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Kollisionen mit unerreichter Energie dank Technologie aus dem Paul Scherrer Institut aufgezeichnet

03.03.2010 - (idw) Paul Scherrer Institut (PSI)

Am CERN konnten erstmals Kollisionen von Teilchen mit der höchsten Energie, die Menschen je erzeugt haben, vermessen werden. Sie wurden vom CMS-Experiment am CERN aufgezeichnet, zu dem das Paul Scherrer Institut PSI eine der Schlüsselkomponenten, den zentralen Pixeldetektor, beigesteuert hat. Unerwartet schnell führten diese Daten nun zur ersten wissenschaftlichen Veröffentlichung - Ergebnis der Zusammenarbeit von 3000 Forschenden und Ingenieuren aus fast 40 Ländern an diesem gigantischen Experiment. Über ein Jahr stand der neue Ringbeschleuniger am CERN wegen einer schweren Panne still. Seit Ende November 2009 läuft er wieder. So gut, dass zum ersten Mal millionenfach Protonen aus zwei Strahlen miteinander zur Kollision gebracht werden konnten. Bei jedem Frontalzusammenstoss zwischen zwei Protonen entstehen neue Elementarteilchen, die explosionsartig auseinander schiessen. Der am Paul Scherrer Institut PSI entwickelte Pixeldetektor befindet sich nur wenige Zentimeter entfernt vom Ort des Zusammenstosses und zeichnet von diesem Logenplatz die Flugrichtung der Teilchen auf. Die innerste der drei Lagen des Pixeldetektors, die den Strahl mit den kollidierenden Protonen wie die Schichten einer grossen Matrjoschka umschliessen, sitzt nur 4 cm vom Ort der Protonenkollisionen entfernt. Sie muss hochpräzise arbeiten, da sie dreidimensionale Bilder der Flugbahnen der Teilchen liefert. Schon in wenigen Stunden konnten die Forschenden der beteiligten Institute genug Daten sammeln, um eine erste teilchenphysikalische Messung zu machen. Sie bestätige die Vorhersagen, die man mit Computersimulationen vorab gemacht hatte. Dies führte nun zu einem ersten auf diesem Experiment basierenden wissenschaftlichen Artikel, der in Rekordzeit zur Veröffentlichung akzeptiert wurde. Endlich haben die Wissenschaftler die Gewissheit dass ihr Detektor wie erhofft funktioniert.

"Verrücktes Projekt"

Allein in der Entwicklung des Pixeldetektors stecken 15 Jahre Arbeit von Dutzenden von Wissenschaftlern - nicht nur vom PSI, sondern auch von anderen Instituten. So lieferte die Universität Zürich die Leichtbau-Kohlefaser-Mechanik. Die ETH Zürich leistete massgebliche Beiträge zum Design des elektronischen Gesamtsystems. Schlüsselkomponenten, wie die Verbindungstechnik, Sensor und Auslesechip wurden am PSI entworfen. Auch wurde der Detektor hier zusammengebaut.
"Am Anfang schien das Projekt schon sehr verrückt", blickt Projektleiter Roland Horisberger zurück. Man brauchte einen präzisen und leistungsfähigen Detektor, der mit damals verfügbaren Technologien nicht gebaut werden konnte. So musste alles neu entwickelt werden. Es gab nur eine ehrgeizige Vision, von der niemand wusste, ob sie gelingen würde. Ihre Praxistauglichkeit hat sie mittlerweile schon längst bewiesen. Denn auf der entwickelten Technologie basierende Detektoren werden bereits seit einigen Jahren an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS, einer der Grossforschungsanlagen des PSI, eingesetzt. Zudem wird der Pixeldetektor auch handfest in der Wirtschaft verwertet. Ein PSI-Spinoff, die Firma Dectris, baut und vertreibt diese Detektoren höchst erfolgreich weltweit. Sie sind auf dem Markt bisher konkurrenzlos.

