Es war ein gutes Jahr für den LHC, das nächste wird noch besser – und vielleicht werden’s gleich drei am Stück

Am 6. Dezember ist planmäßig der Betrieb des Large Hadron Collider für dieses Jahr zuende gegangen, nun ist Winterpause mit kleineren Wartungsarbeiten bis Februar 2011. Und dann kann sich – das ist die einhellige Meinung in LHC-Kreisen – die Natur nicht mehr dagegen wehren, etwas grundlegend Neues preis zu geben: In den sieben Monaten Protonen-Kollisionen 2010 sind bereits alle fundamentalen Entdeckungen der Teilchenphysik nachvollzogen worden, aber mit den zusätzlich 2011 zu erwartenden Kollisionsdaten muss es einfach in Richtung „Neue Physik“ gehen. Und weil es 2010 so gut lief, wird wahrscheinlich im Januar beschlossen werden, den LHC dann gleich bis Ende 2012 statt Ende 2011 laufen zu lassen, und das sogar mit 8 TeV statt den seit März möglichen 7 TeV. Die Möglichkeit, dass der einzige Konkurrent des LHC, das amerikanische Tevatron, auch länger als geplant laufen könnte („Eine weitere Empfehlung …“), spielt dabei sicher auch eine Rolle: Zwei zusätzliche Jahre statt nur einem erhöhen die Chance auf den Nachweis des Higgs-Teilchens erheblich, das sonst die Amerikaner u.U. doch noch als erste einfahren könnten.

Die Inbetriebnahme des LHC hat „noch die optimistischsten Erwartungen übertroffen“, sagt die Sprecherin eines der vier Instrumente, ATLAS: Programmatische Meilensteine wurden früher erreicht, die integrierte Gesamtleuchtkraft war am Ende doppelt so hoch wie geplant, und der wissenschaftliche Ertrag kann sich schon jetzt sehen lassen. 48.1 inversen Picobarn hat der LHC abgeliefert, wovon ATLAS 45 pb^-1 oder 94% aufzeichnen konnte. Schon im Sommer war die „Wiederentdeckung“ des Standardmodells der Teilchenphysik komplett, und zum Schluss konnte ATLAS 250’000 W- und 23’000 Z-Bosonen vorweisen (das Tevatron hat zwar 50-mal mehr aber dafür auch 20 Jahre gebraucht) sowie etwa 700 Top-Quarks, die zum ersten Mal überhaupt in Europa nachgewiesen wurden (und von denen das Tevatron nur 8-mal mehr einfuhr). Auch konnte gezeigt werden, dass die „Jets“ von Teilchen, die aus den Kollisionen herausspritzen, perfekt der Quantenelektrodynamik folgen – während zugleich der Detektor anhand der bekannten Physik geeicht werden konnte.

Der zweite Protonen-Run ab kommendem Februar verspricht – v.a. wenn tatsächlich mit 8 TeV Energie gefahren werden darf – eine Steigerung der integrierten Leuchtkraft auf 1 bis 2.5 inverse Femtobarn: Schon „in ein paar Monaten“ könnten sich hypothetische W‘- und Z‘-Bosonen bemerkbar machen, die davon künden würden, dass es mehr als die bekannten vier Naturkräfte Gravitation, Elektromagnetismus und starke und schwache Kernkraft gäbe (wobei die neuen wie die letzeren beiden ebenfalls nur kurze Reichweiten hätten). Ebenfalls 2011 in Reichweite wären erste Teilchen der postulierten Supersymmetrie – aber das viel beschworene Higgs nur, wenn es sich in einem ganz bestimmten Massenbereich befindet. 2011 wird sozusagen ein „Jahr der Komplementarität“ (man könnte auch „Wettlauf“ dazu sagen) mit einer realen Chance für den LHC wie das Tevatron, des Teilchens zuerst ansatzweise habhaft zu werden, die für beide Beschleuniger auf eine nichttriviale – und v.a. unterschiedliche – Weise von seiner Masse abhängt.

