Sieben Ringe. Ring 1 ist der echte LHC, Ring 2 folgt einer echten CERN-Studie, und ab Ring 3 sind die Ringe Zukunftsfiktion.
Der Ausbau kostet Higgs-Bosonen. Er setzt Daten, Upgrades und Teilchenvorräte zurück, behält den Codex und die mythischen Teilchen, erhöht die Ausbeute dauerhaft um ×1,6 pro Ring, hebt die Energiegrenze an und nimmt die Teilchen des neuen Rings ins Aufgebot auf. Jeder Ring bringt genau eine neue Mechanik.
PROF. QUARK
“Neue Mechanik: Die Luminosität startet nach dem Ausbau auf Stufe 1, der Strahl kollidiert also von Anfang an von selbst. Der Ausbau setzt Daten und Upgrades zurück; Codex und Mythische bleiben, die Ausbeute steigt dauerhaft auf ×1,6.”
Der neue Ring startet nicht bei null. Der vorherige Ring bleibt in ihm als fertig gebauter, eingefrorener Vorbeschleuniger bestehen und speist den Strahl mit etwa einem Fünfzehntel der Energie ein, die du im neuen Ring typischerweise erreichst, ganz ähnlich wie beim echten SPS (450 GeV), der den LHC (7 TeV) beschickt. Jede Strahlstufe baut den neuen Ring dann weiter aus.
Große Beschleuniger starten nicht bei null: Ein kleinerer Ring bringt den Strahl auf Vorenergie. So beschickt das SPS den LHC mit Protonen von 450 GeV, der LHC hebt sie auf 7 TeV – etwa das Fünfzehnfache. Für den FCC wäre der LHC mit rund 3,3 TeV der Vorbeschleuniger, im neuen Ring ginge es bis rund 50 TeV. Das SPS liegt innerhalb des LHC-Kreises, aber nahe am Rand bei Meyrin; zwei kurze Transferlinien (TI 2 und TI 8) speisen die beiden LHC-Strahlen tangential ein, je einen pro Richtung. Der FCC-Plan setzt den LHC genauso an den Rand des 91-km-Rings.
PROF. QUARK
“Der alte Ring (LHC-Ring) dient jetzt als Vorbeschleuniger – wie am CERN das SPS, das den LHC mit 450 GeV beschickt. Dein Strahl startet deshalb bei 375,8 GeV, etwa einem Fünfzehntel dessen, was dieser Ring schafft. Den neuen Ring baust du mit jeder Strahlstufe sichtbar weiter aus.”
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Am Anfang der Kette beschleunigt der Linac 4 negative Wasserstoff-Ionen auf 160 MeV; beim Einschuss in den Booster werden ihnen die Elektronen abgestreift, übrig bleiben Protonen. Eine gerade Strecke braucht keine Ablenkmagnete und strahlt daher kein Synchrotronlicht.
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Der Booster besteht aus vier übereinanderliegenden Ringen von 157 m Umfang. Er hebt die Protonen auf 2 GeV und fasst die Pakete so zusammen, dass das nächste Synchrotron sie füllen kann.
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Das PS ging 1959 in Betrieb: 628 m Umfang, Protonen bis 26 GeV, bis heute das Verteilerzentrum des CERN. Es formt die Pakete mit dem Abstand von 25 ns, den der LHC später braucht.
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Das SPS misst fast 7 km im Umfang und beschleunigt Protonen auf 450 GeV, bevor sie in den LHC gehen. 1983 wurden hier, als Proton-Antiproton-Collider betrieben, das W- und das Z-Boson entdeckt. Zwei Transferlinien führen die Strahlen tangential in den Hauptring.
Der Detektor um den Kollisionspunkt ist aus Schalen aufgebaut. Jede Subdetektor-Stufe fügt sichtbares Material hinzu, von den Vertexlagen innen bis zu den Myonkammern außen.
