Der grösste Teilchenbeschleuniger der Welt

Warum gibt es so viele fundamentale Teilchen, wenn die gewöhnliche Materie nur aus einigen wenigen besteht? Warum gibt es im Universum mehr Materie als Antimaterie? Woraus besteht Dunkle Materie? Warum ist die Schwerkraft so schwach? Gibt es noch andere Elementarteilchen, die darauf warten, entdeckt zu werden? Selbst nachdem mit dem Higgs-Boson kürzlich das letzte vorhergesagte Elementarteilchen beobachtet wurde, bleiben viele Fragen offen. Eine der wichtigsten Einrichtungen, die nach Antworten sucht, ist das CERN.

Das CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) ist eine Forschungsorganisation in der Nähe von Genf, die teilweise in Frankreich und teilweise in der Schweiz liegt. Sie betreibt den Large Hadron Collider (LHC), den in Bezug auf Energie leistungsstärksten Teilchenbeschleuniger der Welt. In seinem unterirdischen Ringtunnel werden zwei hochenergetische Teilchenstrahlen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt, bevor sie an vier verschiedenen Kreuzungspunkten, die den Positionen von vier Experimenten entsprechen, zur Kollision gebracht werden. An zwei dieser Experimente sind Forschungsgruppen der Universität Zürich beteiligt: CMS (Compact Muon Solenoid) und LHCb (Large Hadron Collider beauty).

Im Large Hadron Collider werden geladene Teilchen – meistens Protonen – mit Hilfe von Hochfrequenzkavitäten auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und mit supraleitenden Magneten auf kreisförmigen Bahnen gehalten. An vier Stellen werden diese Teilchen zur Kollision gebracht. Wie beim Urknall am Anfang des Universums entstehen bei den Kollisionen vorübergehend instabile Teilchen, die über starke, elektroschwache und potenziell unbekannte Kräfte in leichtere Teilchen zerfallen. Diese Teilchen können Signale im CMS-Detektor hinterlassen, wodurch die Energie und die Bahnen der Teilchen gemessen werden können. Die Forschenden analysieren diese Signale und identifizieren so die Teilchen, die ursprünglich in den Kollisionen erzeugt wurden.

Mehr über den CMS-Detektor:

Wie ein Teilchenstrahl kontrolliert werden kann:

Die nächste Generation des CMS-Detektors:

Im Jahr 2012 entdeckten die CMS- und die ATLAS-Kollaborationen das Higgs-Boson, das letzte vom Standardmodell der Elementarteilchenphysik vorhergesagte Teilchen. Seine Existenz beschäftigt die in den 1960er Jahren entwickelte Theorie, die erklärt, wie Teilchen Masse erwerben. Trotz der erstaunlichen Vorhersagekraft des Standardmodells weist es bemerkenswerte Unzulänglichkeiten auf. So erklärt es beispielsweise nicht die Dunkle Materie, das Ungleichgewicht von Materie und Antimaterie, die relative Stärke der Kräfte oder die Existenz schwerer Kopien von Materieteilchen, von denen nur eines – das Top-Quark – stark mit dem Higgs-Boson interagiert. Das CMS-Experiment wurde gebaut, um nach neuen Teilchen und Wechselwirkungen zu suchen, die zur Klärung dieser Frage beitragen, und um die Theorie des Standardmodells mit einer noch nie dagewesenen Präzision zu testen.

Die folgenden Bilder zeigen verschiedene vom CMS- Detektor aufgezeichnete Ereignisse. Sie sind Kandida- ten für Ereignisse, bei denen Higgs-Bosonen, Top- Quarks oder hypothetische neue Teilchen erzeugt werden. Diese Teilchen haben eine extrem kurze Lebensdauer und lassen sich nur indirekt über ihre Zerfallsteilchen nachweisen.

Forschungsgruppen der Universität Zürich sind an verschiedenen Detektoren am CERN beteiligt: Am CMS-Detektor forschen Florencia Canelli, Lea Caminada und Ben Kilminster, am LHCb-Detektor Nicola Serra und Olaf Steinkamp. Parallel dazu schlagen die UZH-Forschenden auch neue Experimente vor, die über den Zeitrahmen des LHC hinausgehen.

LANGE FORSCHUNG FÜR EINEN KURZEN MOMENT:
EIN EXPERIMENT SCHREIBT GESCHICHTE
Am CMS-Experiment wurde 2012 das Higgs-Boson nachgewiesen. Die im Beschleuniger erzeugten Higgs-Bosonen existierten für gerade einmal 0,00000000000000000000016 Sekunden,
also 1.6 x 10^-22 Sekunden.

Der LHC wurde mit einem langfristigen Plan für Grundlagenforschung entworfen. CMS wird noch mindestens zwei Jahrzehnte weiter messen und sich im Laufe der Zeit stetig weiterentwickeln. Neue Subdetektoren werden entworfen und hergestellt. Forschungsgruppen der Universität Zürich entwickeln eine zentrale Komponente des nächsten Silizium-Spurdetektors, der es dem CMS ermöglichen wird, Teilchen zu messen und nach Teilchen zu suchen, die näher an den LHC-Strahlen erzeugt werden. Dieser Silizium-Spurdetektor wird dann in der nächsten Phase des CMS-Experiments installiert und von 2027 bis 2040 Daten aufzeichnen.

Derzeit laufen am CERN Studien für einen neuen Teilchenbeschleuniger, dessen Ringtunnel dreimal länger als der des LHC ist. Dieser neue Beschleuniger würde Präzisionsmessungen des Higgs-Bosons und Tests für Modelle, die über die bekannte Physik hinausgehen, ermöglichen.

Die UZH-Physikerin Florencia Canelli und der UZH-Physiker Ben Kilminster entwickeln und und bauen Schlüsselkomponenten des inneren Spurdetektors für das CMS-Experiment. Ihre Forschung konzentriert sich auf den Nachweis neuer Teilchen und Wechselwirkungen, die einige der offenen fundamentalen Fragen der Physik beantworten könnten.

Prof. Florencia Canelli
Experimentelle Teilchenphysikerin

Herkunft: Argentinien,
seit 2012 an der UZH

Videoportrait von Prof. Florencia Canelli:

Prof. Ben Kilminster
Experimentelle Teilchenphysiker

Herkunft: USA und GB,
seit 2012 an der UZH

Videoportrait von Prof. Ben Kilminster:

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