Im Laufe des Jahres 2011 kann aber – reine Mathematik hier – weder dem einen noch dem anderen Beschleuniger ein Nachweis des Higgs mit der erforderlichen Signifikant gelingen, allenfalls ein 3-Sigma-Effekt. Auch 2012 könnte das Tevatron die gewünschten 5 Sigma nicht erreichen, der LHC aber schon: ein gewichtiger Grund für die vorgeschlagene Verschiebung des großen Umbaus – der den Beschleuniger für viel höhere Kollisionsenergie fit machen soll – bis 2013, über die Ende Januar auf einer Sitzung von Vertretern der 20 CERN-Nationen abschließend befunden werden soll. Mit der endgültigen Energie von 14 TeV könnte der LHC dann erst ab 2014 arbeiten – und vermutlich würden zusätzliche Reparaturen an den Magneten des Speicherrings nötig, deren präzise Ausrichtung mit der Zeit leidet. Und es müsste zusätzliche Rechenpower für die zu erwartende Datenflut von der erhöhten Zahl von Kollisionen besorgt werden. Insgesamt soll der LHC – dessen erste Planung schon 1984 begonnen hatte, ernsthaft dann vor 20 Jahren – rund 20 Jahre lang arbeiten, gezählt vom März 2010 an, als es erstmals mit 7 TeV krachte.

Unterdessen gibt es keinen Zweifel mehr, dass der LHC bei den Blei-Blei-Kollisionen im November („Erste LHC-Blei-Ergebnisse …“) tatsächlich ein mindestens so überzeugendes Quark-Gluonen-Plasma produziert hat wie der RHIC in den USA: Insbesondere ist das „Jet-Quenching“, das Verschwinden eines von zwei Jets nach einer Kollision (der im Plasma einfach stecken bleibt), extrem ausgeprägt und war schon am allerersten Blei-Tag evident. Daraus kann man zwar nicht direkt etwas über den extrem jungen Kosmos lernen, aber dieser außergewöhnliche Materiezustand kann nun näher untersucht werden – das nächste Mal vermutlich ab November 2011. Aber jetzt dürfen sich erstmal wieder Protonen um die Neue Physik kümmern, die nach allgemeiner Physiker-Meinung im TeV-Bereich schlummern muss … Vortrag von Fabiola Gianotti (CERN) im Physikalischen Kolloquium in Bonn 10., LBNL Release 8.12., ATLAS Release 26.11.2010; Nature News 10., Physics World 7., DLF 6., Reuters 3.12.2010. Auch ein CERN Release, Physics World und Reuters zum Erfolg eines 2. Experiments – ASACUSA – zur „Massenproduktion“ von Antimaterie am CERN. NACHTRAG: der CERN Courier zu den Entdeckungen beim Blei-Ionen-Run des LHC – und ein CMS-Paper und CERN Release, Nature News, Ars Technica und IO9 über keine Schwarzen Löcher nach den Protonen-Kollisionen.

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2 Antworten to “Es war ein gutes Jahr für den LHC, das nächste wird noch besser – und vielleicht werden’s gleich drei am Stück”

  1. LHC-Lauf 2011/12 praktisch beschlossene Sache « Skyweek Zwei Punkt Null Says:

    […] Meeting in Frankreich wurde diese Woche die Empfehlung ausgesprochen, den Large Hadron Collider wie allgemein in der Community gewünscht nach dem Wiederanfahren im Februar bis Ende 2012 durch laufen zu lassen – es gilt als sicher, […]

  2. LHC wird wieder hoch gefahren – und erste Negativ-Resultate in Sachen Supersymmetrie und Higgs-Teilchen « Skyweek Zwei Punkt Null Says:

    […] – und damit viel aussagekräftigere Statistik – erwartet. Trotzdem waren auch schon die 2010-er Daten neben der Bestätigung des Standardmodells der Teilchenphysik bereits für Tests zumindest […]

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