Im Zentrum läuft das Strahlrohr im Ultrahochvakuum (etwa 10⁻¹⁰ mbar), damit die Protonen nicht an Gasatomen streuen; am Detektor besteht es aus Beryllium, das Teilchen kaum bremst. Hier kreuzen sich die gegenläufigen Pakete, und nur ein kleiner Teil der Protonen stößt wirklich zusammen.
Hier entstehen alle Kollisionen. Die Strahlenergie entscheidet, welche Teilchen sich bilden können.
Die innerste Lage aus Silizium-Pixeln sitzt nur wenige Zentimeter vom Kollisionspunkt entfernt. Sie misst die Spuren auf wenige Mikrometer genau und findet, wo sie entspringen. Teilchen wie B-Hadronen oder das Tau fliegen vor dem Zerfall Bruchteile eines Millimeters bis Millimeter weit – ein versetzter Sekundärvertex verrät sie.
Verstärkt Teilchen mit versetztem Zerfall: τ, J/ψ, B-Hadronen, Top, LQ und N.
Silizium-Streifen und -Pixel messen die Flugbahn geladener Teilchen an vielen Punkten. Ein Magnetfeld (CMS 3,8 T, ATLAS 2 T) krümmt die Bahnen: Aus dem Radius folgt der Impuls, p ≈ 0,3 · B · r (p in GeV/c, B in Tesla, r in Metern), aus der Krümmungsrichtung das Vorzeichen der Ladung. Neutrale Teilchen hinterlassen keine Spur.
Verstärkt geladene Teilchen, die Spuren hinterlassen: π, K, p, W und schwere geladene Teilchen.
Eine supraleitende Spule erzeugt ein Feld parallel zur Strahlachse (CMS 3,8 T, ATLAS 2 T). Darin laufen geladene Teilchen auf Kreisbögen: Je größer der Impuls, desto gerader die Bahn. Gekühlt wird mit flüssigem Helium auf etwa 4,5 K.
Die Spule wächst mit dem Magnetfeld-Upgrade, das auch die Dipole des Rings stärkt.
Elektronen und Photonen lösen in dichtem Material einen Schauer aus Elektronen, Positronen und Photonen aus, bis alle Energie absorbiert und gemessen ist (ATLAS: Blei und flüssiges Argon, CMS: Bleiwolframat-Kristalle). Auch das Higgs-Boson wurde 2012 über Zerfälle in zwei Photonen nachgewiesen.
Verstärkt Elektron, Photon, Higgs und weitere Teilchen, die ihre Energie hier abgeben.
Hadronen wie Pionen, Protonen oder Neutronen lösen in Stahl bzw. Messing (ATLAS bzw. CMS) Kaskaden über die starke Wechselwirkung aus; das Kalorimeter misst so die Energie ganzer Jets. Neutrinos und Myonen laufen fast ungesehen hindurch.
Gehört zum Upgrade „Kalorimeter“: hadronische Schale ab Stufe 3.
Myonen sind etwa 200-mal schwerer als Elektronen, strahlen kaum und durchdringen deshalb alles davor. Darum liegen die Driftröhren und Kammern ganz außen: Was dort noch ein Signal gibt, ist fast immer ein Myon. Zerfälle wie Z → μμ sind so besonders sauber zu erkennen.
Verstärkt Myon, Z, Z′ und A′. Mit höheren Stufen kommen äußere Stationen hinzu – der Detektor wird größer.
ATLAS hat acht große Toroidspulen rund um die Strahlachse. Sie erzeugen im Myonsystem ein zweites, ringförmiges Feld, in dem Myonen noch einmal abgelenkt werden – so wird ihr Impuls unabhängig vom Tracker gemessen. Der Detektor ist dadurch etwa 25 m hoch und 44 m lang.
Die acht Spulen erscheinen mit Stufe 4 der Myonkammern.
Ring 1 · 27 km Umfang
Der LHC liegt 50 bis 175 m unter der Erde im Grenzgebiet von Schweiz und Frankreich, zwischen Jura im Nordwesten, Alpen im Südosten und dem Genfersee. Der 26,7 km lange Tunnel wurde ursprünglich für den Elektron-Positron-Ring LEP gegraben, der 1989 startete.
