Saturday, October 12, 2013

Tunnel View - Extended! / Tunnelblick - Erweitert!

On September 28th and 29th, there was an event that worldwide surely is unique. The probably most famous research institute on this planet, the CERN near the city of Geneve, Switzerland, offered an open house event. While the visit on the ground level area was possible for all interested people, one had to manage to grab tickets online in order to see the particle accelerator 150m underground that went like hot cakes. Each day they would release a certain amount of tickets and after a week or so I was lucky enough to get hold of two tickets for Nicole and me. The destination of our journey read LHC – Large Hadron Collider. Do I really have to say more?
A couple of days ago the Nobel prize in physics was awarded inter alia to Peter Higgs who predicted the Higgs-boson. That particle was proven in the LHC.
So our visit was to become most fascinating.
But first it was necessary to transit Switzerland from the north-east to the south-west which took some 5 hrs. When we arrived in France (part of the CERN actually extends beyond the Swiss border) we basically immediately were able to take the elevator down to the tunnel.
The only thing we had to decide before was whether we would like to have the tour in French or in English. Well, as chance would have it, an Austrian researcher crossed our path and he offered us to give us a tour in German. We were highly excited!
After one and a half minutes in the elevator we reached a depth of 150m and could admire the impressive technics that was built up down there. It would break the mold to describe everything here. My engineer’s heart lit up as well as my astronomer’s one did.
After several aggregates well worth seeing in a giant “hall” (it looks like a power plant) we entered the 27km long tunnel in which the collider is located. The LHC is not circular but more like an octagon with radii. In those radii 1232 magnets are located that guide the beams (so they determine the “circular orbit”), while in the straight segments (long straight sections) the acceleration of the particles is generated. They are accelerated to a velocity of 99.999985% of the speed of light. The tube in which that happens is evacuated (high vacuum) and cooled down to 1.9K with superfluid helium. This machine is imposing, indeed. The CERN is the biggest fridge of the world and stores 120 tons of helium in their tanks which after heating up is reconditioned. This amount equals the overall annual production of helium – not that one of Switzerland or France, but worldwide!
Per „bunch“ there are 1011 particles per ray. For comparison: A sugar cube contains some 1023 particles…
Around 10.000 to 12.000 employees are working for CERN, 2300 of which are permanently appointed.
The ones that have to work in the tube do have to take safety precautions in a way which makes it impossible to start the accelerator while people are inside the tunnel system. This is due to the energy of the rays correlate to that one of an 5kg-(11lbs)-iron ball at a speed of 800 km/h (500 mph)! Unthinkable what could happen if the beam would not stay within the pipe.
For instance: The beam exits the tube after three revolutions when a single magnet damaged – at 11.425 revolutions that takes around a quarter millisecond…
Beside the sheer figures other facts are also very interesting.  They ca, for example, see deviations in the beam when it is raining on the earth’s surface. This is due to the soil becoming heavier and – even though the CERN is located near the Jura mountains – actually bending the tunnel, and the collider, slightly. This also applies to ebb and flow – the effects of which have to be subtracted out accordingly.
It’s been preying on my mind for some time to know how results at CERN can be scientifically proven as there is no other research group or a second collider on earth that is able to repeat the experiments. I remembered that a chemical element that had been searched  for for a long time was discovered by a Russian research group some ten years ago – but it was not until lately as a second institute in Sweden was able to verify the Russian results.
Surely, it would not be that easy to built a second CERN that could verify the Higgs-boson.
Well, our competent guide could sort my problem out – and the answer is both simple and elegant: The LHC was not built to detect the Higgs-boson but is simply a tool that make accelerated particles available. All the rest, the complete analysis of the test results, the sensors etc. are set up twice at CERN by completely independent research groups. Not even the smallest snip of a computer program code is allowed to be exchanged between those two groups. That way, they were able to discover and verify the Higgs-boson independently with the same tool. Physics is in the air!
It was a fantastic event and Nicole and I agree that it was a good decision to visit the CERN, even though a ten hours drive may act as a deterrent first. Anyhow, we were not the ones that have had the longest access route – for instance could we see cars from Poland and from Great Britain on the parking lot.
In case the present cycle will be kept up, the next Open Hours Event will take place in about 4 or 5 years. We can be eager to see what discoveries will have been made until then and how many Nobel prizes in physics will be somehow correlated to CERN.