Gigantisches Gerät für die Suche nach winzigen Teilchen

Wofür aber der gigantische Entwicklungsaufwand? Der von PSI-Wissenschaftlern entwickelte Pixeldetektor sitzt im Zentrum des 22 Meter langen CMS-Detektors (Compact Muon Solenoid) am CERN. Er wiegt 12'500 Tonnen und ist eines der grössten Messinstrumente, die der Mensch je gebaut hat. CMS ist eines von vier Experimenten am Riesenbeschleuniger LHC (Large Hadron Collider) des CERN, mit denen die Physiker der Lösung der grossen Rätsel der Materie näher kommen wollen.
So hoffen die Wissenschaftler, bei den Teilchenkollisionen irgendwann das sagenumwobene Higgs-Teilchen nachweisen zu können, den letzten fehlenden aber grundlegenden Baustein für das Standardmodell der Elementarteilchenphysik. Findet man es, kann man erklären, wie Elementarteilchen überhaupt zu ihrer Masse kommen.
Zudem wollen die Teilchenphysiker herausfinden, ob sogenannte supersymmetrische Teilchen (SUSY) existieren. Mit ihnen könnte man die auch für Physiker noch rätselhafte dunkle Materie im Weltraum erklären. Gemäss einer bisher spekulativen Theorie könnte sie aus solchen Teilchen bestehen. Gesehen hat diese allerdings noch niemand. Sollten sie aber existieren, würden bei ihrem Zerfall viele sogenannte B-Mesonen entstehen. Diese wiederum erkennt man am einfachsten daran, dass sie von Ihrem Entstehungsort einige Millimeter weit fliegen, bevor sie in leichtere Elementarteilchen zerfallen. Gelingt es, diese Verfallsorte sicher zu finden, wäre man dem Ziel erheblich näher gekommen, die wenigen spektakulären Ereignisse aus den Abermilliarden von Teilchenkollisionen im CMS herauszufiltern. B-Mesonen zu finden und zu untersuchen eine der Hauptaktivitäten der Teilchenphysiker am PSI.

Auf der Spur neuer Naturgesetze

Roland Horisberger erläutert: "Wenn es gelingt mit der Energie der Teilchen einen kritischen, bisher aber nicht bekannten Wert zu überschreiten, ist es möglich, dass wir neue Naturgesetze finden. Auch die heute bekannten physikalischen Gesetze gelten meist nur bis zu einem gewissen Punkt."
Die Messungen in der Veröffentlichung fanden bei 0,9 bis 2,36 Tera-Elektronenvolt (TeV) statt. Bereits das ist Weltrekord. Das Ziel der Physiker sind Kollisionen bei 14 TeV. Das wären Bedingungen wie kurz nach dem Urknall. Spätestens dann sollten sich Higgs- oder Supersymmetrie-Teilchen zeigen - wenn sie denn existieren.

Hintergrund: Der Barrel-Pixel-Detektor (BPIX)

Der BPIX registriert nicht nur den Ort von Teilchenbewegungen, er verarbeitet auch Daten. Dazu liegt direkt über jedem einzelnen der 60 Millionen Pixel ein eigener Mikrocomputer. Ein 18 Tausendstel-Millimeter winziges Lotkügelchen aus Indium stellt den Kontakt zwischen dem Pixel und diesem Mikrocomputer her. So bilden die Pixel-Chips eine sensible Digitalkamera für Teilchen oder Strahlung, zu deren Steuerung es hoch komplexe Computerprogramme braucht.
Der Detektor wurde nicht nur grossteils am PSI entwickelt, er wird hier auch kalibriert. Die Wissenschaftler können jedes einzelne der 60 Millionen Pixel einzeln ansteuern, bis es optimale Daten liefert und die Flugbahn von Elementarteilchen bis zur Genauigkeit eines halben Haardurchmessers misst. Pro Sekunde finden etwa 40 Millionen Protonenkollisionen statt, deren Daten alle auf den Mikrocomputern zwischengespeichert werden. Nur etwa 100 000 potentiell interessante Ereignisse darunter können überhaupt ausgelesen und deren Daten weiter ausgewertet werden.
Unter diesen 100 000 pro Sekunde hoffen die Physiker eines Tages einige der bisher nur theoretisch vorausgesagten Teilchen zu finden.

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Das Paul Scherrer Institut entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Festkörperforschung und Materialwissenschaften, Elementarteilchenphysik, Biologie und Medizin, Energie- und Umweltforschung. Mit 1300 Mitarbeitenden und einem Jahresbudget von rund 260 Mio. CHF ist es das grösste Forschungsinstitut der Schweiz.

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Originalveröffentlichung:
Transverse-momentum and pseudorapidity distributions of charged hadrons in pp collisions at sqrt(s) = 0.9 and 2.36TeV;

Journal of High Energy Physics; Volume 2010; Number 2 / Februar 2010; Seiten 1-35
DOI: 10.1007/JHEP02(2010)041

Für weitere Auskünfte:
Prof. Dr. Roland Horisberger, Leiter Pixel-Projekt, PSI;
Telefon +41 (0)56 310 32 06; roland.horisberger@psi.ch
Weitere Informationen: http://www.psi.ch - weitere Abbildungen http://ltp.web.psi.ch/ltp_home/outreach.html - Hintergrundinformationen zum Projekt
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