Ring 1 ist der LHC-Ring mit 27 km Umfang und 20 TeV Energiedeckel. Der Ausbau zum FCC-Ring steht im Ring-Tab.
CERN-Gelände. Das CERN wurde 1954 gegründet und ist das größte Labor der Teilchenphysik. Auf dem Gelände stehen die Hallen der großen Experimente (ATLAS, CMS, ALICE, LHCb) mit ihren Detektoren, die den Strahl an vier Punkten des Rings umschließen.
Ring 2 · 91 km Umfang
Der FCC ist ein am CERN untersuchter Plan für einen Ringtunnel von rund 91 km: zuerst als Elektron-Positron-Collider (FCC-ee, eine Higgs- und Z-Fabrik), später für Protonen (FCC-hh, etwa 85 bis 100 TeV Schwerpunktsenergie). Beschlossen ist er noch nicht.
Ring 2: Der See liegt jetzt im Ring, der Energiedeckel steigt auf 100 TeV, und die Luminosität beginnt auf Stufe 1.
Ring 3 · 3.000 km Umfang
ZUKUNFTSFIKTION · nur der Ring, nicht der Himmelskörper
Bei fester Magnetstärke wächst die erreichbare Energie mit dem Radius (E ≈ 0,3 · B · r). Ein Ring von 3000 km statt 91 km Umfang käme bei gleichen Magneten auf gut dreißigmal mehr Energie als der FCC, also einige PeV. Gebaut wird so etwas nirgends.
Ring 3: Doppelstrahl – jede zehnte Kollision zählt doppelt. Der Ring ist Zukunftsfiktion.
Ring 4 · 40.000 km Umfang
ZUKUNFTSFIKTION · nur der Ring, nicht der Himmelskörper
Enrico Fermi rechnete 1954 vor, dass ein Beschleunigerring um die Erde mit Magneten von 2 T Protonen auf etwa 5000 TeV brächte – ein Gedankenexperiment, kein Plan. Zum Vergleich: Die energiereichste kosmische Strahlung erreicht über 10²⁰ eV, millionenfach mehr als der LHC.
Ring 4 umschließt die Erde (40.000 km), Ring 5 kreist als Mondbahn um sie, ab Ring 6 ist sie ein Punkt auf dem Ring. Die Ringe sind Zukunftsfiktion.
Ring 5 · 2,4 Mio. km Umfang
ZUKUNFTSFIKTION · nur der Ring, nicht der Himmelskörper
Der Mond umkreist die Erde in rund 384.000 km Abstand, ein Umlauf dauert gut 27 Tage. Er zeigt ihr immer dieselbe Seite (gebundene Rotation) und erzeugt die Gezeiten. Ein Ring auf seiner Bahn hätte etwa 2,4 Mio. km Umfang.
Ring 5: Anomalie-Events – antippen für Zeitboost oder Massendrop. Der Ring ist Zukunftsfiktion.
Ring 6 · 940 Mio. km Umfang
ZUKUNFTSFIKTION · nur der Ring, nicht der Himmelskörper
Die Sonne ist ein Fusionsreaktor: Im Kern verschmilzt Wasserstoff bei etwa 15 Mio. K zu Helium. Sie sendet Sonnenwind (Protonen mit rund 400 km/s) und Neutrinos; auf jeden Quadratzentimeter der Erde treffen pro Sekunde etwa 6 · 10¹⁰ davon, fast alle ungehindert.
Ring 6: Zweiter Detektor – zwei Kreuzungen pro Umlauf, der Takt halbiert sich. Der Ring ist Zukunftsfiktion.
