Large Hadron Collider

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Der Large Hadron Collider (engl. für Großer Hadronenbeschleuniger; Abkürzung: LHC) ist ein Teilchenbeschleuniger, der zurzeit am Europäischen Kenrforschungszentrum CERN bei Genf gebaut wird. Mit der Fertigstellung wird im Mai 2008 gerechnet. Die Kosten des LHC werden sich auf über drei Milliarden Euro belaufen.

Der LHC wird der leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger der Welt sein und – so hoffen Physiker – ein neues Tor der Physik öffnen.

Am 5. April 2007 erreichte der Sektor 7-8 des LHC seine vorgesehene Betriebstemperatur von -271 Grad Celsius, das ist rund ein Grad kälter als im Weltall. Das drei Kilometer lange Teilstück hielt der Belastung stand, die Röhre schrumpfte beim Abkühlen allerdings um ganze 10 Meter.^[1]

Aufbau

Der LHC ist ein Ringbeschleuniger und ist in einem bereits durch vorhergehende Experimente bestehenden Tunnel installiert. Dieser Tunnel mit 27 km Umfang beherbergte bis zu seiner Stillegung im Jahr 2000 den Large Electron-Positron Collider (LEP).

Im Unterschied zum LEP, an dem Elektronen und Antielektronen (Positronen) zur Kollision gebracht wurden, werden am LHC je nach Betriebsmodus entweder Protonen oder Bleiionen beschleunigt und zur Kollision gebracht. Dabei werden Schwerpunktsenergieen von 14 TeV/c² (Protonmodus) und 1146 TeV/c² (Bleikerne) angestebt. Für den Protonmodus ist eine Luminosität im Bereich $10^{34}{\text{ cm}}^{-2}{\text{s}}^{-1}$ vorgesehen. Neben der gegenüber älteren Experimenten höheren Schwerpunktsenergie, die die Erforschung neuer Energiebereicht ermöglicht, ist auch die hohe Luminosität, die prinzipiell eine bessere Statistik in kürzerer Zeit ermöglicht, ein herausragendes Merkmal des LHC.

Entlang der Ringstrecke sind Kammern verteilt, in denen die Teilchen zur Kollision gebracht werden. In diesen Kammern sind die Teilchendetektoren ALICE, ATLAS, CMS, LHCb, LHCf und TOTEM untergebracht, an denen die teilchenphysikalischen Messungen durchgeführt werden. Die im Diagramm nicht eigezeichneten Detektoren LHCf und TOTEM befinden sich in den Kammern der vergleichsweise grösseren Experimente ATLAS bzw. CMS.

Die Verwendung von Protonen in den Kollisionen ist für die angeschlossenen Experimente eine Herausforderung, da die aufgezeichneten Wechselwirkungen durch die innere Struktur (aus Quarks und Gluonen) der hadronischen Protonen vielfältiger sind. Insbesondere sind Präzissionsmessungen an Hadronbeschleunigern schwierig. Für Präzissionsmessungen an möglicherweise am LHC entdeckten neuen Teilchen ist bereits ein Nachfolgeexperiment, der Leptonenbeschleuniger International Linear Collider (ILC) geplant.

Physik am LHC

Feynmandiagramm der Vektorbosonfusion, einem prominenten Prozess zur Erzeugung von Higgs-Bosonen.

ATLAS und CMS sind so genannte Mehrzweck-Experimente, deren Ziel es ist, die Existenz bislang nicht entdeckter Elementarteilchen nachzuweisen. Am meisten erwartet wird dabei der experimentelle Nachweis des Higgs-Bosons, dem einzigen noch nicht nachgewiesenen Teilchen des Standardmodells. Darüberhinaus existiert die Hoffnung, Hinweise auf mögliche Erweiterungen des Standardmodells zu finden, beispielsweise durch Nachweis von supersymmetrischer Teilchen oder bislang unbekannter Raumdimensionen.

Beim LHCb-Experiment werden Bottom-Quarks enthaltende Hadronen untersucht um Elemente der CKM-Matrix genauer zu bestimmen (B-Physik).