Der Large Hadron Collider

Teilchenphysik sorgt in der Regel nicht für weltweite Schlagzeilen. Doch im Juli 2012 erreichten die Physiker am CERN, der Europäischen Organisation für Kernforschung bei Genf, etwas, das man als die Entdeckung des Jahrhunderts bezeichnen kann. Mit dem Large Hadron Collider (LHC) fanden sie den bisher stärksten Beweis zur Unterstützung einer wichtigen Theorie über die Struktur der Materie auf subatomarer Ebene.

Diese jüngsten Erfolge wurden nach Jahrzehnten der Entwicklung am LHC erreicht. Und seit mehr als fünfzehn Jahren entwickelt und liefert Fine Tubes hochpräzise Edelstahlrohre für das alles entscheidende Kühlsystem des LHC.

Es ist ein außergewöhnlicher Durchbruch, ein subatomares Teilchen aufzuzeigen, von dem angenommen wird, dass es das Higgs-Boson ist. Vielleicht wurde einer der am schwersten fassbaren Bausteine des Universums isoliert, dessen Existenz von Peter Higgs im Jahr 1964 vorausgesagt wurde, aber von dem bis jetzt nicht gezeigt werden konnte, dass es wirklich existiert.

„Fine Tubes ist ein sehr konstruktives Unternehmen, das stets offen für neue Herausforderungen ist – wie zum Beispiel die hochsensiblen Dichtheitsprüfungen an den Rohren. Sie stellen sicher, dass ihre Produkte die höchsten Anforderungen erfüllen, was von entscheidender Bedeutung ist, da diese Rohre höchst kritisches Helium in einem Ultrahochvakuum transportieren, in dem die Partikelstrahlen zirkulieren. Selbst das geringste Austreten von Helium in diesem Vakuum würde die Funktion des LHC stören.“  Nicolaas Kos, Maschinenbauer, Technik-Abteilung, CERN – Europäische Organisation für Kernforschung.

Large Hadron Collider

Hintergrund

Der Large Hadron Collider (LHC) ist ein Teilchenbeschleuniger und gilt als das leistungsstärkste Gerät, das jemals in der Experimentalphysik gebaut wurde. Subatomare Partikel werden darin zur Kollision gebracht, um Wissenschaftlern Einblick in die Anfänge des Universums zu gewähren. Der LHC befindet sich in der Anlage von CERN, tief unter der Erde an der französisch-schweizerischen Grenze.

Auf dem jetzigen Stand unseres Wissens in der Teilchenphysik gibt es noch viele offene Fragen. Kosmologische und astrophysikalische Beobachtungen haben gezeigt, dass die sichtbare Materie im Universum nur vier Prozent seiner Gesamtheit ausmacht. Physiker sind auf der Suche nach den Partikeln oder Phänomenen, welche die dunkle Materie (23 % des Universums) und dunkle Energie (73 %) ausmachen. Eine verbreitete Theorie ist zum Beispiel, dass dunkle Materie aus neutralen – aber noch nicht entdeckten – supersymmetrischen Partikeln besteht. Vom Large Hadron Collider (LHC) erhofft man sich, dass er viele der Fragen zur Beschaffenheit des Universums beantworten kann. Er könnte die Existenz von dunkler Materie und Antimaterie beweisen und so den Ursprung von Masse erklären. Die Ergebnisse vom Juli 2012, insbesondere durch die Isolierung des Higgs-Boson, scheinen derzeitige Annahmen über subatomare Partikel zu bestätigen.

Herausforderungen

Der LHC erzeugt frontale Kollisionen zwischen zwei Strahlen mit gleichartigen Partikeln, entweder Protonen oder Bleikernen. Die Strahlen werden durch eine Kette von Beschleunigern erzeugt und dann in den LHC eingeleitet, wo sie ein mit dem interplanetaren Raum vergleichbares Vakuum durchlaufen. Supraleitfähige Magneten, die bei extrem niedrigen Temperaturen laufen, führen die Strahlen um den Ring.

Diese Technik nutzt supraleitfähige Dipolmagnete, die in supraflüssigem Helium bei 1,98 Grad Kelvin laufen (entspricht –271°C). Supraflüssiges Helium hat eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit, weshalb es das ideale Kühlmittel für die Kühlung und Stabilisierung von großen supraleitenden Systemen ist.

Man könnte sagen, dass der Hauptbestandteil des LHC quasi der größte Kühlschrank der Welt ist. In ihm herrschen Temperaturen vor, die tiefer als die Temperaturen im All liegen, und er enthält Eisen, Stahl und die unabdingbaren supraleitfähigen Ringrohre. Die Herausforderung für Fine Tubes war die Herstellung der enorm präzisen Kühlrohre und Rohrkomponenten für das Strahlenvakuumsystem des Large Hadron Colliders (LHC), welches den anspruchsvollen Bedingungen gerecht werden muss. Die Kühlrohre mussten aus einem Material gefertigt werden, das den extremen Temperaturen und Drücken standhalten kann und dennoch eine hohe metallurgische Reinheit, sehr strenge Dichtigkeit und außergewöhnlich niedrige Halogen-Verunreinigungen an den Rohraußen- und -innenseiten gewährleistet.

