Die Vermessung des Universums: Wie die Physik von morgen den letzten Geheimnissen auf der Spur ist (German Edition)

während Quadrupolmagnete sie so fokussieren, dass sich die Protonen aus den beiden Strahlen treffen und miteinander in einem Gebiet wechselwirken, das einen Durchmesser von weniger als 30 Mikrometern hat. Die Punkte im Zentrum jedes Detektors, wo die Zusammenstöße zwischen Protonen stattfinden, werden Wechselwirkungspunkte genannt.
    Konzentrisch um jeden dieser Wechselwirkungspunkte herum sind Experimente angeordnet, um die vielen Teilchen, die durch die häufigen Protonenkollisionen erzeugt werden, zu absorbieren und aufzuzeichnen (siehe die Grafik des CMS-Detektors in Abbildung 33). Die Detektoren sind zylinderförmig, weil die Zusammenstöße dazu neigen, in beiden Richtungen eine starke Vorwärtsbewegung zu zeigen, obwohl sich die Protonenstrahlen mit derselben Geschwindigkeit in entgegengesetzte Richtungen bewegen. Da einzelne Protonen viel kleiner als die Größe des Strahls sind, stoßen die meisten Protonen überhaupt nicht miteinander zusammen, sondern bewegen sich im Strahlrohr mit nur geringer Ablenkung weiter entlang. Nur das seltene Ereignis, bei dem einzelne Protonen frontal zusammenstoßen, ist von Interesse.

Abb. 33: Computergraphik des CMS, aufgeschnitten zur Ansicht einzelner Detektorkomponenten (mit Genehmigung des CERN und CMS).
    Das bedeutet, dass die potentiell interessanten Ereignisse einen Schauer von Teilchen enthalten, die sich sehr stark transversal zum Strahl bewegen, obwohl die meisten Teilchen weiterhin entlang der Richtung des Strahls laufen. Die zylindrischen Detektoren sind so konstruiert, dass sie so viele dieser Wechselwirkungsprodukte wie möglich erfassen, und berücksichtigen die große Verteilung von Teilchen, die sich in Richtung des Strahls bewegen. Der CMS-Detektor sitzt unterirdisch an einem Punkt der Protonenkollisionen bei Cessy in Frankreich, in der Nähe der Genfer Grenze, während der Wechselwirkungsbereich des ATLAS-Experiments sich unter der Schweizer Stadt Meyrin befindet, ganz in der Nähe des Hauptkomplexes des CERN (siehe die Simulation von Teilchen, die aus einer Kollision hervorgehen und sich durch einen Querschnitt des ATLAS-Detektors bewegen, in Abbildung 34).
    Die Teilchen des Standardmodells sind durch ihre Masse, ihren Spin und die Kräfte charakterisiert, durch die sie wechselwirken. Unabhängig davon, was letztlich erzeugt wird, beruhen beide Experimente auf der Detektierung dieser Produkte anhand bekannter Kräfte und Wechselwirkungen des Standardmodells. Das ist alles, was möglich ist. Teilchen ohne solche Ladungen würden den Wechselwirkungsbereich spurlos verlassen.
    Aber wenn Wechselwirkungen des Standardmodells durch Experimente gemessen werden, können diese bestimmen, was durchgeströmt ist. Zu diesem Zweck sind also die Detektoren konstruiert. Sowohl CMS als auch ATLAS messen die Energie und den Impuls von Photonen, Elektronen, Myonen, Tau-Teilchen und stark wechselwirkenden Teilchen, die in Strahlen von paralell ausgerichteten Teilchen zusammengefasst sind, welche sich in dieselbe Richtung bewegen. Detektoren, die sich an das Gebiet der Kollision der Protonen anschließen, sind so konstruiert, dass sie die Energie oder die Ladung messen, um die Teilchen zu identifizieren, und enthalten eine hoch entwickelte Computerhardware, –software und –elektronik, um mit der überwältigenden Fülle von Daten fertigzuwerden. Experimentalphysiker identifizieren geladene Teilchen, da sie mit anderer geladener Materie wechselwirken, von der wir schon wissen, wie wir sie finden. Sie finden auch alles, was mit der starken Kraft wechselwirkt.
    Die Detektorkomponenten beruhen alle letztlich auf Drähten und Elektronen, die durch Wechselwirkungen mit dem Material im Detektor erzeugt werden, um aufzuzeichnen, was hindurchging. Manchmal gibt es geladene Teilchenschauer, weil viele Elektronen und Photonen erzeugt werden, und manchmal wird das Material einfach ionisiert, wobei die Ladungen aufgezeichnet werden. So oder so registrieren die Drähte das Signal und schicken es weiter, damit es von den Physikern an ihren Computern verarbeitet und analysiert werden kann.

Abb. 34: Simulation eines Ereignisses im ATLAS-Detektor, die den sich transversal bewegenden Teilchenschauer durch die Detektorschichten hindurch zeigt. (Man beachte, dass der Mensch einen Eindruck des Maßstabs vermittelt, aber es gibt keine Kollision, wenn sich Menschen in der Kaverne aufhalten.) Die charakteristischen Ringmagneten sind deutlich zu sehen (mit Genehmigung des CERN und