Teilchenbeschleuniger

Experimentieren am Limit

Den weltgr��ten Teilchenbeschleuniger kann man nicht einfach einschalten. Angesichts der Komplexit�t des Large Hadron Collider ist es umso erstaunlicher, dass die Riesenmaschine schon jetzt Ergebnisse liefert.

Nach vielen Pannen und Verz�gerungen ist der Large Hadron Collider (LHC) am europ�ischen Teilchenforschungszentrum CERN bei Genf nun endlich angelaufen - nach gut 20 Jahren Entwicklungs- und Bauzeit. Der gr��te, leistungsst�rkste und mit rund drei Milliarden Euro teuerste Teilchenbeschleuniger der Welt sei eben keine "turn-key"-Maschine, die man einfach anschalten k�nne, betont Rolf Heuer, der Generaldirektor des CERN. Sie gleiche eher einem gewaltigen Orchester, bei dem Tausende von Instrumenten harmonisch aufeinander abgestimmt sein m�ssen.

Pannen vor der Generalprobe gab es viele. Einige waren richtiggehend skurril: So sorgte ein St�ckchen Brot, das vermutlich ein Vogel fallen gelassen hatte, einmal f�r einen Kurzschluss in einem Stromverteiler. Ein anderes Mal ging etwas schief, als ein Teil des sonst in ultrakaltem Zustand betriebenen Beschleunigerrings aufgew�rmt wurde: Einige Metallfinger, die einen sauberen elektrischen �bergang zwischen den luftleer gepumpten R�hren garantieren, in denen mittlerweile die Protonen fliegen, bogen sich pl�tzlich mehrere Zentimeter in die Kammern hinein – sie h�tten die beschleunigten Teilchen unverz�glich aus der Bahn geworfen. Ganz zu schweigen von…

1. Sparsames Nichttun ...

10.09.2010, Prof. Dr. Karsten L�hr, Darmstadt/Paris

Die Hauptaussage "Die Reparaturen haben sogar Geld gespart" ist doch sehr bedenklich f�r eine Investition von 3 Mrd. Euro. Da sich die finanzierenden Staaten derzeit mit etwa 4 Prozent am Kapitalmarkt f�r eine solche Investition verschulden m�ssen, kosteten die 14 Monate Reparatur bereits etwa 140 Mio. Euro an Zinsen, ohne dass die geplanten Untersuchungen erfolgen konnten. Zuz�glich kommen noch die nicht genannten Kosten f�r den "unproduktiven Betrieb", d.h. die laufenden Finanzierungen f�r Personal, Material, Projekte und Verwaltung. "Einsparungen" durch einen Vergleich der 24 Mio. Euro direkten Reparaturkosten mit den nicht ben�tigten Energiekosten auszurufen, diskreditiert die Seriosit�t der Arbeitsauffassung beim LHC. Denn man k�nnte mit dieser Argumentation dann auch die Einstellung rechtfertigen, dass der "Nichtbetrieb" vielleicht �berhaupt die g�nstigste Variante f�r diese Einrichtung ist!

2. Gut geschrieben, doch einige Anmerkungen m�ssen sein

21.10.2010, Dr.-Ing. Dietrich May, Gengenbach

Dieser sehr gut geschriebene Artikel liefert neue Aspekte, gibt aber auch in mehreren Details Anlass zu einigen Bemerkungen.

Der Autor schreibt: "Weil der Kontakt einen gut 1000fach zu hohen elektrischen Widerstand aufwies, stieg im Sektor 3-4 die Stromst�rke zwischen dem Ablenkmagneten und einem Fokussiermagneten unerwartet auf fast 9000 Ampere." Es ist eine bemerkenswert neue physikalische Erfahrung, dass das passive Bauelement Widerstand aktiv auf die Quelle einwirkt und den Strom erh�ht. Richtig ist (siehe CERN Document EDS 973073), dass der Strom mit 10 A/s bis auf 8,7 kA hochgefahren wurde, als an einer Stelle die Supraleitung aussetzte. Dabei entstand eine Spannung von 300 mV, die bis auf ein Volt anstieg und somit den weiteren Stromanstieg verhinderte. Die Stromquelle wurde daraufhin kontrolliert heruntergefahren.

"Binnen weniger als eine Sekunde entflammte dort ein Lichtbogen und brannte blitzschnell ein Loch in die Helium-Ummantelung". Diese Behauptung bed�rfte einer n�heren physikalischen Begr�ndung. Im Strahlrohr herrscht ein Ultrahochvakuum von 10^-13 bar, im Isoliervakuum der Magnete eines von ca. 10^-11 bar. Jedoch ist bei diesen Vakua die Teilchendichte so gering, dass bei den geringen Spannungen kein Lichtbogen entstehen kann. Selbst wenn man elektrische Feld�berh�hungen durch Spitzen und Kanten ber�cksichtigt, reicht die entstehende Spannung nicht aus, einen Lichtbogen zu z�nden. Zum Vergleich: die Durchschlagspannung bei Luft unter Atmosph�renbedingungen und einem Zentimeter Elektrodenabstand betr�gt 28 kV.

Allerdings verringert sich die Durchschlagsspannung dramatisch, sobald Helium geringer Dichte als Folge einer Leckage vorhanden ist � daf�r habe ich bei CERN jedoch keine Belege gefunden. F�r die Durchschlagspannung urs�chlich d�rfte wohl die Induktionsspannung beim Abschalten des Stromes sein.

