Auricher Wissenschaftstage –
Forum einer dritten Kultur
Praktikum am Teilchenforschungsinstitut CERN
vom 24. September bis zum 5. Oktober 2007
Von Jens Hacker
Im Rahmen der Auricher Wissenschaftstage hatte ich die Möglichkeit, für zwei Wochen in den Herbstferien das Teilchenforschungsinstitut CERN in der Schweiz zu besuchen. Das CERN ist eine europäische Organisation für die Kernforschung und das größte Labor der Welt. Es wurde 1954 gegründet und wird nicht nur von einer Person oder einer Nation geleitet, sondern ist eine Organisation, an der zwanzig verschiedene Nationen beteiligt sind.
Der Name CERN leitet sich aus dem französischen Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire oder auch Europäischer Rat für Kernforschung ab. Dies war ein provisorisches Gremium mit dem Ziel der Grundlagenforschung. Es beschäftigte sich also mit der Frage, wie sich die Materie zusammensetzt und wie sie entstanden ist. Als 1954 sich daraus der Europäische Rat für Kernforschung bildete, blieb der alte Name CERN.
Übersicht des LHC Beschleunigers
Um die Frage nach der Zusammensetzung und Entstehung des Universums nach dem Urknall zu beantworten, beschäftigen sich die Physiker am CERN mit der Hochenergiephysik. Hierzu benötigen sie das Herzstück des CERN, den LHC Beschleuniger. Er ist der größte Teilchenbeschleuniger der Welt. Ein Teilchenbeschleuniger besteht im Grunde genommen aus einem großen unterirdischen Kreis, in dem stabile Teilchen auf eine hohe Übersicht des LHC Beschleunigers Geschwindigkeit gebracht und aufeinander geschossen werden. Als letztes erfolgt die Analyse der Kollision, um die Wirklichkeit mit physikalischen Theorien zu vergleichen. Der Umfang des Beschleunigerkreises im LHC beträgt 27 Kilometer und befindet sich 100 Meter unter der Erde.
Im Inneren des Beschleunigers werden so genannte Hadronen aufeinander geschossen. Die bekanntesten Hadronen sind die Nukleonen, hierunter versteht man Protonen und Neutronen. Es werden speziell Protonen verwendet, da sie relativ schwer sind und man so weniger Energie im Vergleich zu leichten Teilchen benötigt. Sie erreichen zu 99% die Lichtgeschwindigkeit und bewegen sich mit supraleitenden Eigenschaften fort. Diese Eigenschaften entstehen durch ein Vakuum, den Antrieb, Magnete und die Betriebstemperatur von 1.9 Kelvin. Möglich ist dieser Aufbau nur durch eine effiziente Kühlung, da die Betriebstemperatur von 1.9 Kelvin erhalten bleiben muss. Das Kühlmittel stellt Helium dar; es hat die Eigenschaft, bei den niedrigen Temperaturen nicht fest zu werden. Es wird als flüssiges Helium und als Supraflüssigkeit verwendet.
Am LHC gibt es insgesamt vier Experimente, Alice, Atlas LHCb und CMS. Diese Experimente verfolgen alle unterschiedliche physikalische Ziele und beinhalten einen unterschiedlichen Aufbau. Ich hatte in den zwei Wochen meines Aufenthaltes am CERN die Möglichkeit, mich speziell mit dem LHCb Experiment auseinander zusetzen.
Das LHCb Experiment benötigt man für die B-Physik. Man versucht mit der Hilfe von vielen unterschiedlichen Detektoren eine Spurrekonstruktion von den aus der Protonenkollision entstandenen B-Mesonen herzustellen. Mit der Spur und dem Verhältnis aus den Zerfallsprodukten der B-Mesonen versucht man Eigenschaftsunterschiede zwischen Materie und Antimaterie zu finden. Die Schwierigkeit ist hier das Aussortieren der richtigen Teilchen aus der großen Teilchenanzahl. In diesem Experiment war meine Aufgabe, zur B-Mesonen Suche die Müonenkammern zu vermessen, richtig zu kalibrieren und die Messdaten in die Detektorübersicht einzutragen.
Verkabelung der Überlastungsregelung für die CPU am LHCb Experiment
Des Weiteren konnte ich mich noch mit der Verarbeitung der Informationen aus dem LHCb Experiment beschäftigen. Zu Beginn eines jeden Experimentes misst der Detektor mit 40MHZ, dass heißt 40 Millionen Mal in der Sekunde. Allerdings drosselt sich die Anzahl der verwendbaren Daten aufgrund der Eigenschaften des Protonenstrahls von alleine auf 10MHZ. So eine Datenmenge kann man immer noch nicht verarbeiten, geschweige denn speichern. Wegen dieser Problematik wird das Triggern benötigt. Nun nimmt man sich nur noch die Kollisionen heraus, in denen sich anscheinend etwas Interessantes abgespielt hat. Man schaut sich also nur Detektorbereiche an und wenn diese ein Signal geben, wird der ganze Detektor ausgelesen.
Durch dieses Verfahren erfolgt eine weitere Datenverminderung auf 1MHZ. Eine solche Menge kann nun mit großem Aufwand verarbeitet und auch gespeichert werden. Meine Arbeit war es hier, die Überlastungsregelung für die CPU zu verkabeln und eine CPU mit Hilfe von Linux auf 100% Leistung zufahren und anschließend den Stromverbrauch in Erfahrung zu bringen. Diese Arbeit war für einen reibungslosen Ablauf beim Experiment sehr wichtig, denn man muss die Leistung der CPU an das Stromnetz oder das Stromnetz an die Leistung der CPU anpassen. Ansonsten wäre eine Stromversorgung nicht möglich.
Abschließend möchte ich noch erwähnen, dass mir das Praktikum sehr viel Spaß gemacht hat. Es war ein guter Einblick in die Arbeitweise eines Forschers und eine gute Orientierung für die berufliche Zukunft. Ich danke allen, die mir dieses Praktikum ermöglicht haben.