Pläne für den Bau eines größeren Large Hadron Collider
Im März 2010 kollidierten im LHC Protonen mit einer zuvor noch nie dagewesenen Energie von acht Teraelektronenvolt, die viermal höher lag als die des Tevatron-Teilchenbeschleunigers in den USA. Nach anderthalb Jahren Betrieb wurde im Juli 2012 das lange gesuchte Higgs-Boson, der Eckpfeiler des Teilchenphysik-Standardmodells, entdeckt. Zur Erweiterung des Forschungspotenzials ist nun ein Upgrade des LHC erforderlich. Das EU-finanzierte Projekt HILUMI LHC (FP7 high luminosity Large Hadron Collider design study) zielte darauf ab, einen Teilchenbeschleuniger zu realisieren, der zur Beobachtung seltener Prozesse verwendet werden kann. Eine höhere Teilchenkollisionsrate macht innovative, auf Supraleitfähigkeit basierende Technologien erforderlich. Hierzu zählen neben einer neuen Generation von Kollimatoren mit geringer Impedanz Hochfeldmagnete zur Lenkung und Bündelung von Teilchen für ultrarelativistische Energien sowie Hochfrequenz-Kavitäten für die Strahlenrotation. Das HILUMI-LHC-Projekt hat nun den Boden bereitet, um die LHC-Luminosität bis um das Zehnfache über den ursprünglichen Nennwert zu erhöhen. Wissenschaftler und Ingenieure von 15 europäischen Institutionen sowie von Instituten in Russland, Japan und den USA kooperierten, um dies zu verwirklichen. Die Projektpartner ermittelten die Strahlenparameter, die erforderlich sind, um die gewünschte Luminosität zu erreichen und definierten die Hochfeldmagnet-Spezifikationen. Sie wählten die Hauptparameter des Magnetgitters aus. Hierzu zählten bspw. die Dimensionen, die Operationsfeldgradienten und die am besten geeignete Magnettechnik. Bedeutsamer Weise wurde abgesehen von Hochfrequenz-Kavitäten an einem ein Konstruktionsentwurf für Magneten gearbeitet. Es wurden wesentliche Fortschritte bei der Gestaltung von Hochfeldmagneten erzielt. Hierzu wurden die Nb3Sn-Technik (11-12 Tesla, d. h. 40 % höher als LHC-Felder), kompakte supraleitende Kavitäten, welche ableitende elektrische Felder erzeugen sowie superfluides kryogenes Helium zur Kühlung angewandt. Es wurden ebenfalls zahlreiche bedeutende Meilensteine hinsichtlich der Fertigstellung der aktualisierten Layouts von Wechselwirkungsbereichen erreicht. Es wurden numerische Werkzeuge für fortgeschrittene Verfahren zur Reinigung und zum Schutz vor eingehenden Strahlen und für die Kollimation physikalischer Bruchstücke eingerichtet. Es wurden Simulationen zum Strahlenverlust und zur Energieabgabe durchgeführt, um Kollimationsanforderungen zu definieren und um die Wirkung neuer Materialien in dem Kollimationssystem zu bestimmen. Die Materialien, welche die vielversprechendsten Eigenschaften zeigten, waren Kupfer-Diamant- und Molybdän-Karbid-Graphit-Verbundwerkstoffe. Der LHC erzielt unter allen Protonenbeschleunigern weltweit Stahlen mit der höchsten Luminosität. Eine großflächige Aufrüstung wird allerdings die weltweit führende Stellung des LHC im Bereich der Hochenergiephysik bis 2040 sicherstellen. HILUMI LHC griff auf Expertenwissen aus der ganzen Welt zurück, damit die Attraktivität des Europäischen Forschungsraums für Wissenschaftler erhalten bleibt.
Schlüsselbegriffe
LHC, Europäische Strategie für Teilchenphysik, Higgs-Boson, HILUMI LHC, Teilchenkollisionsrate, Hochfeldmagnete
