Inhalt | Einleitung | theoretische Grundlagen | Das Institut DESY | Vergleich mit CERN | Anhang
Als Europa noch unter den Folgen des 2. Weltkrieges litt, kam unter einigen Physikern
der Gedanke auf, Europa durch ein gro�es Forschungsinstitut wieder an die
wissenschaftliche Weltspitze zur�ckzuf�hren. Da ein solches Institut jedoch die Mittel
eines einzelnen Staates weit �berstieg, unterzeichneten 1954 12 Staaten die �bereinkunft
�ber den "Conseil Europ�en pour la Recherche Nucl�aire", kurz CERN, an der
franz�sisch-schweizerischen Grenze (das Gel�nde erstreckt sich teilweise auf
franz�sisches Staatsgebiet) unmittelbar im Westen der Stadt Genf. Erst vor kurzem (Herbst
1995) lie� CERN durch die erstmalige Erzeugung von 9 Anti-Wasserstoffatomen aufhorchen,
die man produziert hatte, indem man einen Antiprotonenstrahl beim
Niederenergie-Protonen-Ring LEAR durch Xenon leitete. Diese Antiatome konnten jedoch nur
knappe 4�10E-8 Sekunden existieren [SN96a].
Die erste gro�e Maschine CERNs war das 1959 fertiggestellte 25 GeV-Protonensynchrotron
(PS), welches noch heute als Vorbeschleuniger f�r die gro�en Ringe fungiert. 1971 ging
der Protonen-Speicherring ISR in Betrieb, 1981 das Super-Protonen-Synchrotron SPS mit
einem Umfang von 7 km und einer Energie von 450 GeV, wo man 1983/84 die W- und Z-Teilchen
entdeckte, was C. Rubbia und S. van der Meer den Nobelpreis einbrachte, und au�erdem die
elektroschwache Theorie untermauerte. Im SPS werden heute nicht nur Protonen, sondern auch
Bleikerne, Elektronen und Positronen f�r den LEP und sp�ter LHC vorbeschleunigt.
Der mit einem Umfang von 26,7 km weltweit gr��te Speicherring ist der seit
1989 in Betrieb befindliche Elektron-Positron-Collider LEP (Large
Electron-Positron-Collider) (s. Abbildung 42). Im Zuge des Umbaus zu LEP II wird die
urspr�ngliche Energie von 2 x 46 GeV auf 2 x 90 GeV verdoppelt. Die 8 Bunches, die sich
alle 11 ms durchdringen, f�hrten 1994 zu einer Luminosit�t von 2,4�10E31 1/cm�s, was
bereits dem doppelten Designwert entsprach und eine integrierte Luminosit�t von 64,5 1/pb
bedeutete. Mit den 4 bei LEP aufgestellten Experimenten (ALEPH, DELPHI, L3 und OPAL) kann
in �u�erst pr�zisen Messungen (selbst die Einfahrt des TGV in den Genfer Bahnhof wirkt
sich st�rend aus [SN95b]) das Standardmodell (s. 2.2.3) mit einer Genauigkeit im
‰-Bereich (‰) �berpr�ft werden. Es werden bei LEP haupts�chlich Z0-Zerf�lle
untersucht, aber auch angeregte Zust�nde von B-Mesonen (z.B. B**). Zur Zeit konzentriert
man sich auf die Suche nach den (momentan noch hypothetischen) Higgs-Bosonen, welche f�r
die Masse von Teilchen verantwortlich sind, und auf die Bestimmung einer oberen
Massegrenze (momentan etwa 24 MeV) f�r Tau-Neutrinos.
Alle Ergebnisse deuten darauf hin, da� bei etwa 1 TeV neue Teilchen, vor allem die
Higgs-Bosonen und supersymmetrische Teilchen, auftreten. Aus diesem Grund befindet sich
der LHC (Large Hadron-Collider) im LEP-Tunnel in Bau. Dieser LHC soll nach seiner
Fertigstellung im Jahr 2004 als Proton-Proton-Collider mit einer Luminosit�t von 10E34
1/cm�s in einer ersten Phase Energien von bis zu 4,6 TeV pro Strahl, ab 2008 8 TeV pro
Protonenstrahl erreichen und auch schwere Ionen wie Blei mit einer Gesamtenergie von 1250
TeV zur Kollision bringen, etwa 30 mal mehr Energie als der ebenfalls noch in Bau
befindliche RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) im Brookhaven National Laboratory
erreicht. Zus�tzlich soll LHC mit LEP gekoppelt werden k�nnen und so auch als
Elektron-Proton-Speicherring mit einer Schwerpunktsenergie von 1,5 TeV dienen, f�nfmal
mehr als mit HERA (320 GeV) erreicht wird. F�r solch gewaltige Energien werden auch
dementsprechend hohe Magnetfelder von 8,36 Tesla f�r die Ablenkung der Protonen
ben�tigt, die nur durch Supraleitung erreicht werden k�nnen. Bei LHC sind zur Zeit 3
Experimente geplant: ATLAS und CMS sollen mit �u�erst genauen Energiemessungen in einem
gro�en Energiebereich zur Entdeckung der Higgs-Bosonen und supersymmetrischer Teilchen
beitragen, bei ALICE, einem Detektor f�r Schwerionenkollisionen hofft man, sogenannte
Glueballs, bestehend aus einem Quark-Gluon-Plasma, zu entdecken. Au�erdem soll die
CP-Verletzung in B-Systemen untersucht werden [CE95]. Eine Besonderheit des LHC ist die
Tatsache, da� die beiden Teilchenstrahlen zwar in verschiedenen Vakuumr�hren, jedoch aus
Energie-Ersparnisgr�nden in den gleichen Magneten gef�hrt werden. Die Baukosten werden
etwa 2.500 Mio. Schweizer Franken betragen, was - inflationsbereinigt - auch die Baukosten
f�r LEP oder das SPS waren.
