Von Christian Thalmann

Brüssel, Washington, Rom, Mekka, Jerusalem, Hollywood? Auf die Frage nach einer Hauptstadt der Welt gibt es wohl keine einheitliche Meinung. Für die Teilchen- und Kernphysik steht die Antwort jedoch fest: Die Welt dreht sich um Genf. Dort befindet sich nämlich das grösste Forschungszentrum für Teilchenphysik. Das Centre Européen pour la Recherche Nucléaire, kurz CERN, wird von einer europäischen Organisation getragen und beschäftigt rund die Hälfte aller Teilcherphysiker der Welt.

Subatomare Godzillas

Das neuste Bauprojekt am CERN ist ein Teilchenbeschleuniger namens Large Hadron Collider (LHC), der Protonen mit der bisher unerreichten Energie von 7 TeV aufeinander prallen lassen wird. Energie alleine erzeugt aber noch keine wissenschaftlichen Erkenntnisse. Diese kommen erst zustande, wenn man bestimmen kann, welche Art von Teilchen bei den Crashes entstehen - und das ist alles andere als einfach. Der CMS Detektor ("Compact Muon Solenoid"), der momentan im CERN für diesen Zweck gebaut wird, ist so gross wie ein vierstöckiges Haus. Sein Inneres ist mit verschiedenen Mess-Systemen ausgefüllt, die in konzentrischen Zylindern um die Kollisionsstelle angeordnet sind. Eines dieser Systeme, das elektromagnetische Kalorimeter, entsteht unter der Leitung der ETH. Es dient dazu, die Energie der Photonen und Elektronen, die bei den hochenergetischen Kollisionen entstehen, so präzise wie möglich zu messen.

Hochenergetische Photonen und Elektronen verhalten sich wie Godzillas: In dicht besiedelten Gebieten hinterlassen sie eine deutliche Spur. Um die Kraft eines Godzillas abzuschätzen, braucht die Polizei aber keinen Streifenwagen loszuschicken: Es reicht, die Telefonanrufe von verärgerten Anwohnern zu zählen. Ähnlich verhält es sich mit einem Hochenergie-Teilchen: Auf seinem Weg durch einen dichten Kristall regt es zahlreiche Atome an, die daraufhin ihre überschüssige Energie in Form von Photonen abstrahlen. Die Elektronik fängt diesen Schauer von freigesetzten Photonen auf und berechnet aus deren Anzahl die Energie des zu messenden Teilchens.

Zehntausende dieser Bleiwolframat-Kristalle sorgen im CMS für eine präzise Erfassung von hochenergetischen Photonen und Elektronen. gross

Nicht alle Kristalle eignen sich für eine solche Messung. Für das elektromagnetische Kalorimeter wurde Bleiwolframat gewählt. Es zeichnet sich durch zwei wichtige Eigenschaften aus. Erstens hat es eine hohe Dichte, was zur Folge hat, dass die hochenergetischen Teilchen auf einer relativ kurzen Strecke vollständig abgebremst werden. Die Kristalle müssen daher nur 23 Zentimeter lang sein, was im Detektorgehäuse viel Platz spart. Weiter ist das Material sehr beständig unter der harten Strahlung energiereicher Teilchen, der es ausgesetzt wird.

Kristalle statt Waffen

Hinter den Bleiwolframat-Kristallen stecken rund zehn Jahre Forschungs- und Entwicklungsarbeit, die von Physikern der ETH, des CERN und der Bogoroditsk Technical Chemical Plant (BTCP) in Russland gemeinsam geleistet wurde. Die Zusammenarbeit mit dem russischen Unternehmen, das früher der Waffenproduktion diente, ist dem International Science and Technology Center (ISTC) zu verdanken. Das ISTC ist eine Organisation, die Wissenschaftern aus der Militär-Industrie der ehemaligen Sowjetunion ermöglicht, ihre Fähigkeiten für friedfertige Zwecke einzusetzen. Sie eröffnet den Forschenden den Zugang zur westlichen Bildungs- und Forschungswelt und erschliesst dem Westen gleichzeitig das grosse technische Know-How der ehemaligen UdSSR.

Die Entwicklung der Verfahren für das Züchten, Schneiden und Polieren der Bleiwolframat-Kristalle erreichte im letzten Jahr die notwendigen Qualitätsanforderungen. Zehntausend Kristalle wurden produziert und ans CERN geliefert, worauf die ETH gemeinsam mit dem CERN einen Vertrag zur Produktion von weiteren 26'000 Kristallen mit der BTCP abschloss. Im Februar dieses Jahres besuchte eine Gruppe der ETH unter Professorin Felicitas Pauss die russische Fabrik, um Modifikationen an den Kristallöfen zu begutachten und zusätzliche Produktionsaufträge in die Wege zu leiten.

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