Am CERN bei Genf werden kleinste Teilchen mit höchsten Energien aufeinander geschossen, um die grossen Fragen zum Universum zu klären. Die Detektoren, die die Teilchenkollisionen beobachten, benötigen immer wieder ein Upgrade. Lea Caminada und ihre Forschungsgruppe für Hochenergiephysik am Paul Scherrer Institut PSI spielen dabei eine wichtige Rolle.
In einem geräumigen Labor im dritten Stock eines Neubaus gleich neben dem Paul Scherrer Institut steht eine Hälfte des Detektors, der das Higgs-Boson nachgewiesen hat. 2012 wurde dieses jahrzehntelang gesuchte Elementarteilchen am CERN experimentell bestätigt – und hat damit Geschichte in der Teilchenphysik geschrieben.
Entdeckt wurde das legendäre Teilchen mit dem Large Hadron Collider (LHC) des CERN – einem unterirdischen, 27 Kilometer langen Teilchenbeschleuniger. Im Tunnel des LHC werden stark beschleunigte Protonen aufeinander geschossen, um die Zerfallsprodukte dieser explosiven Teilchenkollisionen zu vermessen. Der LHC ist weiterhin im Einsatz, um Fragen der fundamentalen Physik unseres Universums zu klären. Und er muss mit der Zeit gehen: «Alle paar Jahre ist ein Upgrade an den riesigen Detektoren notwendig», erklärt Lea Caminada, Leiterin der Gruppe für Hochenergiephysik am Zentrum für Neutronen- und Myonenforschung des PSI. «Unter anderem, weil die hochenergetischen Teilchen, die die Detektoren ja registrieren sollen, über die Jahre auch unweigerlich deren Elektronik beschädigen», erklärt die Physikerin.
Um die winzigen Teilchen genau zu vermessen, braucht es Kolosse: Vier riesige Detektoren sind am LHC in Betrieb. Einer davon trägt den Namen «Compact Muon Solenoid», kurz CMS. Insgesamt fünfzehn Meter Durchmesser hat dieser in Zwiebelschichten aufgebaute Detektor. Lea Caminada beschäftigt sich quasi seit dessen Anfängen mit dem Aufbau von CMS und mit den experimentellen Ergebnissen, die er liefert.
Der innerste Teil von CMS, der zylindrische Pixeldetektor, hat die Form einer leicht überdimensionalen Biskuitrolle: Er ist rund fünfzig Zentimeter lang, besteht aus drei Schichten golden glänzender Elektronik und sehr vielen Kabeln. Er wurde einst am PSI entwickelt und gebaut, Lea Caminada war schon damals als Doktorandin beteiligt. Im Jahr 2017 wurde dieser erste Zylinder-Pixeldetektor ausgebaut und durch einen vierschichtigen Nachfolger ersetzt, der ebenfalls von Caminadas Gruppe designt und zum Teil gebaut worden war. Den ursprünglichen Zylinder-Detektor teilte man längs in seine zwei Hälften; die eine lagert nun als Ausstellungsstück in Caminadas Labor im neu gebauten Switzerland Innovation Park Innovaare direkt neben dem PSI.
In seiner aktuellen Konfiguration bleibt CMS noch bis Mitte 2026 im Einsatz. Dann steht ein grösseres Upgrade am gesamten LHC an: Die Anzahl der Teilchenkollisionen wird weiter erhöht und bei dieser Gelegenheit werden viele Bauteile der Detektoren ein weiteres Mal durch neue, technologisch verbesserte Teile ersetzt.
Endkappen gegen den toten Winkel
Im Jahr 2030 soll der LHC dann unter dem Namen «High-Luminosity LHC» wieder an den Start gehen. An den einzelnen neuen Komponenten von CMS, die in der Umbauphase von 2027 bis 2030 eingebaut werden, arbeiten derzeit viele Forschungsgruppen weltweit. Diesmal ist Caminadas Gruppe nicht für den nächsten Zylinder-Pixeldetektor zuständig, sondern für scheibenförmige Bauteile, die senkrecht vor und hinter dem Zylinder-Detektor angebracht werden.
«Diese Scheiben bilden das, was wir den Tracker-Endkappen-Detektor nennen», erklärt Caminada. «Das wird ein komplett neuer Teil des CMS-Detektors. Mit ihm werden wir Teilchenspuren nachverfolgen können, die im toten Winkel des bisherigen Detektors liegen.» Verschiedene Teilchenzerfälle, die bei den Proton-Proton-Kollisionen im LHC entstehen könnten, werden in verschiedenen Raumwinkeln erwartet. Wer nach neuer Physik sucht, muss dort schauen, wo bisher noch niemand hinsehen konnte.
Die insgesamt 16 runden Scheiben des Tracker-Endkappen-Detektors haben je einen Durchmesser von 50 Zentimetern und jede wird sowohl auf ihrer Vorder- als auch auf ihrer Rückseite mit Silizium-Detektormodulen bestückt sein.
«Um all diese Flächen gründlich abzudecken, werden wir um die zweitausend baugleiche Detektormodule benötigen», erklärt Caminada. Die rechteckigen Module sind kleiner als ein Handteller. Es sind hochkomplexe elektronische Bauteile, die extrem präzise verarbeitet sein müssen, um hochzuverlässig zu funktionieren. «Nach dem Upgrade wird der gesamte Detektor über mehrere Jahre im Einsatz bleiben – und wir können während dieser Zeit nichts ausbauen und keine Reparaturen durchführen.» Es ist, als würde man eine Sonde ins All schicken – während des Betriebs verliert man jeglichen physischen Zugriff auf die Komponenten. Und jede noch so geringe Fehlerwahrscheinlichkeit, die man bei einem einzelnen Bauteil in Kauf nimmt, erhöht sich für den gesamten Detektor – der hohen Anzahl an Modulen entsprechend – um den Faktor zweitausend.
