Riesiger Detektor sucht nach winzigen Teilchen

Er ist 21 Meter lang und wiegt 12.500 Tonnen: der Compact-Muon-Solenoid (CMS)-Detektor des europäischen Labors für Elementarteilchenphysik CERN. Im Teilchenbeschleuniger LHC (Large Hadron Collider) soll er die Zusammensetzung der Materie untersuchen und dabei erstmals auch winzige Higgs-Teilchen nachweisen, die von Forschern für die Masse aller Materieteilchen verantwortlich gemacht werden. Physiker der RWTH Aachen haben jetzt die 214. und letzte so genannte Superlage für den CMS-Detektor zusammengebaut.

Aus jeweils drei Superlagen, die jeweils vier Lagen mit insgesamt 200 Detektorzellen enthalten, werden wiederum Myonkammern. Diese Myonkammern – mit den Abmessungen 2,5 x 1,5 x 0,3 Meter – werden in den Magneten des neuen Detektors eingefügt. Die Kammern, mit vielen feinen Messdrähten versehen und mit Gas gefüllt, ermöglichen die exakte Aufzeichnung des Wegs eines Myons, eines kleinsten Materieteilchens, durch den Detektor. Denn der CMS-Detektor ist so konstruiert, dass nur Myonen in die Myonkammern eindringen und sie durchdringen können.

Die Myonkammern wurden seit 2001 alle in der Werkstatt des Instituts von Technikern und Physikern gefertigt. Höchste Präzision war dabei gefragt, denn der Teilchendurchgang muss auf Bruchteile von Millimetern genau bestimmt werden. Um dies zu erreichen, mussten die Physiker spezielle Werkzeuge und Messapparaturen anfertigen. Es entstand eine Detektoroberfläche von insgesamt 4.000 Quadratmetern. Alle Elemente des CMS-Detektors wurden seit Anfang der 1990er Jahre gemeinsam mit Instituten der Universitäten Padua, Turin und Madrid geplant. Weitere Bausteine werden dort gefertigt. Andere Detektorelemente für den CMS-Detektor werden in benachbarten Aachener Instituten entwickelt und hergestellt.

Einsatz von CMS für 2007 geplant

Bei einer Länge von 21 Metern und einem Durchmesser von 15 Metern wiegt der künftige CMS-Detektor unglaubliche 12.500 Tonnen. Er wird 2007 in dem im Bau befindlichen 27 Kilometer langen Teilchenbeschleuniger LHC (Large Hadron Collider) 90 Meter unter der Erde seine Suche nach neuen Teilchen aufnehmen, die sofort in Myonen zerfallen. Die Teilchen entstehen in dieser gewaltigen, ringförmigen Röhre, wenn man zwei Protonenwolken auf eine Energie von je sieben mal 1.012 Elektronenvolt beschleunigt und dann zur Kollision bringt. Damit ist der LHC der Beschleuniger mit der höchsten Energie weltweit.

Myonen werden nicht nur am CERN produziert, sondern sind auch Teil der natürlichen kosmischen Strahlung, die in der Erdatmosphäre entsteht und durch sie hindurchdringt. Von den Myonen kommen rund 100 pro Quadratmeter und Sekunde auf der Erdoberfläche an. Diese kann man in Aachen benutzen, die Myonkammern zu testen, lange bevor der LHC-Beschleuniger in Betrieb gehen wird.

Suche nach Higgs-Teilchen

Ziel des spannenden Abenteuers ist, einen großen Unbekannten der Physik zu entschlüsseln. Nach dem physikalischen Standardmodell der Zusammensetzung der Materie ist dies das Higgs-Teilchen. Man geht davon aus, dass es verantwortlich ist für die Masse aller Materieteilchen. Seine Existenz konnte im Experiment bisher nicht nachgewiesen werden. Aber da die Theorie besagt, dass ein Higgs-Teilchen in vier Myonen zerfällt, kann man mit dem CMS-Detektor bei einer Aufzeichnung von vier Myonen zur exakt gleichen Zeit dem Higgs-Teilchen endlich auf die Spur kommen.

Die Aachener Physiker um Institutsleiter Professor Thomas Hebbeker und die Projektleiter Hans Reithler und Kerstin Hoepfner hoffen, dass es im Jahr rund 100 Mal zu diesem Ereignis kommen wird. Die Existenz der Higgs-Teilchen wäre dann zweifelsfrei erwiesen. Daneben hoffen die Aachener auch, die ebenfalls bisher nur in der Theorie vorkommenden supersymmetrischen Teilchen zu finden, die für die dunkle Materie im Weltall verantwortlich sein könnten.

Nun werden die in Aachen gefertigten Superlagen auf ihre Funktion geprüft. Barthel Philipps, Betriebsleiter Mechanik des Instituts, ist sehr zuversichtlich, dass alle Myonenkammern voll funktionstüchtig und unbeschadet im CERN bei Genf ankommen werden. Die Aachener Physiker hoffen, schon bald nach Inbetriebnahme von Beschleuniger und Detektor das erste Aufspüren eines Higgs-Teilchens feiern zu können.

(idw – Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 16.06.2005 – DLO)