Large Hadron Collider wird bis 2020 gewaltig aufgerüstet

Im März 2010 begannen am LHC Protonenkollisionen mit bislang noch nie erreichten acht Teraelektronenvolt Schwerpunktsenergie, die viermal höher als am Tevatron in den USA ist. Nach einem Jahr Betrieb wurde im Juli 2012 das lange gesuchte Higgs-Boson, der Grundstein des Standardmodells der Teilchenphysik, entdeckt.

Zur Erweiterung des Forschungspotenzials des LHC wäre nun ein Upgrade erforderlich, das die Gesamtzahl der Kollisionen erhöht. Das EU-finanzierte Projekt HILUMI LHC (FP7 high luminosity Large Hadron Collider design study) zielte darauf ab, einen Teilchenbeschleuniger zu realisieren, der so leistungsstark ist, dass die Beobachtung seltener Prozesse möglich wird.

Die Aufrüstung des LHC auf höhere Luminosität – proportional zur Teilchenkollisionsrate – erfordert neue Technologien. Dazu zählen Hochfeldmagneten zur Beschleunigung der Teilchen und Hochfrequenzkavitäten zur Strahlrotation sowie eine neue Generation von niederohmigen Kollimatoren, jeweils auf Grundlage von Supraleitfähigkeitstechnologien.

Das HILUMI LHC-Projekt hat nun den Boden bereitet, um die LHC-Luminosität bis 2020 um bis zu Faktor zehn über ihren ursprünglich geplanten Wert hinaus zu erhöhen. Wissenschaftler und Ingenieure von 15 europäischen Institutionen sowie auch von Instituten aus Russland, Japan und den USA kooperierten, um herauszufinden, wie das anzugehen sein könnte.

Im Lauf des zweiten Berichtszeitraums konzentrierten sich die Projektpartner auf die Definition der technischen Daten der Hochfeldmagneten. Sie wählten die Hauptparameter des Magnetgitters wie etwa seine Dimensionen, die Operationsfeldgradienten und die am besten geeignete Magnettechnologie aus.

Zudem wurde mit der konstruktiven Gestaltung der Magneten zusammen mit den Hochfrequenzkavitäten begonnen. Deutliche Fortschritte waren bei den Entwürfen der kompakten Kavitäten, der kryogenen Kühlung und den Hochfrequenzsystemen für den Protonenstrahlbeschuss aus dem Super Proton Synchrotron und in zwei LHC-Injektionsleitungen zu verzeichnen.

Mehrere wichtige Meilensteine in Richtung der Fertigstellung der Anlagenaufrüstung im Wechselwirkungsbereich wurden erreicht. Man erstellte numerische Werkzeuge für fortgeschrittene Verfahren zur Reinigung und zum Schutz vor ankommenden Strahlen und Kollimation von physikalischen Bruchstücken.

Der LHC liefert bereits die Strahlen mit der höchsten Luminosität aller Protonenbeschleuniger weltweit. HILUMI LHC griff jedoch auf Expertenwissen aus der ganzen Welt zurück, um die Luminosität weiter zu erhöhen und die Sensitivitätsbeschränkungen zu überwinden, um bisher ungesehene seltene Prozesse beobachten zu können.