Der CMS-Detektor wird seit Ende 2006 in einer 100 m tiefen unterirdischen Halle in Frankreich, in der Nähe der schweizerischen Stadt Genf, aufgebaut. Das nachfolgende Bild zeigt, wie eine der schweren Detektorkomponenten (Bildmitte) an Stahlseilen in die Halle heruntergelassen wird.

Mit diesem großen Detektor für Elementarteilchen werden ab 2008 die Kollisionen von zwei hochenergetischen Protonenstrahlen vermessen werden. Dann beginnt die spannende Suche nach neuen Elementarteilchen und bisher unbekannten Kräften. Die Protonen zirkulieren im neuen ringförmigen unterirdischen Teilchenbeschleuniger LHC, der mit Hilfe starker supraleitender Dipolmagnete die Protonen auf Kreisbahnen mit einem Umfang von 27 km zwingt, denn so groß ist der Beschleuniger! Einen Blick in den LHC-Tunnel zeigt das untenstehende Photo. Links im Vordergrund (blau) erkennt man einen Teil eines 15 m langen Diplomagneten, von denen insgesamt mehr als 1200 Stück eingesetzt werden.

Der Beschleuniger LHC ist das neue Flagschiff des Europäischen Labors für Teilchenphysik CERN, dem weltgrößten Zentrum dieser Art, an dem mehrere tausend Physiker und Physikerinnen aus 150 Ländern zusammenarbeiten. Der LHC - für Large Hadron Collider - beschleunigt Protonen, also Kerne von Wasserstoffatomen, auf eine Energie von 7000 GeV. Sie fliegen dann mit einer Geschwindigkeit von mehr als 99.9999 % der Lichtgeschwindigkeit, auch das ist Weltrekord.

Bei der Kollision zweier Protonen wird eine Energie von 14000 GeV frei, die nach Einsteins Gleichung E = mc² ausreichen würde, 15000 neue Protonen zu erzeugen. Bei den Zusammenstößen können verschiedene Teilchen entstehen, solche, die schon aus anderen Experimenten bekannt sind, aber vielleicht auch neue, schwere Teilchen, die an bisherigen Beschleunigern, die an die LHC-Energie bei weitem nicht heranreichen, nicht erzeugt werden konnten. Aufgrund theoretischer Überlegungen werden folgende zu entdeckende Teilchen favorisiert:

• Das Higgs-Teilchen, das vor 40 Jahren von dem britischen Physiker Peter Higgs postuliert wurde, um zu erklären, warum die Materiebausteine eine Masse (bzw. Gewicht) haben können. Bis heute konnte dieser fundamentale Baustein im Verständnis des Mikrokosmos experimentell nicht nachgewiesen werden.

Der 12500 Tonnen schwere CMS-Detektor wird die bei Proton-Proton-Kollsionen entstehenden Teilchen (jeweils einige hundert)nachweisen und genau vermessen und so nach neuer Physik fahnden. Der abgebildete Querschnitt durch den CMS-Detektor zeigt schematisch, wie im Kollisionspunkt im Zentrum entstehende Teilchen in den verschiedenen Lagen des Detektorsystems identifiziert und ihre Energien bestimmt werden können.

Herz des CMS-Experiments ist eine supraleitende Magnetspule mit einer Feldstärke von 4 Tesla (blauer Ring) der zusammen mit dem rot eingezeichneten Magneteisen dafür sorgt, dass die Bahn geladener Teilchen gekrümmt wird. Im Bild wird dies am Beispiel der Spur eines Myons (das sind gut bekannte Elementarteilchen, die als Komponente der kosmischen Höhenstrahlung unsere Körper dauernd durchfliegen) veranschaulicht. Die Flugbahn des Myons wird mit präzisen Spurdetektoren verfolgt, mit Silizium-Detektoren (hellbraun) im Inneren von CMS, mit gasgefüllten Myonkammern im Außenbereich (hellgrau). Aus der Bahnkrümmung kann man die Teilchenenergie, eine wesentliche Größe bei der Rekonstruktion der Proton-Proton-Wechselwirkung, berechnen. Einige Teilchen wie Elektronen werden im Kalorimeter (siehe Abbildung) absorbiert und geben dabei Licht ab, das zur Energiemessung dient. Das CMS-Kalorimeter besteht u.a. aus 80000 Bleiwolframat-Kristallen, die eine besonders hohe Messgenauigkeit erlauben.

Die wichtigsten Komponenten des CMS-Detektors konnten schon 2006 mit kosmischen Myonen erfolgreich getestet werden.

Um auch sehr seltene neue Teilchen aufspüren zu können, treffen die Protonstrahlen 40 Millionen mal pro Sekunde zusammen, und das über einen Zeitraum von mehreren Jahren. Entsprechend hoch ist die Informationsmenge, die der CMS-Detektor verarbeiten muss; selbst nach elektronischer Vorauswahl müssen pro Sekunde soviel Bytes abgespeichert werden, wie auf eine CD passen. Um aus den vielen - meist unspektakulär verlaufenden - Kollisionsereignissen die interessanten herauszufischen (etwa solche mit einem Higgs), benötigt man weltweit mehr als 10000 Computer.

Die deutschen CMS-Forschergruppen haben wesentliche Beiträge zu Entwicklung und Konstruktion der Spurdetektoren (Silizium-Streifendetektoren und gasgefüllte Driftkammern) geleistet. Der Silizium-Streifendektor ist mit einer aktiven Fläche von 210 m² der mit Abstand größte Detektor seiner Art. Er besteht aus feinen, im Abstand von typisch 0.05 mm angeordneten Siliziumstreifen. Er kann Spurpunkte durchfliegender Teilchen mit einer absoluten Genauigkeit von 0.02 mm (weniger als Haardicke!) rekonstruieren. Das Photo zeigt einen fertiggestellten Teil des Siliziumdetektors in einem Labor der RWTH Aachen vor dem Transport zum CERN.

Die Myon-Driftkammern müssen eine Fläche von insgesamt 18000 m² abdecken, das entpricht zwei bis drei Fußballplätzen. Myonen ionisieren das Gas in den Kammern und lösen so ein elektrisches Signal aus. Hier wird eine Ortsauflösung von 0.2 mm erreicht. In der Abbildung sieht man 10 aluminiumfarbene Myonkammern nach der Installation im roten CMS-Magneteisen.

Die deutschen CMS-Physiker arbeiten intensiv an der Vorbereitung der Datenalyse, um vielleicht schon im Jahr 2008 eine erste Entdeckung machen zu können. Die jetztigen Arbeiten umfassen sowohl den Aufbau einer adäquaten Computing-Infrastruktur als auch detaillierte Simulations-Studien, z.B. zur Identifizierung und Vermessung von SUSY-Teilchen.

Weitere Informationen findet man auf den Web-Seiten der internationalen CMS-Kollaboration und auf den Homepages der beteiligten deutschen Institute.