Ring 7 · jenseits des Sonnensystems
ZUKUNFTSFIKTION · nur der Ring, nicht der Himmelskörper
Der Sonnenwind bläst um die Sonne eine Blase in das interstellare Gas. Am Termination Shock, rund 85 bis 95 AE entfernt, wird er abgebremst; die Heliopause bei etwa 120 AE trennt ihn vom interstellaren Raum. Voyager 1 hat sie 2012 durchquert, und die Blase schirmt einen Teil der kosmischen Strahlung ab.
Ring 7: Jedes Teilchen mit Masse ist per Tuning als Resonanz erreichbar. Der Ring ist Zukunftsfiktion.
Dipolmagnete halten die Teilchen auf der Kreisbahn: Die Lorentzkraft lenkt sie ab, es gilt p ≈ 0,3 · B · r. Höhere Energie braucht ein stärkeres Feld oder einen größeren Ring. Der LHC hat 1232 supraleitende Dipole von je rund 15 m Länge, die bei 1,9 K ein Feld von 8,3 T erzeugen und Protonen von 7 TeV auf 27 km Umfang halten.
Das Upgrade „Magnetfeld“ stärkt die Dipole und legt ihnen Kupferspulen an. Alle 10 Strahlstufen bekommt der ganze Ring eine neue Ära.
In Hochfrequenz-Kavitäten schwingt ein elektrisches Feld im Takt der Teilchenpakete: Es beschleunigt sie bei jedem Umlauf ein Stück und hält sie in Paketen zusammen. Der LHC hat je Strahl acht supraleitende Kavitäten bei 400 MHz mit je etwa 2 MV, zusammen 16 MV pro Strahl.
Alle 6 Stufen Strahlenergie kommt ein weiteres HF-Modul dazu (höchstens 10).
Quadrupolmagnete wirken wie Linsen: In einer Ebene fokussieren sie den Strahl, in der anderen defokussieren sie ihn – abwechselnd aufgestellt bündeln sie ihn insgesamt. Ein Triplett vor dem Detektor presst den Strahl auf rund 17 µm; je kleiner der Querschnitt, desto mehr Kollisionen.
Je zwei Stufen „Strahlfokus“ kommt ein Triplett je Seite des Detektors dazu (höchstens 6); der Fokus verbreitert zugleich das Treffer-Fenster.
Supraleitende Magnete verlieren unterhalb einer kritischen Temperatur jeden elektrischen Widerstand. Der LHC kühlt sie mit rund 100 Tonnen flüssigem Helium auf 1,9 K – kälter als der leere Raum (2,7 K) – in der größten Kälteanlage der Welt.
Jede Stufe „Kryostat“ stellt einen weiteren Tank auf (höchstens 10) und verlängert den Offline-Betrieb.
Das flüssige Helium zirkuliert in einer Rohrleitung entlang der Magnete. Unterhalb von 2,17 K wird Helium superfluid: Es leitet Wärme extrem gut und hat praktisch keine Zähigkeit – ideal als Kühlmittel für die Magnete.
Die Leitung erscheint ab Stufe 2 des Upgrades „Kryostat“.
Die Protonen laufen nicht als gleichmäßiger Strom, sondern in Paketen. Der LHC fasst bis zu 2808 Pakete je Strahl mit je rund 10¹¹ Protonen, im Abstand von 25 ns. Zwei Strahlen laufen gegenläufig in getrennten Rohren und kreuzen sich nur an den Detektoren – bei jeder Kreuzung gibt es dutzende Kollisionen.
Du zündest im Takt der Kreuzung (Treffer-Fenster). Das Upgrade „Luminosität“ erhöht die Zahl der Kollisionen je Sekunde und schaltet die Automation frei.
Geladene Teilchen auf einer Kreisbahn strahlen tangential Licht ab. Die Leistung wächst mit E⁴ / (m⁴ · r²): Ein Elektron verliert bei gleicher Energie rund 10¹³-mal mehr als ein Proton. Darum nutzt der LHC Protonen, und beim Elektronenring LEP (104,5 GeV) war die Strahlung die Grenze.
Die Lichtfächer wachsen mit der Strahlstufe: je höher die Energie, desto heller und härter das Licht.
