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ATLAS-Detektor: Neue Myonkammern mit höherer Präzision

Der ATLAS-Detektor erhält ein bedeutendes Upgrade: Das Max-Planck-Institut für Physik (MPP) hat neuartige Driftrohr-Kammern für die Vermessung von Myonspuren entwickelt. Das Institut liefert 12 solcher Myonkammern ans CERN, wo sie Anfang 2017 in den ATLAS-Detektor eingebaut werden. Mit den neuen Kammern lässt sich die Genauigkeit und Effizienz der Spurvermessung von Myonen erheblich verbessern. So steigen die Chancen, neue Erkenntnisse über die Beschaffenheit der Materie und die Vorgänge im frühen Universum zu gewinnen.

In jeder Myonkammer sind 350 Driftrohre in acht Lagen verbaut. (Foto: H. Kroha)

Im ATLAS-Detektor arbeiten unterschiedliche Detektoren: Der innere Detektor liefert die ersten Informationen aus den Proton-Proton-Kollisionen am Large Hadron Collider (LHC). Er misst Richtung, Ladung und Impuls der neu entstandenen geladenen Teilchen. Das Kalorimeter gibt Auskunft über die Energie der Teilchen, und das Myonspektrometer über ihre Zerfälle in Myonen. Die Auswertung der Myonspuren trug dazu bei, das Higgs-Boson zu entdecken und seine exakte Masse zu bestimmen.

Neue Driftrohre verbessern das Ansprechverhalten für Myonen

Das ATLAS-Myonsystem besteht aus Instrumenten unterschiedlicher Bauart. Das Max-Planck-Institut für Physik entwickelt und baut die Driftrohr-Kammern, die schalenförmig um das Zentrum des ATLAS-Detektors angeordnet sind. Die neuen Kammern bringen eine Reihe von Vorteilen.

"Die neuen Driftrohre haben im Vergleich zu den Vorgängermodellen nur den halben  Durchmesser von 1,5 Zentimetern. Die Signale lassen sich jetzt innerhalb von 200 Nanosekunden auslesen, also viermal schneller als bisher. Die Driftrohre und die angeschlossene Elektronik sind dadurch weniger lange von der im ATLAS-Detektor allgegenwärtigen Neutronen- und Gammastrahlung belegt – und 10 mal so schnell wieder für Myonen ansprechbar",, erklärt Hubert Kroha, der die Projektgruppe am MPP leitet.

Diese Vorteile fallen besonders ins Gewicht, da der LHC seit 2015 mit der vollen Kollisionsenergie von 13 Teraelektronenvolt und fast der doppelten ursprünglich geplanten Kollisionsrate läuft. "Die Rate der Protonkollisionen wird sich im nächsten Jahrzehnt nochmals um das Fünffache erhöhen", sagt Kroha. "Damit steigt auch die Herausforderung, Myon-Daten von unerwünschten Untergrundtreffern zu trennen – eine Aufgabe, der die neuen Driftrohre bestens gewachsen sind."

Höchste Präzision und Messgenauigkeit

Mit der höheren Ansprechwahrscheinlichkeit verbessert sich außerdem die Ortsauflösung der Driftrohre, die künftig bei 100 Mikrometern liegt. Die Ortsauflösung der Myonkammern ist entscheidend für die Messgenauigkeit der Myon-Impulse. Diese  geben Auskunft über die Masse des Higgs-Bosons oder anderer, neuer Teilchen.

Einen wesentlichen Beitrag zur hohen Ortsauflösung liefert die ungeheure mechanische Präzision der Myonkammern. Die Positionen der Zähldrähte im Zentrum der Driftrohre werden beim Bau der Kammern mit einer Genauigkeit von 5 Mikrometern festgelegt. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar ist etwa 100 Mikrometer dick.

Gerüstet für neue Beschleuniger-Generationen


Die Installation der 12 neuen Myon-Driftrohrkammern ist nur der Beginn weiterer Modernisierungsschritte: Im Jahr 2019 wird die innere Lage der Myonkammern in ATLAS um weitere 16 Module ergänzt. Ein massiver Ausbau des Myonspektrometers steht ab dem Jahr 2024 an. Bis 2026 soll der LHC für noch höhere Kollisionsraten aufgerüstet werden. Im "High Luminosity (HL)-LHC" treffen die Protonen dann zehnmal so häufig aufeinander wie heute.

"Hier kommen die Eigenschaften der verbesserten Myonkammern erst richtig zum Tragen – und in einem Projekt, das noch weit in der Zukunft liegt: Bereits jetzt gibt es Pläne für den Nachfolger des heutigen LHC: Der 'Future Circular Collider' am CERN soll einen Umfang von 100 Kilometern und die fast 10-fache Kollisionsenergie aufweisen", so Kroha abschließend.


Kontakt:
Dr. Hubert Kroha
Max-Planck-Institut für Physik
+49 89 32354-435