Appelshäuser, Harald

Büsching, Henner

German

Hochschulschriftenserver - Universität Frankfurt am Main

3 31. Januar 2007 THEMAIm Herbst 2007 erfüllen sich dieTräume der Frankfurter Kernphysi-ker: nach rund 20-jähriger Vorberei-tungszeit wird am EuropäischenKernforschungszentrum CERN dergrößte und leistungsfähigste Teil-chenbeschleuniger aller Zeiten inBetrieb gehen, der ›Large HadronCollider‹ (LHC).  Damit wollen dieWissenschaftler noch mehr über dieelementaren Bausteine unsererWelt und die frühe Entstehungsge-schichte des Universums erfahren.Die Frankfurter Physiker interessie-ren sich dabei besonders für einespezielle Form der Materie: das›Quark-Gluon-Plasma‹ (QGP), derZustand des Universums, als es et-wa eine Mikrosekunde alt war.Die Reise zum Urknall beginnttief unter der Erde. Der großeKasten, der sich langsam durcheinen weiten Schacht tief unter denSchweizer Jura hinabsenkt, gehört zueinem der größten und aufwändigstenExperimente, die es in der Physik jegegeben hat. ALICE (A Large Ion Col-lider Experiment) haben die Physikerihr Experiment getauft, und steigtman in den runden, 27 km langenTunnel hinab, der bis zu 100 Meter tiefins Französisch-Schweizer Grenzgebietam Europäischen Kernforschungszen-trum CERN bei Genf gegraben wurde,dann mag es einem wahrlich wie eintechnisches Wunderland erscheinen.Der schmale Tunnel öffnet sich in einegroße künstliche Höhle, in der bereitsder riesige Magnet des Experimentsaufgebaut ist. Langsam füllt sich derRaum nach einemausgeklügelten Planmit tausenden Kilo-metern von Kabelnund sehr aufwändigenMessinstrumenten,den Detektoren. Undauch wenn jetzt nochviel Luft ist – es wirdeinmal eng werden,wenn all die verschie-denen Detektoren, dieüber der Erde zusam-mengesetzt und biszum letzten Augen-blick immer wiedergetestet werden, alle einmal ihrenPlatz ﬁnden sollen. Das spürt man be-reits, wenn die Techniker den großenKasten, das erste von 18 Modulen desTransition-Radiation-Detektors (TRD),langsam und millimetergenau in Posi-tion bringen. »Das ist ein wichtigerMeilenstein für unser Projekt«, freutsich Prof. Christoph Blume vom Insti-tut für Kernphysik der UniversitätFrankfurt. Seit vielen Jahren arbeitendie Arbeitsgruppen von Blume undProf. Harald Appelshäuser bereits ander Planung und Realisierung des ALI-CE Experiments mit. Worum geht esdabei?Jedes Kind weiß, dass Eis zu schmel-zen beginnt, wenn die Temperaturnull Grad Celsius überschreitet, undbei hundert Grad beginnt das Wasserzu verdampfen. Was aber passiert,wenn die Temperatur noch weiter er-höht wird, zum Beispiel auf eine Billi-on Grad Celsius? Bei diesen hohenTemperaturen haben Atome und sogarAtomkerne längst aufgehört zu exi-stieren. Heute glaubt man, dass Mate-rie dann in Form eines Plasmas ausQuarks und Gluonen vorliegt, denkleinsten heute bekannten Materie-bausteinen. In der  Frühphase desUniversums, etwa eine Mikrosekundenach dem Urknall, hat es einmal sohohe Temperaturen gegeben. Dahergeht man davon aus, dass unsere ge-samte Welt in ihrer frühsten Jugenddie Phase eines Quark-Gluon-Plasmasdurchlaufen hat. Um also mehr überdie Prozesse zu lernen, die die Entste-hung unseres Universums bestimmthaben, möchte man die Eigenschaftendes Quark-Gluon-Plasmas erforschen.Die Kraft zwischen Quarks und Gluo-nen wird durch die so genannte starkeWechselwirkung vermittelt, die beiweitem stärkste der vier bekanntenNaturkräfte. Anders als die Gravitationund die elektromagnetische Kraft istsie aber nur