Arbeiten am ALICE-Detektor unter Corona-Bedingungen. Von links: Robert Münzer (Goethe-Universität Frankfurt, GU), Chilo Garabatos (GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung), Lars Bratrud (GU), Yiota Chatzidaki (Universität Heidelberg), Christian Lippmann (GSI). Foto: Robert Münzer

Physiker der Goethe-Universität leiten eine der technischen Erneuerungen von „ALICE“ zur Erforschung des Quark-Gluon-Plasmas.

Das ALICE-Experiment am Teilchenbeschleuniger CERN in Genf soll neue Erkenntnisse über einen extrem heißen und dichten Materiezustand bringen, das Quark-Gluon-Plasma. Wenige Millionstel Sekunden nach dem Urknall lag die gesamte Materie des Universums in diesem Zustand vor, und Forscher wollen unter anderem mit dem ALICE-Experiment herausfinden, wie sich aus dieser „Ursuppe“ das Universum entwickelt hat. Ein internationales Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern hat dafür jetzt unter der Leitung von Physikern um Harald Appelshäuser von der Goethe-Universität Frankfurt das Herzstück des ALICE-Detektors auf den neuesten Stand der Technik gebracht.

Im Moment ruhen am CERN die Beschleuniger, es ist die Zeit der „zweiten langen Betriebspause“. In dieser Zeit werden die Beschleuniger auf- und umgerüstet, damit künftig mehr Teilchen beschleunigt und die Zahl der Kollisionen erhöht werden können. Auch die Detektoren werden verbessert. Doch während bei den großen Allzweckdetektoren ATLAS und CMS der große Umbau erst in der nächsten, dritten langen Betriebspause ab 2025 ansteht, wird der Spezialdetektor ALICE schon jetzt erneuert in die bevorstehende Messkampagne gehen.

ALICE ist das besondere Projekt in den Forschungsabenteuern rund um den Large Hadron Collider (LHC) des CERN. Während die anderen drei Detektoren entschlüsseln, was in Kollisionen zwischen Wasserstoffkernen (Protonen) vor sich geht, befassen sich die Forscherinnen und Forscher des ALICE-Experiments mit Blei-Ionen, also Teilchen, die um ein Vielfaches schwerer sind. Jedes Jahr wird der LHC einen Monat lang mit Blei-Ionen betrieben, damit der ALICE-Detektor Daten sammeln kann. Die Forscherinnen und Forscher wollen einen besonderen Materie-Zustand untersuchen: das Quark-Gluon-Plasma. Es entsteht, wenn im ALICE-Experiment Blei-Atomkerne mit sehr großer Energie aufeinanderprallen und sich für einen kurzen Moment in ihre elementaren Bestandteile auflösen. In dieser heißen und dichten Materiesuppe können sich die Quarks und Gluonen, die sonst fest in den Protonen und Neutronen des Atomkerns gebunden sind, quasi frei bewegen. Was bei den Kollisionen passiert, kann Rückschlüsse darauf zulassen, wie sich aus dem Quark-Gluon-Plasma unser Universum, wie wir es heute kennen, gebildet hat.

Film drehen statt Einzelbilder schießen

Nach der Betriebspause wird der erneuerte ALICE-Detektor zeigen, was er nun kann: Bisher lieferte der LHC-Beschleuniger 10.000 Kollisionen pro Sekunde. Bei 18.000 Teilchen pro Kollision macht das 180 Millionen Teilchen pro Sekunde, von denen der ALICE-Detektor aber nur einen Teil aufzeichnen konnte. Nach der Betriebspause werden die technologischen Hürden, die die Zahl der ausgelesenen Kollisionen bisher limitiert haben, ausgeräumt sein. Der LHC soll dann 50.000 Kollisionen pro Sekunde von Blei-Ionen liefern, wodurch 900 Millionen Teilchen pro Sekunde entstehen werden. „Wir wollen alle Kollisionen komplett aufnehmen, und zwar kontinuierlich – also praktisch einen Film drehen, statt einzelne Bilder zu schießen“, erklärt Harald Appelshäuser, Professor am Institut für Kernphysik an der Goethe-Universität Frankfurt und Projektleiter des Teildetektors, der nach dem Umbau für den großen Unterschied sorgen wird.

Detektor im Umbau

Dafür wurde einer der zentralen Detektoren des 26 Meter langen und 16 Meter hohen ALICE-Detektorkomplexes, die Spurendriftkammer (Time Projection Chamber, TPC), ganz am Anfang der Betriebspause ausgebaut und vorsichtig aus der unterirdischen Detektorkaverne in einen Reinraum an der Oberfläche gebracht. Nach und nach wurden dort die über Jahre auf der ganzen Welt hergestellten Bauteile sorgfältig eingebaut. Jetzt wurde die technisch aufgerüstete TPC wieder an ihre Heimat im Herzen von ALICE zurückgebracht.

Der Clou sind die neuen Auslesekammern, die nicht mehr aus vielen feinen Drähten bestehen, sondern im Prinzip aus rund fünf Milliarden winzigen Löchern. In diesen Löchern werden die Signale der geladenen Teilchen verstärkt, so dass die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler genau die Spur jedes Teilchens ausrechnen können. Diese Kammern nennen sich „GEMs“ – Gas Electron Multiplier – und sind eine CERN-Erfindung, die auch schon ihren Weg in medizinische Anwendungen gefunden hat. 500.000 Kanäle sorgen dafür, dass dem ALICE-Experiment nichts entgeht. Jede Sekunde entstehen später bei den Kollisionen Daten von 3,4 Terabyte.

Dafür mussten auch neue Verfahren entwickelt werden, mit denen diese Flut an Daten prozessiert werden kann. Mit dem Experten für Hochleistungsrechner Prof. Volker Lindenstruth und seinen Kollegen sind auch hier Wissenschaftler der Goethe-Universität federführend beteiligt. „Wir haben da jetzt das Feinste vom Feinsten und freuen uns auf die ersten Kollisionen“, so Appelshäuser.

Die neuen GEM-Auslesekammern wurden in Deutschland – an der Goethe-Universität Frankfurt sowie an den Universitäten Heidelberg und Bonn sowie der Technischen Universität München und dem GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung – durch Tests und Weiterentwicklungen für das ALICE-Experiment maßgeschneidert und später in verschiedenen Ländern zusammengebaut, darunter neben Deutschland auch Ungarn, Finnland, Rumänien und die USA. „Die Logistik war ganz schön kompliziert“, erzählt der Projektverantwortliche Appelshäuser. „Die TPC wurde im Jahr 2019 in den Reinraum gebracht, dort haben wir dann die älteren Kammern aus- und die neuen Kammern eingebaut und getestet. Zum Glück waren wir gerade fertig, bevor die Pandemie begann.“

ALICE bekommt während der Betriebspause auch eine neue innere Spurkammer, die noch dichter am Kollisionspunkt sitzt und im Gegensatz zu ihrem Vorgänger die Präzision noch weiter erhöht. Und präzise müssen die Detektoren sein, denn nur durch die genaue Bestimmung der Teilchenpfade und -energien lassen sich Rückschlüsse ziehen auf die ersten Bruchteile von Sekunden des Universums.