Warten auf die Higgs, mit dem Mann, der den LHC gebaut hat - Die Wissenschaften - 2020

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Anonim

Sie nennen es "die Maschine".

Tausende Physiker, die am LHC arbeiten, suchen nach dem Higgs-Boson und andere neue Teilchen, und viele von ihnen haben dazu beigetragen, die gigantischen Detektoren zu bauen, die heutzutage den größten Teil der Medien in den Blickpunkt rücken.

Aber 100 Meter unter der französisch-schweizerischen Grenze zu summen, ist der Apparat, der alles möglich macht. Die „Maschine“ ist der Kollider selbst: der Teilchenbeschleuniger, der den Detektoren Protonenschwärme zuführt, die sie durch intensive Magnetfelder leiten, sie mit Energie pumpen und schließlich an einem Wechselwirkungspunkt, der die Breite von a ist, ineinander zertrümmern Haar. Der Bau von Teilchenbeschleunigern ist eine völlig andere Aufgabe als der Bau von Teilchendetektoren oder die Suche nach neuen Teilchen. Die Spezialisten, die das tun, heißen Beschleunigerphysiker.

Teilchenphysiker leben in einer Quantenwelt - der Prozesse, die Teilchen zerstören und neue schaffen und die den fundamentalen Kräften zugrunde liegen - und davon träumen, die neuen Naturgesetze des 21. Jahrhunderts zu entdecken.

Beschleunigerphysiker arbeiten in relativer Unbekanntheit, mit Werkzeugen wie Radiofrequenzwellen und riesigen Tesla-Spulen, und stützen sich meist auf eine über hundertjährige Physik - den klassischen Elektromagnetismus - mit einer guten Dosis spezieller Relativitätstheorie.

Während wir alle hier in Genf auf das morgige Update des Higgs-Bosons warten, traf ich mich mit Lyn Evans, die kürzlich nach vier Jahrzehnten als Beschleunigerphysiker am CERN in den Ruhestand ging. In diesen Jahren beteiligte er sich an der Gründung des LHC und beaufsichtigte ab 1994 dessen Entwurf und Bau.

Evans hat mich heute morgen im CERN-Besucherzentrum abgeholt. Wir gingen durch ein Labyrinth miteinander verbundener Flure, bis wir zu seinem Auto stiegen. Eine kurze Fahrt brachte uns zu einem anderen Gebäude zum äußeren Rand dieser Zitadelle der Wissenschaft.

Dort saßen wir und plauderten in seinem Büro. Wie jeder andere Experte, mit dem ich gesprochen habe, sagt Evans, dass die Ankündigung von morgen nur einen Schritt in Richtung der Higgs sein wird, nicht die endgültige Antwort. "Es ist für jeden offensichtlich, dass wir noch nicht genügend Daten haben", sagt er.

Um jedoch schneller Daten zu erhalten, sind die Teilchenphysiker auf die Maschine angewiesen - und bis jetzt hat die Maschine geliefert. In diesem Jahr konnten die Beschleunigerphysiker von CERN die Intensität der Strahlen schneller als erwartet erhöhen und fünfmal so viele Kollisionen erzeugen, als die Teilchenphysiker hofften. „Ich denke, alle sind erstaunt - auch ich ein bisschen“, wie sich die Maschine bisher entwickelt hat.

Es war nicht immer so. Erst vor drei Jahren lag die Maschine nach einem schweren Unfall verkrüppelt. Es geschah im Sektor 34 des LHC-Rings. Am 19. September 2008, knapp über eine Woche nach dem Start des LHC, wurde ein Kabel hergestellt, das zwei der 15 Meter langen 35-Tonnen-Magneten des LHC zusammenschmolz und einen elektrischen Lichtbogen erzeugte. Plötzlich verdampfte das flüssige Helium, das Magneten bei ihrer supraleitenden Temperatur von 1,9 Kelvin hält.Ventile, die dazu bestimmt waren, das entstehende Gas freizusetzen, konnten dies nicht schnell genug, und es kam zu einer Schockwelle - so gewalttätig, dass 53 Magneten schwer beschädigt wurden.

"Es war wirklich schwer, sich von diesem zu erheben", sagt Evans. Damals, so erinnert er sich, war er in der Personalabteilung und erhielt einen Anruf aus dem Kontrollraum des Beschleunigers. Er ging schnell hinunter, um den Schaden zu untersuchen. Er trug ein Atemschutzgerät, da sich der Tunnel mit Heliumgas gefüllt hatte. Evans sagt, es sei nicht überraschend, dass eine elektrische Verbindung ausfallen könnte. "Es war der Kollateralschaden, der unerwartet war."

Der LHC kühlt Helium auf niedrige Temperaturen ab, um die Magnete supraleitend zu machen, damit sie mehr Strom führen und stärkere Felder erzeugen können. Aber bei 1,9 Kelvin erklärt Evans - das Helium ist kälter als beim Tevatron, dem Vorläufer des LHC im Fermilab in der Nähe von Chicago. Insbesondere liegt es unter einer kritischen Temperatur, bei der es zu einem Superfluid wird.

Supefluidität ist ein exotischer Zustand der Materie, der die Viskosität drastisch senkt. Dadurch kann die Flüssigkeit das poröse Material, aus dem der Magnet besteht, durchtränken und eventuelle Streuwärme effizienter ableiten. (Superfluides Helium leitet die Wärme auch 10.000 Mal besser als alle anderen Materialien, sagt Evans.)

(Zufälligerweise sind sowohl die Supraleitung der Magnete als auch die Superfluidität des Heliums Quanteneffekte, so dass es nicht mehr ganz richtig ist, dass Teilchenbeschleuniger vollständig auf der klassischen Physik basieren.)

Während Teilchenphysiker bereiten sich auf große Entdeckungen vorDie Maschinenexperten von CERN freuen sich schon jetzt auf das anstehende Upgrade. Infolge des Unfalls von Sektor 34 hat das CERN beschlossen, einen ersten Lauf mit der Hälfte der Energie durchzuführen. Im Jahr 2013 wird das Gaspedal jedoch ein Jahr lang vollständig heruntergefahren.

Zuerst wird das CERN-Team das flüssige Helium abpumpen. Ein Teil davon wird verflüssigt und gelagert, aber das CERN verfügt nicht über ausreichend Lagerraum für seine gesamten 150 Tonnen. Es wird also etwa die Hälfte davon auf dem Markt verkauft. Dann zirkulieren sie Heliumgas in der Maschine, um alle 50.000 Tonnen langsam auf Raumtemperatur zu bringen, ein Vorgang, der Wochen dauern wird. "Es gibt Einschränkungen in Bezug auf die Geschwindigkeit, mit der Sie das erreichen können", sagt Evans: Weniger als milde Temperaturgradienten können die Dinge leicht auflösen.

Während des Herunterfahrens bringt CERN den LHC auf seine Designspezifikationen, und dann beginnt der langwierige Abkühlungsprozess, sodass das Gaspedal neu gestartet werden kann. Es ist wieder einmal die Aufgabe der Maschinenleute, all dies zu erreichen.

Meine vorherigen Artikel zu den Higgs:

  • Wo ist mein Higgs? LHC-Physiker Joe Lykken spricht - 8. Dezember

  • Wurden die Higgs entdeckt? Physiker bereiten sich auf die Ankündigung der Wasserscheide vor - 8. Dezember
  • Verlockende Hinweise von Elus

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