über sehr kleine Abständespürbar (< 10-15 m). Theoretisch wirddie starke Wechselwirkung durch dieQuantenchromodynamik (QCD) be-schrieben. Aufgrund der komplizier-ten Dynamik zwi-schen Quarks undGluonen erweisensich quantitativeVorhersagen derQCD jedoch gera-de in jenem Ener-giebereich, der fürdie Erzeugung ei-nes QGP relevantist, als außeror-dentlich schwie-rig. Die geplantenExperimente sol-len somit also zumtieferen Verständ-nis der fundamentalen Naturkräftebeitragen.Das Aufheizen von Materie auf diesehohen Temperaturen gelingt nur mitsehr energiereichen Teilchenbeschleu-nigern, in denen schwere Atomkernemit hoher Geschwindigkeit zur Kollisi-on gebracht werden. Im Tunnel tiefunter dem CERNGelände wird ge-rade der größteTeilchenbeschleu-niger zusammen-gesetzt, der je ge-baut wurde: der›Large HadronCollider‹ (LHC).Er übertrifft diebisher höchstenTeilchenenergienum mehr als eineGrößenordnung.In den Kollisio-nen der Atomker-ne wird mandann die heißeste je in einem Laborerzeugte Materie erforschen können.Im Herbst 2007 sollen am LHC die er-sten Teilchenkollisionen studiert wer-den. Das dabei erzeugte Quark-Gluon-Plasma existiert allerdings nur für je-weils einen winzigen Sekundenbruch-teil (etwa 10-23 s), bevor es in mehrereTausend Teilchen zerfällt. Die Untersu-chung der Produkte dieses ›Mini-Ur-knalls‹ soll schließlich Aufschluss überdie Eigenschaften des QGP geben. Für den Nachweis der Teilchen sinddie Detektoren des ALICE-Experimen-tes wie die Schalen einer Zwiebel umden Kollisionspunkt angeordnet. Biszu 8000 Kollisionen pro Sekunde wer-den auf diese Weise aufgezeichnet,wobei eine Datenmenge von einigenhundert Gigabyte pro Sekunde verar-beitet werden muss. Diese Flut von In-formationen muss dann in der späte-ren Auswertung aufbereitet werden,um den genauen Ablauf der Reaktionund damit die Eigenschaften des QGPzu rekonstruieren. Dazu braucht manviele Physiker, aber auch Techniker,Computerspezialisten und Ingenieure.Über 1000 Physiker aus rund 30 Län-dern arbeiten im ALICE Experimentzusammen.Die Frankfurter Kernphysiker könnenbei dieser Arbeit ein großes Maß anErfahrung einbringen. Schon seit vie-len Jahren ist man hier an der welt-weiten Erforschung des Quark-Gluon-Plasmas beteiligt – in Experimentenam SPS-Teilchenbeschleuniger amCERN oder am RHIC-Beschleuniger inder Nähe von New York. Das ALICEExperiment aber übertrifft alles, wasbisher auf diesem Gebiet versuchtwurde. Und einen langen Atembraucht man auch: Die Vorbereitung-en auf die ersten Kollisionen am LHCdauern nun schon fast 20 Jahre.Die experimentellen Frankfurter Ar-beitsgruppen haben sich früh auf dieArbeit an zwei verschiedenen Detek-toren spezialisiert. Mit Hilfe des TRD-Detektors können verschiedene Teil-chensorten anhand von charakteristi-scher Übergangsstrahlung, die dieTeilchen beim Durchqueren des spezi-ellen Detektormaterials erzeugen, un-terschieden werden. Daneben ist manin Frankfurt am Aufbau eines weite-ren Detektors beteiligt, der Time-Pro-jection-Chamber (TPC), dem Herz-stück des Experiments. Dabei handeltes sich um einen gasgefüllten zylindri-schen Detektor, der ein Volumen vonetwa 100 m3 umschließt. Die Teilchenhinterlassen im Gasvolumen der TPCIonisationsspuren, die an speziellenAusleseebenen nachgewiesen werdenund somit eine präzise Rekonstrukti-on der Teilchenflugbahnen ermögli-chen. Die ALICE-TPC ist der größteDetektor dieser Art, der jemals gebautwurde.In Frankfurt ist man gut für die Zu-sammenarbeit in