Nach meinen Informationen aus dem CERN liegt die Ursache des Quenches in der Verbindung zweier Magnetspulen. Es gilt hier, zwei Kabel aus je 36 verdrillten Adern, die selbst wiederum aus 6000 bis 9000 Fasern � 7 Mikrometer Durchmesser bestehen, niederohmig zu verbinden. Der �bergangswiderstand sollte nominal drei Nanoohm sein.
Aus dem CERN habe ich eine Bilddatei erhalten, die f�r ein Dipolelement eine Masse von 35 Tonnen (statt der im Artikel erw�hnten 22) ausweist.

�konomisch abwegig ist die Behauptung, "die Reparaturen haben sogar Geld gespart". Den Betriebskosten stehen �blicherweise Leistungen (in Form von wissenschaftlichen Ergebnissen) gegen�ber, die Reparaturen sind aber per Saldo zus�tzliche Ausgaben. F�r die jetzt nicht durchgef�hrten Experimente braucht man das Geld eben sp�ter.

Zum Interview S. 39:
Sachlich korrekt w�re es, den Konjunktivus potentialis im allerletzten Satz durch ein Fragezeichen in der �berschrift auszudr�cken. So entsteht eine sinnentstellende Aussageform.

Antwort der Redaktion:
Um m�gliche Missverst�ndnisse zu vermeiden, sei hier nochmal klargestellt: Die Verbindungsstelle ist zun�chst supraleitend gewesen, dann brach diese Supraleitung spontan zusammen. So kam es, dass an dieser Stelle, an der zun�chst kein Widerstand herrschte, pl�tzlich einer entstand. Das f�hrte dazu, dass sich die Stelle in Sekundenbruchteilen enorm erhitzte (fast 9000 Ampere wirkten pl�tzlich auf einen daf�r vollkommen unterdimensionierten Kupferdraht ein) - schneller, als dass die Power-Suppliers darauf reagieren konnten.

Zu der Frage des Lichtbogens m�ssen wir auf eine CERN-Presseerkl�rung verweisen. Ihr Argument klingt �berzeugend, aber unter http://press.web.cern.ch/press/PressReleases/Releases2008/PR14.08E.html hei�t es: "Within one second, an electrical arc developed, puncturing the helium enclosure...". Endg�ltige Gewissheit - wenn man denn Zweifel an der Aussage des CERN hat - w�rde man erst durch eine genauere Pr�fung der Umst�nde erhalten.

Die Angabe �ber das Gewicht der Magnete, die bei dem Unfall verschoben wurden, stammen aus einem Videobeitrag des englischen Teilchenphysikers Brian Cox (ab Minute 2:00). Normalerweise wiegen die Dipolmagnete des LHC tats�chlich 35 Tonnen. Quadrupole sind leichter. Da der Unfall aber zwischen einem Ablenk- und einem Fokussiermagneten geschah, hat Brian Cox offenbar einen "Mittelwert" genommen.

Ihre betriebswirtschaftlichen Anmerkungen sind zumindest diskussionsw�rdig, legen aber - wohl zu Unrecht - nahe, dass f�r ein solches Projekt der Grundlagenforschung eine auch nur ann�hernd pr�zise Kosten-Nutzen-Rechnung m�glich sei. Der Autor will im Wesentlichen ausdr�cken, dass der Unfall keine untragbaren finanziellen Sch�den verursacht hat und dass das Jahresbudget nicht gesprengt wurde.

3. Mit einer Fl�che eine Datenmenge beschreiben?

28.10.2010, Reiner Gro�mann, Backnang

Auf Seite 36 des Artikels wird der Generaldirektor des CERN mit folgender Aussage zitiert: "Unser Ziel ist es, in den n�chsten 18 bis 24 Monaten ein inverses Femtobarn an Daten zu liefern." Das liest sich so, als w�rde mit einem "inversen Femtobarn" eine Datenmenge angegeben. Ein Barn ist meines Wissens eine Fl�cheneinheit (10^-28 Quadratmeter), und femto steht f�r 10^-15. Wie kann man mit einer inversen Fl�che (1/qm) eine Datenmenge beschreiben? Ich bin selbst Physiker, kann mir aber darauf keinen Reim machen. Vielleicht k�nnen Sie mir auf die Spr�nge helfen.

Antwort der Redaktion:
Grob funktioniert das so: Die Teilchenphysiker kennen den Wirkungsquerschnitt der Proton-Proton-Kollisionen, also eine Fl�che. Der Wert ist energieabh�ngig und k�nnte zum Beispiel rund 100 Millibarn betragen, wobei 1 Barn = 10²⁸ m².

Und wenn die Physiker jetzt, wie der CERN-Generaldirektor, die Zahl der einfallenden Protonen pro Fl�che angeben (n�mlich in 1/Femtobarn, also in inversen Femtobarn), l�sst sich diese Zahl mit dem Wirkungsquerschnitt multiplizieren und man erh�lt die Zahl der Kollisionen. Es handelt sich bei der Angabe von inversen Femtobarn also um eine indirekte Angabe der Zahl der Kollisionen (deshalb die unerwartete Einheit), die aber �blich ist.