Der Large Hadron Collider (LHC) am Forschungszentrum CERN bei Genf ist der größte und leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger weltweit. In seinem 27-Kilometer-Ring bei Genf kollidieren Protonen oder Schwerionen mit fast Lichtgeschwindigkeit und gut 13 Teraelektronenvolt Energie. Seit seinem Betriebsbeginn im Jahr 2008 gehört der Beschleuniger zu den wichtigsten wissenschaftlichen Werkzeugen weltweit.
Dem LHC verdankt die Physik bahnbrechende Entdeckungen wie den ersten Nachweis des Higgs-Bosons am 4. Juli 2012, aber auch einzigartige Einblicke in die Struktur der Materie, exotische Teilchen und die Grundkräfte der Physik. „Der LHC hat alle Erwartungen übertroffen. Er hat unser Verständnis des Universums transformiert und Generationen von Forschenden, Ingenieuren und Laien rund um die Welt inspiriert“, sagt Oliver Brüning, der technische Direktor des CERN.
Mehr Kollisionen und Daten
Doch jetzt hat das CERN seine „Entdeckungsmaschine“ im Untergrund heruntergefahren – der LHC wird in seiner jetzigen Form nie mehr starten. Denn mit dem sogenannten „Long Shutdown 3“ (LS3) wird der Teilchenbeschleuniger deutlich ausgebaut und nachgerüstet. Wenn der Large Hadron Collider im Jahr 2030 wieder in Betrieb geht, wird er zum High Luminosity LHC (HiLumi LHC) aufgerüstet sein. „Wir nehmen heute Abschied vom LHC in seiner uns bekannten Form und bereiten uns darauf vor, seinen Nachfolger willkommen zu heißen“, sagt Brüning.
Dieser Beschleuniger-Abschnitt ist ein Prototyp für den HiLumi LHC. — © CERN/ Florence Elizabeth Thompson
Die HiLumi-Ausbaustufe des LHC wird die Luminosität des Teilchenbeschleunigers um das Zehnfache erhöhen. Das bedeutet, dass der LHC und seine Detektoren dann zehnmal mehr Kollisionen pro Flächen- und Zeiteinheit erzeugen und aufzeichnen können als in seiner ursprünglichen Form. Gemessen wird diese Datenmenge in der Einheit inverses Femtobarn (fb-1). Ein fb-1 entspricht 70 bis 100 Billionen Kollisionen. „Der HiLumi-LHC wird beispielsweise rund 380 Millionen Higgs-Bosonen in seiner Laufzeit erzeugen, in der gesamten bisherigen Betriebszeit waren es rund 55 Millionen“, erklärt das CERN.
Die größere Zahl von Kollisionen kombiniert mit einer höheren Sensitivität der Detektoren soll es ermöglichen, auch bisher nicht erfasste Phänomene, Kräfte oder Teilchen aufzuspüren. Auch die Eigenschaften des Higgs-Bosons oder mögliche Symmetriebrüche zwischen Materie und Antimaterie können die Physiker dadurch genauer untersuchen.
Neue Magnete, Leitungen und Detektoren
Um dieses Ziel zu erreichen, werden Techniker und Ingenieure die umfangreichsten je gemachten Umbauten am Beschleuniger vornehmen. „Allein im LHC werden auf einer Strecke von 1,2 Kilometern Magnete entfernt und durch neue Bauteile ersetzt“, erklärt Jean-Philippe Tock, Leiter des LS3-Koordinationsteams. Die neuen Magnete sollen den Teilchenstrahl im Beschleunigerring noch stärker fokussieren. Um sie mit Strom zu versorgen, werden hundert Meter neuer, supraleitender Kabel verlegt, die bis zu 100.000 Ampere Strom leiten können.
Auch die Detektoren ATLAS und CMS erhalten ein fast komplett neues Innenleben. Ihre Tunnel werden erweitert, um Platz für zusätzliche Fokussierungs-Komponenten, hochauflösendere Detektorbauteile und Abschirmungen zu schaffen. Die dem LHC vorgeschalteten vier Vorbeschleuniger wurden schon im Verlauf der letzten Jahre nachgerüstet und verbessert. Sie speisen dann dichtere und energiereichere Teilchenstrahlen in den HiLumi-LHC ein.
“Der Long Shutdown 3 repräsentiert ein enormes und komplexes Unterfangen – sowohl logistisch als auch technisch“, sagt Tock. Auf dem gesamten Komplex des CERN und des LHC werden Anlagen auseinander genommen, nachgerüstet und wieder zusammengebaut. Ab September 2028 soll dann der High Luminosity LHC schrittweise wieder angefahren und getestet werden, bevor ab 2030 der wissenschaftliche Betrieb beginnt.
Quelle: CERN