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Am 28. und 29. September gab es eine Veranstaltung, die weltweit einmalig sein dürfte. Die vermutlich bekannteste Forschungseinrichtung auf diesem Planeten, das CERN bei Genf, lud zu zwei Tagen der Offenen Tür ein. Während für alle Interessierten der Besuch auf dem Areal ohne weiteres möglich war, so musste man, wenn man den Beschleuniger in 150m Tiefe selbst sehen wollte, online Tickets ergattern, die schneller weggingen wie warme Semmeln. Jeden Tag wurden einige Tickets freigeschaltet und nach einer guten Woche hatte ich Glück und konnte zwei Tickets für Nicole und mich ergattern. Das Ziel unserer Reise lautete LHC – Large Hadron Collider. Muß ich mehr zu diesen drei Buchstaben sagen?
Vor wenigen Tagen wurde ein Nobelpreis unter anderem an den Forscher Peter Higgs verliehen, der vor vielen Jahren das Higgs-Boson voraussagte. Dieses Teilchen wurde am LHC nachgewiesen.
Der Besuch versprach also absolute Spannung.
Zunächst galt es, die komplette Schweiz einmal von Nordost nach Südwest zu durchqueren, was doch 5 Stunden benötigte. Als wir in Frankreich ankamen (das CERN erstreckt sich über die Staatsgrenzen der Schweiz hinaus) konnten wir praktisch sofort in den Tunnel hinab. Es galt nur noch zu klären, ob wir die Führung auf französisch oder englisch hören wollten. Nunja, wie der Zufall so will lief uns ein österreichischer Forscher über den Weg und bot Nicole und mir an, eine Führung nur für uns zwei auf deutsch zu halten. Wir waren hellauf begeistert!
Nach nur anderthalb Minuten im Fahrstuhl sind wir in einer Tiefe von 150m angelangt und konnten gleich die imposante Technik bewundern, die hier unten errichtet wurde. Es würde den Rahmen sprengen, hier alles wiedergeben zu wollen. Mein Ingenieursherz leuchtete jedenfalls auf – und das Astronomenherz erblühte gleichwohl.
Nach einigen sehenswerten Aggregaten in einer sehr großen „Halle“ (es sieht aus wie ein Kraftwerk) gingen wir in den 27km langen Tunnel, in welchem der Beschleuniger steht. Der LHC ist nicht kreisförmig, sondern eher ein Achteck mit Radien. In den Radien befinden sich 1232 Magnete, die den Strahl lenken (also die „Kreisbahn“ vorgeben), während in den geraden Abschnitten (long straight sections) die Beschleunigung der Strahlen erzeugt wird. Diese beschleunigen den Strahl auf eine Geschwindigkeit von 99,999985% der Lichtgeschwindigkeit. Die Röhre in der das geschieht ist ein Hochvakuum und wird mit superflüssigem Helium auf 1,9K abgekühlt. Allein diese Maschine ist äußerst imposant. Das CERN ist der größte Kühlschrank der Welt und besitzt in seinen Tanks 120 Tonnen Helium, welches nach dem Aufheizen wieder aufbereitet wird. Diese Menge entspricht einem Gesamtjahreserzeugnis – nicht von der Schweiz oder Frankreich, sondern weltweit!
Pro „Bunch“ befinden sich 1011 Teilchen im Strahl. Zum Vergleich: Ein Würfel Zucker besitzt etwa 1023 Teilchen…
Am CERN arbeiten zwischen 10.000 und 12.000 Mitarbeiter, davon sind 2300 fest angestellt.
Diejenigen welche in der Röhre arbeiten müssen einige Sicherheitsvorkehrungen treffen, sodaß es unmöglich ist, dass der Beschleuniger in Gang gesetzt wird, während sich noch Menschen im Tunnel aufhalten. Denn die Energie des Strahles entspricht derjenigen einer 5kg-Stahlkugel mit einer Geschwindigkeit von 800 km/h! Nicht auszudenken, was passieren würde, wenn der Strahl einmal nicht in der Röhre verbleibt (beispielsweise ist der Strahl nach 3 Umläufen bei einem defekten Magneten nicht mehr in der Röhre) – bei 11.425 Umläufen pro Sekunde sind das etwa eine Viertel Millisekunde…
