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

einer Art von dichtem Gestein, das als Molasse bezeichnet wird, aber unter den Fluss- und Meeresablagerungen liegen Kies, Sand und Löss, die Grundwasser enthalten, und das wäre kein guter Ort für einen Tunnel. Durch die geneigte Fläche befindet sich der Tunnel im günstigen Gestein. Es bedeutete auch, dass ein Abschnitt des Tunnels am Fuße des schönen Juragebirges, das am Rand des CERN liegt, etwas weniger tief sein durfte, so dass der Transport von Dingen durch senkrechte Schächte an dieser Stelle etwas leichter (und billiger) war.
    Die letzten beschleunigenden elektrischen Felder in diesem Tunnel sind nicht genau kreisförmig angeordnet. Der LHC besitzt acht große Bögen, die sich mit acht 700 Meter langen geraden Abschnitten abwechseln. Jeder dieser acht Sektoren kann unabhängig von den anderen aufgeheizt und abgekühlt werden, was für Reparaturen und die Messtechnik wichtig ist. Nachdem sie in den Tunnel eingetreten sind, werden die Protonen in jedem der kurzen geraden Abschnitte durch Radiowellen beschleunigt, und zwar auf sehr ähnliche Weise wie in den vorangehenden Beschleunigungsstadien, die sie auf die Injektionsenergie brachten. Die Beschleunigung findet in Radio-Frequenz-(RF)-Hohlraumresonatoren statt, die ein 400 MHz-Radiosignal beinhalten, was dieselbe Frequenz ist, die Sie benutzen, wenn Sie Ihre Autotür mit einer Fernbedienung aufschließen. Wenn dieses Feld eine Anzahl von Protonen beschleunigt, die in einen solchen Resonator eintreten, wird die Energie der Protonen nur um ein 485 Milliardstel TeV erhöht. Das klingt zwar nicht nach besonders viel, aber die Protonen umkreisen den LHC-Ring elftausendmal pro Sekunde. Daher dauert es nur 20 Minuten, um den Protonenstrahl von seiner Injektionsenergie von 450 GeV auf seine Zielenergie von 7 TeV zu beschleunigen, was etwa fünfzehnmal höher ist. Einige Protonen gehen bei den Kollisionen oder Streuungen verloren, aber die meisten dieser Protonen zirkulieren weiterhin einen halben Tag lang, bevor der Strahl aufgebraucht ist, in die Erde geleitet und durch frische, neu eingeschossene Protonen ersetzt werden muss.
    Die Protonen, die im LHC-Ring zirkulieren, sind absichtlich nicht gleichförmig verteilt. Sie werden in Paketen um den Ring geschickt – 2808 an der Zahl –, von denen jedes 115 Milliarden Protonen enthält. Jedes Paket ist am Anfang 10 cm lang und einen Millimeter breit und ist vom nächsten Paket durch einen Abstand von etwa 10 Metern getrennt. Das begünstigt die Beschleunigung, da jedes Paket getrennt beschleunigt wird. Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, dass eine derartige Bündelung der Protonen garantiert, dass die Protonenpakete in Intervallen von mindestens 25–75 Nanosekunden wechselwirken, was einen ausreichenden zeitlichen Abstand darstellt, damit jede Kollision eines Pakets separat aufgezeichnet werden kann. Da ein Paket viel weniger Protonen enthält als ein ganzer Strahl, lässt sich die Anzahl von gleichzeitigen Kollisionen viel besser kontrollieren, weil es die Pakete sind, die jeweils zu einem Zeitpunkt kollidieren, und nicht die Gesamtmenge der Protonen.
    Kryo-Dipol-Magneten
    Die Beschleunigung der Protonen auf eine hohe Energie ist tatsächlich eine beeindruckende Leistung. Aber die wirkliche technische Meisterleistung beim Bau des LHC bestand in der Konzeption und Herstellung der Hochfeld-Dipolmagneten, die notwendig sind, um die Protonen um den Ring kreisen zu lassen. Ohne die Dipole würden die Protonen sich auf einer geraden Linie bewegen. Wenn man energiereiche Protonen in einem Ring zirkulieren lassen will, braucht man ein gewaltiges Magnetfeld.
    Aufgrund der bestehenden Tunnelgröße bestand das größte Hindernis für die technische Ingenieurskunst, mit dem die LHC-Ingenieure zu kämpfen hatten, in der Herstellung möglichst starker Magneten in einem industriellen Maßstab – d.h., dass sie in großen Stückzahlen produziert werden konnten. Das starke Feld ist erforderlich, um Hochenergie-Protonen innerhalb des Tunnels, den der LEP hinterlassen hatte, auf Kurs zu halten. Wenn energiereichere Protonen nicht aufhören sollen, umherzukreisen, sind entweder stärkere Magneten oder ein größerer Tunnel erforderlich, damit die Protonenbahnen eine ausreichende Krümmung haben, um auf der Bahn zu bleiben. Beim LHC war die Tunnelgröße vorgegeben, so dass die anvisierte Zielenergie durch das maximal erreichbare Magnetfeld bestimmt wurde.
    Wenn der amerikanische Superconducting Supercollider