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.