Neben den blanken und erstaunlichen Zahlen sind andere Fakten ebenfalls interessant. So sieht man es beispielsweise im Strahl, wenn es an der Erdoberfläche regnet. Dies liegt daran, dass der Boden schwerer wird und – trotz des massiven Juragebirges, in welchem sich das CERN befindet – der Tunnel und mit ihr die Röhre leicht verbogen werden. Gleiches gilt für Ebbe und Flut – die Einflüsse müssen entsprechend herausgerechnet werden.
Eine mir unter den Nägeln brennende Frage konnte unser fachkundiger Führer auch beantworten: Um wissenschaftlich verwertbar zu sein, müssen Ergebnisse von einem zweiten unabhängigen Forschungsinstitut bzw. Forschergruppe bestätigt werden. Es gibt aber nichts vergleichbares wie das LHC weltweit. Ich erinnerte mich an dieser Stelle an ein lange gesuchtes chemisches Element, welches von einer Forschergruppe in Russland vor gut zehn Jahren entdeckt wurde – und erst vor kurzen in einem zweiten Institut in Schweden bestätigt werden konnte. Sicherlich würde es nicht so einfach sein, ein zweites CERN zu errichten, um beispielsweise das Higgs-Boson zu bestätigen.
Die Antwort auf diese Frage ist einfach und elegant zugleich: Der LHC ist nicht gebaut worden, nur um das Higgs-Boson nachzuweisen, sondern ist im Grunde nichts weiter als ein Werkzeug, das beschleunigte Strahlen zur Verfügung stellt. Alles andere, nämlich die gesamte Auswertung von Ergebnissen, Sensorik etc. sind am CERN zweimal komplett unabhängig voneinander von unabhängigen Forschungsgruppen aufgebaut worden. Nicht einmal kleinste Codeschnipsel im Programmcode durften diese Gruppen miteinander austauschen. Auf diese Weise hat man mit ein und demselben Werkzeug auf unterschiedliche und unabhängige Weise das Higgs-Boson nachweisen und bestätigen können. Die Physik liegt förmlich in der Luft.
Es war ein großartiges Ereignis und Nicole und ich sind einig darüber, dass es eine gute Entscheidung war, das CERN zu besuchen, auch wenn 10 Stunden Autofahrt an einem Tag zunächst abschreckend wirken sollten. Wir waren an diesem Tag auf jeden Fall nicht diejenigen, welche den weitesten Anfahrtsweg hatten – so konnten wir beispielsweise ein Auto aus Polen und eines aus Großbritannien auf dem Parkplatz sehen.
Das nächste Mal dürfte es einen Tag der offenen Tür wieder in etwa 4 bis 5 Jahren geben – vorausgesetzt der bisherige Turnus wird beibehalten. Wir dürfen schon jetzt gespannt sein, welche Entdeckungen bis dahin gemacht wurden und wie viele Nobelpreise vergeben werden, die mit dem CERN in irgendeiner Weise korreliert sind.

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Pictures from top to bottom:
(1) View 150 meters straight up. What you see is a 80 ton crane on ground level
(2) Part of the cooling system
(3) Long straight section
(4) Part of the long straight section. You can see the two small tubes where the particles are running in.
(5) Power supply for the accelerator
(6) View into the 27km (16.8 miles) long tunnel. The blue and white objects are magnets to guide the particles

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Bilder von oben nach unten:
(1) Blick 150 Meter nach oben. Was man sieht ist ein 80-Tonnen-Kran auf Bodenhöhe
(2) Teil des Kühlsystems
(3) Long straight section (langer grader Abschnitt)
(4) Teil der long straight section. Man kann die beiden kleinen Röhren sehen in welchem die Partikel entlangflitzen.
(5) Energieversorgung für den Beschleuniger
(6) Blick in den 27km langen Tunnel. Die blauen und weißen Objekte sind Magneten, die die Partikel leiten.


1 comment:

  1. Moin Christian!
    Wow - das muss enorm beeindruckend gewesen sein. Im Ganzen ist das CERN ein ganz andere Nummer als das Bruchstückchen in meinem Labor damals :-)
    Es ist auch gut, dass sich solche Forschungseinrichtungen der Öffentlichkeit zeigen.
    Grüße, Frank

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