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

Detektoren erreichen. In einiger Hinsicht ähneln sie dem inneren Detektor mit seinen Trackern und Magnetfeldern, die die Myonenspuren krümmen, so dass ihre Wege und Impulse gemessen werden können. In den Myonenkammern ist das Magnetfeld jedoch anders, und die Dicke des Detektors ist viel größer, was Messungen kleinerer Krümmungen und daher Teilchen mit größerem Impuls erlaubt (Teilchen mit großem Impuls werden in einem Magnetfeld weniger abgelenkt). Beim CMS erstrecken sich die Myonenkammern von etwa drei Metern bis zum äußeren Radius des Detektors bei etwa 7,5 Metern, während sie beim ATLAS von vier Metern bis zu den Außenbereichen dieses Detektors bei elf Metern reichen. Diese riesigen Strukturen gestatten Messungen von 50 Mikrometer breiten Spuren.
    Endkappen
    Die letzten zu beschreibenden Detektorelemente sind die Endkappen, die Detektoren am vorderen und hinteren Ende der Versuchsaufbauten (siehe Abbildung 39, um einen Eindruck von der Gesamtstruktur zu bekommen). Wir bewegen uns jetzt nicht mehr vom Strahl radial nach außen – die Myonendetektoren waren der letzte Schritt in diese Richtung –, sondern entlang der Achse der zylinderförmigen Detektoren auf die beiden Enden zu, die sie abschließen. Die zylinderförmigen Teile der Detektoren tragen »Kappen« in Form von Detektoren, die die Endbereiche abdecken und sicherstellen, dass so viele Teilchen wie möglich registriert werden. Da die Endkappen die letzten Komponenten des Detektors waren, die in ihre endgültige Lage gebracht wurden, konnte ich ohne weiteres die mehrfachen Schichten sehen, die in den Detektoren sitzen, als ich 2009 zu Besuch war.

Abb. 39: Computergraphik von ATLAS, sie seine vielen Schichten und die voneinander getrennten Endkappen zeigt (mit Genehmigung des CERN und ATLAS).
    Die Detektoren werden an diesen Endbereichen platziert, um sicherzustellen, dass die LHC-Experimente die Impulse aller Teilchen messen. Das Ziel besteht darin, die Experimentieranlagen hermetisch zu machen, was bedeutet, dass alle Richtungen lückenlos und umfassend abgedeckt sind. Hermetische Messungen garantieren, dass auch nichtwechselwirkende oder schwach wechselwirkende Teilchen entdeckt werden können. Wenn ein »fehlender« Transversalimpuls beobachtet wird, müssen eines oder mehrere Teilchen mit keinen direkt feststellbaren Wechselwirkungen erzeugt worden sein. Solche Teilchen haben einen Impuls, und der Impuls, den sie wegtragen, weist die Experimentalphysiker auf ihre Existenz hin.
    Wenn man weiß, dass der Detektor den ganzen Querimpuls misst, und der Impuls, der rechtwinklig zum Strahl ausgerichtet ist, nach dem Zusammenstoß nicht erhalten zu bleiben scheint, dann muss etwas unerkannt verschwunden sein und den Impuls weggetragen haben. Wie wir gesehen haben, messen Detektoren im rechten Winkel zum Strahl sehr genau. Die Kalorimeter in den vorderen und hinteren Regionen gewährleisten Hermetizität, indem sie sicherstellen, dass nur sehr wenig Energie oder Impuls im rechten Winkel zum Strahl unbemerkt entkommen kann.
    Die CMS-Anlage besitzt Stahl-Absorber und Quartzfasern in den Endbereichen, die die Teilchenspuren besser voneinander trennen, weil sie dichter gepackt sind. Das Messing in den Endkappen ist Recycling-Material – es wurde ursprünglich in russischen Artilleriegranaten verwendet. Die ATLAS-Anlage verwendet im vorderen Teil Kalorimeter mit flüssigem Argon, um nicht nur Elektronen und Photonen, sondern auch Hadronen zu entdecken.
    Magneten
    Die übrigen Teile beider Detektoren, die noch genauer geschildert werden müssen, sind die Magnete, von denen die beiden Experimente ihre Namen ableiten. Ein Magnet ist zwar kein Detektorelement, insofern er keine Eigenschaften von Teilchen registriert. Aber Magnete sind für die Entdeckung von Teilchen wesentlich, weil sie Impuls und Ladung zu bestimmen helfen, Eigenschaften, die entscheidend für die Identifikation und Charakterisierung von Teilchenspuren sind. Teilchen werden in Magnetfeldern abgelenkt, so dass ihre Spuren gekrümmt und nicht gerade aussehen. Wie stark und in welche Richtung sie abgelenkt werden, hängt von ihren Energien und Ladungen ab.
    Der gewaltige Soleonidmagnet des CMS, der aus gekühlten supraleitenden Niob-Titan-Spulen besteht, ist 12,5 Meter lang und hat einen Durchmesser von sechs Metern. Dieser Magnet ist das charakteristische Merkmal des Detektors und der größte Magnet dieser Art, der je hergestellt wurde. Der Magnet besitzt Drahtspulen, die einen