Protonen auf Kollisionskurs: Von Null
auf 99,9999 Prozent Lichtgeschwindigkeit

Auch wenn die Protonen winzig klein sind, die im Large Hadron Collider (LHC) am CERN bei Genf verwendet werden, ist die Herausforderung riesengroß, sie auf die gewünschte Geschwindigkeit zu bringen. Eine ganze Beschleunigerkette ist notwendig, bis die Teilchen - bei optimalen Betriebszustand - in rund 40 Minuten so richtig auf Touren kommen und schließlich mit 99,9999991 Prozent der Lichtgeschwindigkeit zum Zusammenstoß gebracht werden. Wie das geschieht schilderte der österreichische Physiker Michael Benedikt, stellvertretender Leiter der für den Betrieb der Beschleuniger zuständigen Operations-Gruppe am CERN.

Die für die Beschleunigung notwendigen Protonen kommen - ganz profan - aus einer mit Wasserstoff gefüllten Gasflasche. In einer speziellen Vorrichtung wird das Gas durch elektrische Entladungen ionisiert. Das heißt die Elektronen werden von den Wasserstoffkernen getrennt und durch eine elektrische Spannung "abgesaugt". Über bleiben die Protonen, die für die Experimente gebraucht werden. Sie werden ebenfalls mit Hilfe einer Spannung abgesaugt. Aus rund 1.000 Milliarden Teilchen besteht eine solche Protonenwolke dann. Weil alle positiv geladen sind, stoßen sie einander ab. Deshalb muss man sie rasch beschleunigen, um ihnen eine bevorzugte Richtung zu geben und damit der Abstoßung entgegenzuwirken.

Dieser erste Schub erfolgt in einem Linearbeschleuniger, der dem Strahl erste Stabilität gibt. Dann werden diese Protonenwolken nacheinander in drei Kreisbeschleuniger eingespeist - der erste ist 150 Meter lang, der zweite 630 Meter, der dritte sieben Kilometer -, bis sie schließlich mit einer Energie von 450 Gigaelektronenvolt und aufgespalten in kleinere Wolken zu je 100 Mrd. Teilchen in den 27 Kilometer langen LHC gefüllt werden. Durch Wiederholung der Vorbeschleunigerzyklen ist bis dahin die Zahl der Protonen-Wolken auf 2.808 angewachsen. Mit einem Abstand von 25 Nanosekunden bzw. 7,5 Metern kreisen also 2.808 Pakete pro LHC-Ring, also einmal in und einmal gegen den Uhrzeigersinn.

"Heikle Angelegenheit"
Von der Injektionsenergie von 450 GeV müssen die Protonen im LHC auf die angestrebte Energie von 7 TeV (1 TeV = 1.000 GeV) beschleunigt werden. Mit so hoher Energie sei der Strahl "eine heikle Angelegenheit", betonte Benedikt. Sollte er unkontrolliert verloren gehen, könnten Maschinenelemente beschädigt werden. Deshalb gibt es entlang der gesamten Strecke, auch in den Vorbeschleunigern, ein ausgeklügeltes Überwachungssystem. Dieses kann vollautomatisch und in kürzester Zeit, wesentlich schneller als in einer Millisekunde, entscheiden, ob der Strahl gut ist oder kontrolliert entfernt werden muss.

Um die Protonen mit ihrer hohen Energie auf eine Kreisbahn zu zwingen, sind extrem starke Magnete erforderlich. 1.232 supraleitende Ablenkmagnete sind dafür verantwortlich, dazwischen befinden sich zudem supraleitende Fokussiermagnete, die ähnlich einer optischen Linsen dafür sorgen, dass der Strahl gut gebündelt ist und mit möglichst kleinem Querschnitt zu den vier Kollisionspunkten kommt. "Nur dann besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass es tatsächlich zu Wechselwirkungen kommt", und die Protonen nicht einfach aneinander vorbeifliegen. Die Protonen-Pakete fliegen mit einem Abstand von 25 Nanosekunden durch den Ring, 40 Millionen Mal pro Sekunde treffen sich jeweils zwei Pakete an jedem Kollisionspunkt. Treffen zwei Protonenwolken mit jeweils rund 100 Mrd. Teilchen aufeinander, stoßen nur rund 20 Protonen tatsächlich frontal zusammen.

Der Rest der Protonenwolken bleibt dabei weitgehend intakt, so dass sie rund zehn Stunden verwendet werden können. Bei rund 11.000 Umläufen pro Sekunde bedeutet dies, dass nach zehn Stunden jedes Protonenpaket 400 Millionen Mal durch den Ring geflogen ist und dabei etwa 70 Mal die Distanz Erde-Sonne zurückgelegt hat (entspricht rund 10 Mrd. Kilometer).

(apa/red)