Lösungen

Fine Tubes entwickelte im Jahr 1995 die ersten Prototypen der Kühlrohre für CERN. Wir fertigen diese Komponenten mit speziell dafür entwickeltem Edelstahl, der hohe mechanische Festigkeit und sehr niedrige magnetische Permeabilität bei Tiefsttemperaturen bietet.

Die Kühlrohre haben einen Außendurchmesser von 4,76 mm und 0,53 mm Wandstärke. Sie formen einen Teil der Strahlengitter („Beam Screens“), die in die Strahlenröhren der supraleitfähigen Magneten eingeführt werden. Diese Kühlrohre transportieren das höchst kritische Helium bei Temperaturen zwischen 5 und 20 Grad Kelvin und einem Druck von bis zu 2,6 MPa (380 Psi). Wir haben insgesamt 130 km Präzisionsrohre für den Large Hadron Collider in geraden Längen von jeweils 15,8 m geliefert.

Nächste Schritte

Der Large Hadron Collider (LHC) läuft nun und es werden erfolgreich Daten gesammelt und ausgewertet mit Hilfe eines globalen Computernetzwerks namens „The Grid“, bei dem Zehntausende CPUs den Wissenschaftlern von CERN bei der Verarbeitung der Experimentdaten helfen. Es gibt derzeit Pläne, den LHC nachzurüsten und so die Leistungsfähigkeit des CERN-Beschleunigers zu verbessern. Nach dem bedeutenden Erfolg im Juli 2012 arbeitet man nun daran, die Experimente zu wiederholen und die Ergebnisse mithilfe eines massiven Computerclusters und der Unterstützung namhafter Wissenschaftler aus aller Welt zu bestätigen.

Im Dezember 2012 gab CERN bekannt, dass der Large Hadron Collider (LHC) ab März 2013 für eine zweijährige Umrüstphase pausieren wird. Nach dreijährigem Betrieb wird der weltweit größte Teilchenbeschleuniger dann bis 2015 außer Betrieb genommen und umgerüstet. Danach sollen noch höhere Energien erreicht werden, die zu weiteren bedeutenden Erkenntnissen führen können. Im Rahmen der Umrüstung werden 10.000 neue supraleitfähige Kabel zwischen den Magneten verlegt, die die Kapazität der Anlage deutlich erhöhen werden, damit die Bedingungen nach dem Urknall besser simuliert werden können. „Das wird zu mehr Kollisionen führen. Und je mehr Kollisionen es gibt, desto wahrscheinlicher wird es, dass es zu seltenen Ereignissen kommt“, so CERN-Sprecher James Gillies. „Das Higgs-Teilchen war nur einer von vielen Punkten auf unserer Wunschliste. Es gibt noch mehr zu entdecken, und die höhere Energie sollte das möglich machen.“ In einer letzten Phase werden vor der zweijährigen Pause noch Protonen mit Blei-Ionen kollidiert. Weitere Informationen über den aktuellen Stand der Entwicklung finden Sie unter www.cern.ch.

CERN

CERN, die Europäische Organisation für Kernforschung (European Organization for Nuclear Research), wurde im Jahr 1954 gegründet. Sie befindet sich in der Nähe von Genf und ist das größte Teilchenphysiklabor der Welt. CERN ist ein Paradebeispiel für die internationale Zusammenarbeit zwischen derzeit 20 Mitgliedstaaten. Mit Forschung an der Grenze der Wissenschaft hilft CERN, den Horizont der Technik zu erweitern, so dass die Ergebnisse – aus allen Gebieten vom Rechnen bis zur Materialwissenschaft – noch breitere Anwendungsfelder finden. So wurde beispielsweise das World Wide Web bei CERN erfunden, um Physikern auf der ganzen Welt die Kommunikation zu erleichtern.

Zu den Mitgliedstaaten gehören zur Zeit Belgien, Bulgarien, Dänemark, Deutschland, Finnland, Frankreich, Griechenland, Italien, die Niederlande, Norwegen, Österreich, Polen, Portugal, Schweden, die Schweiz, die Slowakei, Spanien, die Tschechische Republik, Ungarn und das Vereinigte Königreich. Rumänien ist zur Zeit ein Kandidat für die Mitarbeit. Zypern, Israel und Serbien sind derzeit als assoziierte CERN-Mitglieder auf dem Weg zum Vollmitglied. Indien, Japan, die russische Föderation, die USA, die Türkei, die Europäische Kommission sowie die UNESCO haben Beobachterstatus.

Weitere Informationen

www.cern.ch

 

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