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

auf – der Teilchenbeschleuniger, der bislang mit der höchsten Energie betrieben wurde –, sondern erzeugt Ereignisse auch fünfzigmal schneller. Der LHC muss im Wesentlichen Bilder von Ereignissen mit extrem hoher Auflösung bewältigen, die mit einer Häufigkeit von bis zu etwa einer Milliarde Zusammenstöße pro Sekunde stattfinden. Das »Bild« jedes Ereignisses enthält ungefähr ein Megabyte an Information.
    Das wären für jedes Rechensystem bei weitem zu viele zu verarbeitende Daten. Daher entscheiden Auslösesysteme jeweils ad hoc, welche Daten behalten und welche verworfen werden sollen. Die weitaus häufigsten Zusammenstöße sind ganz gewöhnliche Wechselwirkungen zwischen Protonen über die starke Kraft. Niemand interessiert sich für den größten Teil dieser Kollisionen, die bekannte physikalische Prozesse, aber nichts Neues darstellen.
    Die Kollisionen von Protonen entsprechen in gewisser Hinsicht der Kollision zweier Bohnensäcke. Da Bohnensäcke weich sind, hängen sie schlaff herunter und tun während der Kollision überhaupt nichts Interessantes. Aber gelegentlich treffen bei der Kollision der Bohnensäcke einzelne Bohnen mit großer Kraft aufeinander – möglicherweise so stark, dass einzelne Bohnen zusammenstoßen und die Säcke platzen. In diesem Fall werden einzelne Bohnen heftig davonfliegen, weil sie hart sind und mit einer stärker lokalisierten Energie aufeinanderprallen, während die übrigen Bohnen in derjenigen Richtung weiterfliegen werden, in die sie schon von Anfang an flogen.
    Wenn Protonen im Strahl kollidieren, stoßen die einzelnen Untereinheiten ebenso zusammen und erzeugen ein interessantes Ereignis, während sich die übrigen Bestandteile des Protons in derselben Richtung die Strahlenröhre entlang fortbewegen.
    Im Unterschied zu Kollisionen zwischen Bohnen, bei denen die Bohnen einfach zusammenstoßen und die Richtung ändern, prallen bei der Kollision von Protonen ihre inneren Bestandteile – Quarks, Antiquarks und Gluonen – aufeinander, und dabei können sich die ursprünglichen Teilchen in Energie oder andere Arten von Materie verwandeln. Und während bei niedrigeren Energien Kollisionen in erster Linie die drei Quarks betreffen, die für die Protonenladung verantwortlich sind, erzeugen bei höheren Energien virtuelle Wirkungen aufgrund der Quantenmechanik einen bedeutenden Gluonen- und Antiquarkanteil, wie wir in Kapitel 6 gesehen haben. Die interessanten Kollisionen sind diejenigen, bei denen irgendwelche dieser Teilkomponenten der Protonen aufeinandertreffen.
    Wenn Protonen eine hohe Energie besitzen, dann auch die Quarks, Antiquarks und Gluonen in ihrem Innern. Dennoch macht diese Energie niemals die gesamte Energie des Protons aus. Im Allgemeinen ist sie nur ein Bruchteil der Gesamtenergie. Deshalb kollidieren häufiger Quarks und Gluonen mit einem zu kleinen Bruchteil der Energie des Protons, um schwere Teilchen zu erzeugen. Möglicherweise aufgrund der kleineren Wechselwirkungsstärke oder der schwereren Masse, die man bei neuen Teilchen erwartet, finden interessante Kollisionen, an denen bislang unbekannte Teilchen oder Kräfte beteiligt sind, viel weniger häufig statt als die »langweiligen« Kollisionen des Standardmodells.
    Wie bei den Bohnensäcken sind daher die meisten Kollisionen uninteressant. Es handelt sich entweder um Protonen, die aneinander vorbeifliegen, oder um Protonen, die kollidieren und Ereignisse erzeugen, die vom Standardmodell beschrieben werden und von denen wir schon wissen, dass es sie geben sollte, weshalb wir nicht viel von ihnen lernen. Andererseits weisen uns die Vorhersagen darauf hin, dass der LHC etwa ein Milliardstel Mal so häufig ein neues aufregendes Teilchen wie z.B. das Higgs-Boson erzeugen könnte.
    Das Fazit ist, dass nur in einem kleinen, aber glücklichen Bruchteil der Zeit die guten Dinge erzeugt werden. Deshalb brauchen wir überhaupt so viele Kollisionen. Die meisten Ereignisse sind nichts Neues. Aber ein paar seltene Ereignisse könnten sehr besonders und informativ sein.
    Es ist die Aufgabe der Trigger  – der Hard- und Software, die potentiell interessante Ereignisse identifizieren soll –, diese aufzuspüren. Eine Möglichkeit, die gewaltige Größe dieser Aufgabe zu verstehen (sobald man verschiedene mögliche Kanäle berücksichtigt hat), besteht darin, sich vorzustellen, man hätte eine Kamera mit 150 Megapixeln (die Datenmenge, die jedes vorbeifliegende Bündel erzeugt), die Bilder mit einer