Erfolgreicher Neustart des ALICE-Detektors – Stabiler Strahl nach umfangreichen Upgrades

24.11.2021

Umfassende Verbesserung wurden in den vergangenen zwei Jahren am ALICE-Experiment des Europäischen Forschungszentrum CERN in Genf getätigt. Nun ist der riesige Detektor, an dessen Aufbau und Betrieb GSI maßgeblich beteiligt ist, wieder in Betrieb gegangen und hat erste Daten in Testkollisionen geliefert.

In dem sogenannten zweiten langen Shutdown (second long shutdown, LS2) wurde der CERN-Beschleuniger LHC (Large Hadron Collider) umfangreichen Upgrades unterzogen und kann nun Bleikerne mit Raten bis zu 50 Kilohertz im ALICE-Detektor zur Kollision bringen. Um dieses Potential voll ausnutzen zu können, musste auch der Messaufbau verbessert werden. Zu diesem Zweck konnte die Zeitprojektionskammer TPC überarbeitet und wieder am ALICE-Detektor eingebaut werden. Ebenfalls wurde ein neuer Myonen-Tracker installiert. Der größte jemals gebaute Pixeldetektor – das Inner Tracking System ITS – nahm im Mai den Platz des Vorgängersystems zwischen dem Strahlrohr und der TPC ein. Als letztes Teil des Puzzles wurde im Juli der Fast Interaction Trigger FIT installiert.

Insbesondere die TPC stellt dabei eine echte Innovation dar: Die bisherigen TPC-Auslesekammern konnten maximal drei Kilohertz verarbeiten. Die neuen Kammern nutzen die sog. GEM-Technologie (Gas Electron Multiplier) und können Daten kontinuierlich auslesen – im Gegensatz zur bisherigen Technik, die auf Vieldrahtproportionalkammern basierte. Nur mit der geänderte Methode ist eine Verarbeitung der neuen hohen Kollisionsraten des LHC möglich. Dies erforderte in Folge auch neue Software-Systeme für Datenaufnahme, Kalibrierung, Rekonstruktion und Analyse.

GSI ist von Anbeginn an der Entwicklung neuer Messinstrumente, insbesondere an Design und Aufbau der ALICE-TPC, und am wissenschaftlichen Programm von ALICE beteiligt. Auch diesmal hat GSI wesentlich zur Konzeption der neuen Auslesekammern beigetragen. Ein beträchtlicher Teil der Kammern wurde in Zusammenarbeit der ALICE-Forschungsabteilung und des Detektorlabors bei GSI gebaut. Mitarbeitende aus beiden GSI-Abteilungen haben auch beim Einsetzen der Kammern vor Ort am CERN mitgewirkt. Ebenfalls hat die IT-Abteilung von GSI zentrale Beiträge zu den neuen Software-Systemen geleistet. Das GSI-Rechenzentrum bleibt ein fester Bestandteil des Computernetzwerks für die Datenauswertung des ALICE-Experiments. Die Expertise aus den Upgrades ist auch für den zukünftigen Betrieb von FAIR relevant. Beispielsweise am Experiment für komprimierte Kernmaterie CBM sollen ebenfalls kontinuierliche Datenströme ausgelesen werden.

Die ALICE-Arbeiten waren Teil einer Helmholtz-weiten Initiative, die neben GSI auch das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und das Deutsche Elektronen-Synchrotron (DESY) umfasste: Ein großer Investmentbeitrag wurde von der Helmholtz-Gemeinschaft für die Upgrades von ALICE und für die beiden weiteren Experimente ATLAS und CMS zur „vollen Ausnutzung des Large Hadron Colliders“ zur Verfügung gestellt.

ALICE ist eines der vier Großexperimente am Kollisionsbeschleuniger LHC des CERN und beschäftigt sich insbesondere mit Schwerionenstößen von Bleiatomkernen. Wenn die Kerne mit unvorstellbarer Wucht aufeinandertreffen, entstehen Bedingungen wie in den ersten Augenblicken des Universums. Bei den Kollisionen entsteht für sehr kurze Zeit ein sogenanntes Quark-Gluon-Plasma – ein Materiezustand, wie er im Universum kurz nach dem Urknall vorlag. Dieses Plasma wandelt sich in Bruchteilen von Sekunden wieder in normale Materie um. Die dabei produzierten Teilchen geben Aufschluss über die Eigenschaften des Quark-Gluon-Plasmas. So können die Messungen in die Geburtsstunde des Kosmos blicken und Informationen über die Grundbausteine der Materie und ihre Wechselwirkung enthüllen. (CP)

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