großen internatio-nalen Kollaboration wie ALICE gerü-stet: Mit der Einrichtung des univer-sitären Stern-Gerlach-Zentrums fürexperimentelle physikalische For-schung (SGZ) und den entsprechen-den modernen Labors im Neubau derPhysik am Campus Riedberg wurdendie Voraussetzungen für eine starkeinstrumentelle Frankfurter Beteili-gung geschaffen. Gemeinsam mit denArbeitsgruppen vom Institut für theo-retische Physik und dem Frankfurt In-stitute for Advanced Studies (FIAS)bietet sich somit ein ideales Umfeldzur Erforschung der Dynamik undStruktur elementarer Materie, das inden universitären SchwerpunktSchwerionenphysik eingebettet ist.Entscheidend für ein Projekt wie ALI-CE ist auch eine starke Vernetzungmit anderen deutschen Hochschulen.Dafür hat das BMBF ein neues strate-gisches Wettbewerbselement zur För-derung wissenschaftlicher Exzellenzdurch Zusammenarbeit in überregio-nalen Forschungsnetzwerken aufge-legt, das insbesondere auf die gemein-same Nutzung an Großgeräten wieBeschleunigeranlagen zielt. In der er-sten Wettbewerbsrunde der BMBF-Forschungsschwerpunkte (BMBF-FSP) haben sich insgesamt dreideutschlandweite Forschungsnetz-werke qualifiziert, darunter der Zu-sammenschluss der an ALICE beteilig-ten deutschen Hochschulen. Ideale Bedingungen bieten sich somitzur Ausbildung des wissenschaftli-chen Nachwuchses: Im Herbst letztenJahres wurde in Frankfurt eines vondrei neuen Helmholtz-Graduierten-kollegs zur Exzellenzförderung ange-siedelt. Die ›Helmholtz ResearchSchool for Quark Matter Studies‹ (H-QM) wird von der Helmholtz-Ge-meinschaft für die nächsten sechsJahre gefördert. Gemeinsam mit derGesellschaft für Schwerionenfor-schung (GSI) und dem FIAS werdenbegabte Doktoranden aus aller Welt ineinem strukturierten Förderpro-gramm ausgebildet. Die jungen Wis-senschaftler werden unter anderemdaran arbeiten, dass Frankfurts Bei-trag am ALICE-Projekt ein Erfolgwird.Tief unten, in der Höhle unter demCERN Gelände beginnt nun die heißePhase. Tag und Nacht wird gearbeitet,damit rechtzeitig alles fertig ist für dieersten Teilchenkollisionen. Am Expe-riment sieht man überall kleine Grup-pen von Physikern arbeiten. Es wirdviel ausprobiert, diskutiert und umdie beste Lösung gestritten. Man hörtEnglisch, Chinesisch, Russisch,Deutsch und viele andere Sprachen.Physiker aus der ganzen Welt arbeitenzusammen, um ihren großen Traumzu verwirklichen: Die Reise zu Ur-knall. Harald Appelshäuser,Henner BüschingDie Reise zum UrknallFrankfurter Kernphysiker untersuchen am CERN die ersten Mikrosekunden unseres UniversumsEin technisches Wunderland –der große Magnet des ALICE-Ex-periments tief unter der Erde imFranzösisch-Schweizer Grenzge-biet.Bereits ein Modul des Transition-Radiation-Detektors (siehe Text)ist 0,8 x 1 x 8 Meter groß undwiegt 1,7 Tonnen (oben)Bis zum letzten Moment wird ander Time-Projection-Chamber(TPC) des ALICE-Experimentsgearbeitet. Der gasgefüllte zylin-drische Detektor umfasst ein Volumen von etwa 100 Kubik-meter und ist das Herzstück desExperiments  (Mitte)Physiker aus derganzen Welt arbeiten zusam-men, um ihrengroßen Traum zuverwirklichen: Die Reise zum Urknall. Fotos: AppelshäuserTausende von neuen Teilchenentstehen in einer Kollision derAtomkerne. Computersimulatio-nen helfen den Physikern, ihreNachweisgeräte zu planen (unten)

Die Reise zum Urknall : Frankfurter Kernphysiker untersuchen am CERN die ersten Mikrosekunden unseres Universums

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