Teilchenbeschleuniger LHC Maschine der Superlative

Größer, schneller, teurer: Nach einer 24 Jahre langen Planungs- und Bauphase wird am Mittwoch der Large Hadron Collider am Cern angeschaltet.

Von Christopher Schrader

Am Mittwoch schalten Techniker am Europäischen Forschungszentrum Cern in Genf den neuen Beschleuniger LHC (Large Hadron Collider) an.

Zum ersten Mal sollen dann Teilchen darin kreisen, erst im Uhrzeigersinn, dann in der anderen Richtung, wenn alles gut geht. Damit geht eine 24 Jahre lange Planungs- und Bauphase zu Ende.

1984 wurde die Idee einer solchen Physikmaschine erstmals diskutiert, zehn Jahre später der Bau beschlossen. Die ersten Messgeräte für die neue Maschine wurden schon gebaut, da lief noch der Vorgänger in Genf.

Er wurde im Herbst 2000 abgeschaltet und später demontiert, weil LHC im selben Tunnel installiert ist. Der neue Beschleuniger vereint gleich mehrere Superlative in sich.

Die größte Maschine der Welt: Der LHC ist ein fast perfekter Kreis von 26,695 Kilometern Umfang. Er liegt in einem Tunnel etwa 100 Meter unter dem Gebiet der Schweiz und Frankreichs. 9593 Magnete umgeben die Rohre, durch die die Teilchen rasen.

Die ganze Apparatur musste sehr genau aufgestellt werden, die Abweichung durfte nur einen Zehntel Millimeter auf 150 Metern Wegstrecke betragen. Der Tunnel selbst aber ist um 1,4 Prozent gegenüber der Waagerechten geneigt. Im Wechsel der Mondphasen wird sich die Länge vom LHC um bis zu einem Millimeter ändern, während sich der Grund über ihm bei Voll- und Neumond 25 Zentimeter hebt.

Die schnellste Rennbahn des Planeten: Im Inneren der beiden Strahlrohre, durch die die Protonen mit und gegen den Uhrzeigersinn rasen, erreichen die Teilchen 99,9999991 Prozent der Lichtgeschwindigkeit. Da sind 299.792 Kilometer oder 11.245 Umläufe um die Bahn pro Sekunde. Wenn die Teilchen wie geplant zehn Stunden kreisen, legen sie zehn Milliarden Kilometer zurück, das übertrifft die Strecke Erde-Neptun und zurück.

Das größte Trommelfeuer: 2808 Bündel von jeweils 100 Milliarden Protonen werden in beiden Richtungen auf der Strecke sein. Wenn sie auf die Kollisionszonen zurasen, werden die Gruppen zu einem Strich zusammengequetscht, dünner als ein menschliches Haar und einige Zentimeter lang.

An den Experimenten kommen aus jeder Richtung mehr als 31Millionen solcher Bündel pro Sekunde an. Von den jeweils 200 Milliarden Teilchen auf Gegenkurs stoßen aber nur 20 Paare zusammen. Die Planer erwarten also, dass es 600 Millionen Kollisionen pro Sekunde gibt. Davon werden nur 100 für die Physiker interessant sein und ausgewertet werden, die Spuren vom großen Rest tilgen automatische Systeme aus der Elektronik.

Sparsamer Verbrauch: Die Protonen im Strahl sind Wasserstoff-Kerne und werden aus dem Gas gewonnen. Pro Tag werden nur zwei Milliardstel Gramm Wasserstoff in LHC beschleunigt.

Der größte Kühlschrank der Welt: Die Kühlanlage des LHC ist achtmal so groß wie der bisherige Rekordhalter. Die Magnete werden von flüssigen Gasen gekühlt. Erst bringen sie 10.800 Tonnen flüssigen Stickstoff auf minus 192 Grad Celsius, dann übernehmen 90 Tonnen flüssiges Helium die Abkühlung auf minus 271 Grad - weniger als zwei Grad über dem absoluten Nullpunkt und kälter als im Weltall.

Die Kälte ist notwendig, damit die Magnete supraleitend bleiben, der Strom also ohne elektrischen Widerstand durch sie fließen kann.

