, Sie würden eine Kamera, die jede Sekunde ein Foto aufnimmt, durch eine ersetzen, die sieben Fotos aufnimmt. Jedes Bild sieht sehr ähnlich aus, aber zusammen zeigen sie Details, die sonst unsichtbar bleiben würden.
Für die Higgs-Physik werden diese zusätzlichen Daten transformativ sein. Das Higgs-Boson ist bemerkenswert schwer zu fassen. Einige seiner interessantesten Zerfälle (bei denen es sich in andere Teilchen umwandelt) sind so selten, dass sie für den aktuellen LHC unerreichbar bleiben. Andere sind erst vor kurzem als verlockende Hinweise aufgetaucht.
Ein Beispiel ist der Zerfall des Higgs-Bosons in zwei Myonen (ein Myon ist ein instabiles subatomares Teilchen). Dieser Zerfall ist ein seltener Prozess, der testet, ob das Higgs an Leptonteilchen der zweiten Generation koppelt. Ein weiterer Grund ist der Zerfall des Higgs in Charm-Quark-Teilchen. Dies ist eine der schwierigsten Higgs-Messungen, da sie aus einem überwältigenden Hintergrund gewöhnlicher Teilchenkollisionen extrahiert werden muss.
Eine Visualisierung des Higgs-Boson-Teilchens, das im Atlas-Experiment in zwei Myonen zerfällt. Atlas/Cern
Diese Prozesse testen eine der grundlegendsten Eigenschaften des Higgs-Bosons: ob es genau so mit leichteren Teilchen wechselwirkt, wie es das Standardmodell vorhersagt. Jede noch so kleine Abweichung von diesen Vorhersagen könnte ein Beweis dafür sein, dass hinter den Kulissen neue Teilchen oder Kräfte das Higgs-System beeinflussen.
Und das vielleicht ehrgeizigste Ziel von allen ist die Beobachtung von Higgs-Bosonenpaaren, die es uns zum ersten Mal ermöglichen würden, die Higgs-Selbstkopplung zu messen: die Stärke, mit der das Higgs-Feld mit sich selbst interagiert. Diese Wechselwirkung bestimmt die Form des Higgs-Feldes, das den gesamten Weltraum ausfüllt und vermutlich kurz nach dem Urknall eine Schlüsselrolle in der Entwicklung des Universums gespielt hat.
Dies sind genau die Arten von Messungen, die den Entwurf des aktualisierten LHC motiviert haben. Um sie zu erreichen, bedarf es einer Revolution nicht nur des Beschleunigers selbst, sondern auch der Detektoren, die Kollisionen registrieren.
Partikelnetzwerk
Am High Luminosity LHC wird jede Protonenstrahlkreuzung bis zu 200 gleichzeitige Proton-Proton-Wechselwirkungen hervorrufen, ein Vielfaches mehr als heute. Um dieses dichte Teilchennetzwerk zu entwirren, sind Detektoren erforderlich, die schneller, genauer und viel resistenter gegen Strahlung sind als alles, was bisher gebaut wurde.
Im Zentrum der Atlas- und CMS-Experimente ersetzen völlig neue Silizium-Tracking-Detektoren bestehende. Sie müssen Strahlungsniveaus überstehen, die frühere Generationen von Sensoren schnell zerstören würden, und gleichzeitig Partikelflugbahnen mit außerordentlicher Präzision messen. Um dies zu erreichen, waren jahrelange Fortschritte in der Siliziumsensortechnologie, ultraschnellen Elektronik, Kühlsystemen und leichten mechanischen Strukturen erforderlich.
Eines der innovativsten Merkmale der verbesserten Detektoren ist die zusätzliche Präzisions-Timing-Funktion. Die neuen Timing-Detektoren (der hochgranulare Timing-Detektor von Atlas und ein ähnliches System von CMS) werden die Ankunftszeit von Partikeln mit einer Genauigkeit von nur wenigen zehn Milliardstel Sekunden messen. Obwohl Hunderte von Kollisionen fast gleichzeitig stattfinden, passieren sie nicht genau zum gleichen Zeitpunkt.
Durch die Hinzufügung der Zeit als vierte Dimension zur Teilchenverfolgung werden diese Detektoren es den Physikern ermöglichen, jedes Teilchen der richtigen Kollision zuzuordnen, wodurch es möglich wird, seltene Higgs-Ereignisse zu rekonstruieren, die vor einem riesigen Hintergrund überlappender Wechselwirkungen verborgen sind.
Eine der größten Belohnungen bei der Arbeit an diesen Detektoren besteht darin, dass sich die nächste Generation von Physikern auf deren Verwendung vorbereitet. Die Studenten, die beim Zusammenbau heutiger Detektoren helfen, werden einen Großteil ihrer Karriere damit verbringen, die Daten zu analysieren, die sie schließlich sammeln.
Wenn der HL-LHC in Betrieb geht, wird er nicht nur das Wissenschaftsprogramm des Large Hadron Collider erweitern. Es wird eine neue Ära der präzisen Higgs-Physik einläuten. Ob es subtile Risse im Standardmodell aufdeckt oder unser aktuelles Verständnis mit beispielloser Präzision bestätigt, es wird die Teilchenphysik für die kommenden Jahrzehnte prägen.