Der CMS-Detektor am CERN. (Bild: H.R. Bramaz / ETH Zürich)
Aufzeichnung der Kollision zweier Protonen im CMS-Detektor. Unter anderem ist die räumliche Verteilung der Teilchen, die bei der Kollision entstanden sind, sichtbar. (Bild: CMS-Kollaboration)
Schneller als erwartet haben Physiker Daten veröffentlicht, die sie mit dem neuen Riesenbeschleuniger am CERN gewinnen konnten. Zu diesem Erfolg haben Forscher der ETH Zürich wesentlich beigetragen. Sie sind Teil der Kollaboration, die mit dem CMS-Detektor die Teilchenzusammenstösse im LHC untersucht. Die Veröffentlichung in einer Fachzeitschrift sei ein Meilenstein für das gesamte Experiment, vor allem aber auch für die beteiligten Schweizer Wissenschaftler, sagt Günther Dissertori, Physikprofessor an der ETH Zürich. Die jetzt publizierten Resultate wurden mit dem so genannten CMS-Detektor gewonnen, einem von vier Experimenten am neuen Beschleuniger, dem Large Hadron Collider (LHC) am CERN bei Genf. Dissertori koordiniert zusammen mit zwei Kollegen die Physik-Analysen der knapp 3000 Wissenschaftler, die am CMS-Experiment beteiligt sind.
Analyse innert Stunden
15 Jahre lang mussten die Forscher auf diesen Moment warten. So lange dauerte es von der Entwicklung des Detektors über den Bau bis zur Inbetriebnahme und der Veröffentlichung der ersten Messungen. Die Panne, die den Beschleuniger im Herbst 2008 lahm gelegt hatte, verzögerte die Resultate zusätzlich um mehr als ein Jahr. Doch nun ging es schneller als erwartet. Nachdem Ende November 2009 im LHC erstmals Protonen aufeinander geschossen und zur Kollision gebracht wurden, analysierten die Wissenschaftler der CMS-Kollaboration die allerersten Daten innerhalb von Stunden. An diesen Arbeiten waren auch die Forschungsgruppen der ETH-Professoren Günther Dissertori, Felicitas Pauss und Christoph Grab beteiligt.ion]
Die Wissenschaftler interessierten sich vor allem für die geladenen Teilchen, die bei den Zusammenstössen der Protonen neu entstanden, und fanden schnell Kandidaten für die gesuchten Vorgänge. Nachdem die Forscher die rohen Detektordaten ebenfalls in Rekordzeit weiter verarbeitet hatten, ermittelten sie, wie viele Teilchen bei den Kollisionen gebildet wurden und bestimmten deren räumliche Verteilung, den mittleren Impuls und die Abhängigkeit dieser Grössen von der Schwerpunktsenergie. Eine wichtige Rolle spielte dabei ein Teil des CMS-Experiments, der so genannte Pixeldetektor. Dieser wurde unter der Leitung von Physikprofessor Roland Horisberger am Paul Scherrer Institut (PSI) zusammen mit Kollegen der ETH und der Universität Zürich entwickelt und gebaut. «Dieser Detektor war zentral für die erste Analyse der Daten und die Rekonstruktion der Teilchenspuren», erklärt Dissertori. Ein weiterer Zürcher Forscher, Vincenzo Chiochia, Professor an der Universität Zürich, ist zur Zeit stellvertretender Projektmanager des CMS Tracking-Systems.
Die schnelle Datenanalyse dieses äusserst komplexen Experiments sei in der Tat beeindruckend, urteilt der Fachmann, der die Publikation im Auftrag der Zeitschrift begutachtet hat. «Während natürlich die gesamte Kollaboration zum guten Gelingen der ersten Publikation beigetragen hat, lag die Hauptverantwortung der konkreten Datenanalyse bei Kollegen von ungarischen Universitäten und des Massachusetts Institute of Technology in Boston», erzählt Dissertori. Stolz sind die Wissenschaftler auch auf die hohe Qualität ihrer Messungen. Grundlegend neue physikalische Erkenntnisse liefern sie allerdings nicht. «Das haben wir aber auch nicht erwartet», sagt Dissertori. Im Gegenteil: Dass die Physiker ihre Vorhersagen bestätigen konnten, beweise, dass die Detektoren und deren Simulation äusserst gut verstanden seien.
Neuer Rekord angepeilt
Die ersten Teilchenzusammenstösse am LHC fanden bei einer eher niedrigen Kollisionsenergie von 900 Milliarden Elektronenvolt (0,9 TeV) statt. Im Dezember 2009 stellte der LHC jedoch einen neuen Weltrekord auf: 2,36 TeV. Den bisherigen Höchstwert von 1,96 TeV hielt seit 2001 ein US-amerikanischer Beschleuniger, das Tevatron am Fermilab in Chicago. Ende Dezember wurde der LHC wie geplant für Wartungsarbeiten abgeschaltet. Nun soll er den Betrieb demnächst wieder aufnehmen und Mitte März mit 7 TeV Kollisionsenergie einen neuen Rekord erreichen. Ursprünglich war geplant, die Energie anschliessend weiter zu steigern. Nun habe man sich entschieden, die Maschine zwei Jahre lang mit diesem Wert weiter zu betreiben, bevor man sie weiter ausbaue, sagt Dissertori.
Grund dafür ist unter anderem der Wettlauf zwischen Europäern und Amerikanern bei der Entdeckung neuer Teilchen. Nach der Panne am CERN hatten die europäischen Physiker befürchtet, ihre Kollegen in den USA könnten das schon lange gesuchte Higgs-Teilchen zuerst nachweisen. Dabei war beim Bau des LHC immer wieder betont worden, diese prestigeträchtige Entdeckung sei eines der Ziele des neuen Riesenbeschleunigers in Genf. Doch der Wettlauf, neue Resultate zu veröffentlichen, erstreckt sich nicht nur auf die Anlagen in Europa und den USA. Selbst zwischen den Kollaborationen der vier Experimente am LHC herrscht ein Konkurrenzkampf. Die CMS-Gruppe freut sich deshalb besonders, dass sie ihre Daten bei der Kollisionsenergie von 2,36 TeV als erste veröffentlichen konnte. «Die anderen Experimente werden in den nächsten Wochen folgen», ist Dissertori überzeugt, und fügt an: «Das ist ein durchaus positiver Wettkampf.»