Der tiefste Blick in die Vergangenheit: Wenn Protonen aus beiden Richtungen frontal kollidieren, herrschen für einen Moment Verhältnisse wie kurz nach dem Urknall. Dort ist es dann mehr als 100.000-mal so heiß wie im Zentrum der Sonne. Nirgends in der Milchstraße ist es heißer.

Leerer als der Weltraum: Im Inneren der beiden Strahlrohre herrscht Vakuum. Der verbleibende Luftdruck beträgt ein Zehn-Billionstel des normalen Drucks auf Meereshöhe. Auf dem Mond ist der Druck zehnmal so hoch wie im Inneren von LHC. Auch die gekühlten Magnete werden von einem Vakuum umgeben. Dafür pumpen Techniker 9000 Kubikmeter Luft aus dem Tunnel - das Volumen des Mittelschiffs einer Kathedrale.

Das größte Bodybuilding-Studio: Durch die Beschleunigung werden die Protonen 7463-mal so schwer, wie sie in Ruhe sind. Jedes einzelne hat die Bewegungsenergie von sieben fliegenden Mücken. Alle Teilchen im Strahl haben zusammen so viel Wucht wie ein mit 150 Kilometern pro Stunde fahrender, französischer TGV. Sollten die Teilchen ihre stabile Bahn verlassen, erkennen das die Überwachungsgeräte innerhalb von drei Umläufen und lenken den Strahl auf einen Stapel von Graphitplatten. Nichts anderes am LHC könnte den Einschlag unbeschadet überstehen.

Die teuerste Anlage der Welt: Der Bau des LHC hat 4,6 Milliarden Schweizer Franken gekostet, etwa drei Milliarden Euro. Hinzu gekommen sind etwa 780 Millionen Euro für die Messgeräte.

Das größte Messgerät: Die sogenannten Detektoren stehen in unterirdischen Kavernen, die teilweise die Ausmaße des Pantheon in Rom übertreffen. Der größte von ihnen, "Atlas", misst 46 mal 25 mal 25 Meter. An diesem Experiment arbeiten 1700 Forscher aus 37 Ländern von allen Kontinenten aus der Antarktis mit. Die größte Gruppe von Wissenschaftlern hingegen hat sich zur Kollaboration "CMS" zusammengeschlossen: Hier arbeiten 2000 Menschen mit.

Die größten Datenmengen: Die vier großen Messgeräte bestehen aus 150 Millionen einzelnen Sensoren. Sie werden zusammen 700 Megabyte pro Sekunde an Daten erzeugen. Ein Stapel mit CDs von der Ausbeute eines Jahres würde 20Kilometer hoch reichen. Um die Daten zu verwalten, hat Cern ein Gitter von Rechenzentren geschaltet. Ein Großteil der Daten wird beim Entstehen sofort in andere Städte geschaufelt, weil sie in Genf nicht schnell genug gespeichert werden könnten.

Die längsten Kabel im Sonnensystem: Die 1232 wichtigsten Magneten am LHC sind im Prinzip große Spulen von Kabeln aus Niob-Titan. Würde man die feinsten Drähte darin aneinanderknüpfen, reichen sie fünfmal von der Erde zur Sonne und zurück.

Diese sogenannten Dipolmagnete halten die Protonen auf der Kreisbahn. Sie sind jeweils 15 Meter lang und erzeugen ein Feld von 8,3 Tesla. Das ist viermal so viel, wie moderne Magnetresonanz-Tomographen von zwei Metern Länge aufbringen. Ihre Feldstärke erreichen die LHC-Magnete nur, weil sie so stark gekühlt sind. In ihrem Inneren fließt ein Strom von 11.700 Ampere.

Enormer Stromhunger: Um LHC zu betreiben, ist eine elektrische Leistung von 120.000 Kilowatt nötig - etwa so viel wie alle Privathaushalte im Kanton Genf verbrauchen. Wenn die Maschine von Frühling bis Herbst läuft (im Winter ist Pause für Wartung und Reparaturen), kommen 800 Millionen Kilowattstunden zusammen. Die Stromrechnung beträgt 19 Millionen Euro pro Jahr.