Zwei Jahre für die Produktion der Module
Amrutha Samalan setzt vorsichtig ein Modul nach dem anderen in die passgenauen Mulden einer weissen verkabelten Kiste. «Über die letzten Jahre haben wir verschiedene Prototypen der Module untersucht und getestet, um den Modul-Designern immer wieder rückzumelden, wo sich zwar unwahrscheinliche, aber aufgrund der grossen Stückzahl doch relevante Probleme ergeben», erklärt die Postdoktorandin, die seit bald zwei Jahren in Lea Caminadas Gruppe arbeitet. Inzwischen ist die Design-Phase abgeschlossen. Die Vorproduktion ist im Gange.
Vorproduktion bedeutet: An einer kleineren Anzahl Module testen die Forschenden, ob jede Fertigungsstufe gut funktioniert und das Ergebnis genau den Erwartungen entspricht. Und sie machen in dieser Phase eine Zeitabschätzung für die Produktionsschritte, um später alles hochskalieren zu können. Von den rund zweitausend benötigten Modulen werden dann – während der tatsächlichen Produktionsphase – knapp die Hälfte am PSI zusammengesetzt. Die übrigen Module werden nach dem am PSI entwickelten Konzept von den anderen Teilnehmenden eines europaweiten Konsortiums erstellt. Alle gemeinsam werden sie zwei Jahre Zeit haben, um die zweitausend Module herzustellen.
«Heute Vormittag habe ich das Drahtbonden von einigen Modulen gemacht; an dieser Maschine.» Samalan deutet auf einen etwa menschengrossen Kasten in der Mitte des Labors. «Sie schreibt unsere einprogrammierten elektronischen Verbindungen auf das Modul – ein bisschen so, wie eine Nähmaschine mit Fäden arbeitet.»
Darauf folgt eine genaue visuelle Überprüfung: Nahaufnahmen jedes einzelnen Moduls werden am Bildschirm auf Fehler kontrolliert.
Anschliessend kommen jeweils acht Module zusammen in eine sogenannte Cold Box – die weisse Kiste, die Samalan nun bestückt. «Darin machen wir einen wichtigen Teil der Qualitätskontrolle: Wir können die Temperatur und Luftfeuchtigkeit in der Kiste genau kontrollieren und währenddessen testen, ob die Sensoren, die Auslesechips und die Pixel alle fehlerfrei sind», erklärt die Physikerin. Auch die Kalibrierung aller Detektorpixel und ihrer Kanäle führen die Forschenden in dieser Cold Box durch. Mehr als eine halbe Million Pixel hat jedes einzelne Modul. Mit einer Ortsauflösung von nur zehn mal fünfzehn Mikrometern werden sie Teilchenbahnen im CMS-Detektor genau nachverfolgen können.
Wir haben jetzt schon mehrere Generationen dieses Detektors mitentwickelt und kennen alle Schritte, vom Chipdesign über die Installation bis zur Auswertung der Daten.
Die Planung der übernächsten Generation
Einen Stock weiter oben im selben Gebäude hat sich Wolfram Erdmann gerade mit einigen Kollegen besprochen. Auch er ist Mitarbeiter in Caminadas Gruppe. Und er leitet das internationale Projekt zu Design, Planung und Bau des Tracker-Endkappen-Detektors. «Nach dem Upgrade wird das der flächenmässig grösste Teil des CMS-Pixeldetektors sein», sagt er mit leichtem Stolz.
Erdmann hält den Kontakt zu den anderen Forschungsgruppen des Konsortiums an den Universitäten Zürich, Hamburg, Helsinki in Finnland, Santander in Spanien, Vilnius in Litauen und Zagreb in Kroatien. «Hier am PSI entwickeln wir viele Bauteile und viele Prozesse, die an diesen anderen Orten dann dupliziert werden», so Erdmann. Die Cold Boxen beispielsweise.
Schon seit 1998 ist das PSI Mitglied des CMS-Experiments. «Das ist eine bedeutende Verpflichtung und es erfordert ausserordentliches Fachwissen», so Caminada. Der LHC als weltweit grösster und leistungsfähigster Beschleuniger ist für ihr Gebiet der Teilchenphysik essenziell. Die geographische Nähe ist da willkommen: «Es ist für uns durchaus praktisch, dass die Schweiz Gastgeberland des CERN ist», so Erdmann.
Auch an der Auswertung der Daten, die der CMS-Detektor liefert, ist Caminadas Forschungsgruppe beteiligt. «Wir haben jetzt schon mehrere Generationen dieses Detektors mitentwickelt und kennen die gesamte Kette der Schritte, vom Chipdesign über die Installation bis zur Auswertung der Daten», fasst Erdmann zusammen. «Das ist unter den beteiligten Institutionen schon aussergewöhnlich.»
Die Daten des Tracker-Endkappen-Detektors, dessen Produktion nun anläuft, werden voraussichtlich Anfang der 2030er-Jahre ausgewertet werden. In der Teilchenphysik wird über lange Zeiträume hinweg geplant. Entsprechend machen sich auch einige Forschende bereits Gedanken zum übernächsten Upgrade. «Tatsächlich habe ich vorhin mit den Kollegen genau darüber gesprochen», schmunzelt Erdmann. Vor allem in die Zeitauflösung des Detektors wollen die Forschenden dann investieren.
Dass Erdmann und weitere Forschende schon jetzt Ressourcen für diese Überlegungen bekommen, findet der Physiker nicht ungewöhnlich. Aus seiner langjährigen Erfahrung weiss er: «Sich Gedanken machen ist relativ einfach. Komplex wird es, das hinterher zu bauen.»