Zur Zeit bietet CERN als weltgr��tes Forschungszentrum fast der H�lfte aller
Teilchenphysiker der Welt Forschungsm�glichkeiten, wobei auch Nichtmitgliedsstaaten
Forschungen durchf�hren k�nnen. Die Ergebnisse werden in Fachzeitschriften oder
Sitzungen ver�ffentlicht und sind immer frei zug�nglich. Bis heute hat sich die Zahl der
Mitgliedsstaaten auf 19 erh�ht (Reihenfolge nach ihren Beitragszahlungen): Deutschland,
Frankreich, Gro�britannien, Italien, Spanien, Niederlande, Schweiz, Belgien, �sterreich,
Schweden, D�nemark, Norwegen, Portugal, Finnland, Griechenland, Ungarn, Polen, Tschechien
und die Slowakei. Deutschland tr�gt dabei etwa ein Viertel des Jahreshaushalts von 918,7
Mio. SfR.
Oberstes Entscheidungsgremium ist der CERN-Rat, in dem jedes Mitgliedsland durch einen
Regierungsvertreter und einen wissenschaftlichen Delegierten vertreten ist. Die
Entscheidungen werden mehrheitlich gef�llt, allerdings wird meist eine einstimmige
Entscheidung gesucht. Unterst�tzt wird der Rat vom Wissenschafts- und vom
Finanzausschu�. Der Generaldirektor, zur Zeit Christopher Llewllyn Smith, leitet das
Labor und ist bevollm�chtigt, im Namen der Organisation zu handeln.
Das Europ�ische Komitee f�r zuk�nftige Beschleuniger (ECFA) wurde 1963 gegr�ndet und
wirkt als unabh�ngiges Kommunikationsforum, in dem europ�ische Forschungsprogramme
gepr�ft und bewertet werden. Auch der Bau von HERA wurde aufgrund der positiven
Empfehlung des ECFA genehmigt.
Was CERN f�r die Physiker so interessant macht, ist das Vorhandensein aller
verschiedenen Teilchenstrahlen. Protonen-, Antiprotonen- und Schwerionenstrahlen stehen
auch heute noch im SPS zur Verf�gung, h�chstenergetische Elektronen- und
Positronstrahlen bei LEP. Nach der Fertigstellung des LHC k�nnen bei CERN alle Arten von
Teilchenkollisionen mit der jeweils weltweit h�chsten Energie durchgef�hrt werden.
(aus [CE93, CE95, CERN, SN95, SN95b])
Der wesentlichste Unterschied zwischen DESY und CERN ist jener, da� DESY als
nationales Forschungszentrum Deutschlands arbeitet, w�hrend CERN als internationale
Kooperation von 19 europ�ischen L�ndern gegr�ndet wurde. So besitzt CERN mit 918,7 Mio.
SFr ein weitaus h�heres Budget als es bei DESY mit 235 Mio. DM der Fall ist.
Im Gr��envergleich kann DESY nat�rlich nicht neben dem weltgr��ten
Teilchenforschungsinstitut bestehen. W�hrend bei DESY etwa 700 Wissenschaftler arbeiten,
betr�gt deren Zahl bei CERN ungef�hr 6000. Zur Zeit ist DESY allerdings eine wertvolle
Erg�nzung zu CERN auf europ�ischen Boden, da mit HERA der bis zur Fertigstellung des LHC
weltweit einzige Elektron-Proton-Speicherring der Welt zur Verf�gung steht.
Als Gemeinsamkeit sei zu erw�hnen, da� die beiden europ�ischen
Hochenergieinstitute in ihren jeweiligen Forschungsbereichen weltweit f�hrend sind. CERN
besitzt den LEP, welcher mit Energien von (zur Zeit) 2 x 70 GeV bei e-e+Kollisionen
unerreicht ist, w�hrend HERA bei DESY den einzigen Elektron-Proton-Collider der Welt
darstellt. Lediglich bei Protonenkollisionen ist das Tevatron am Fermilab (Chicago) der
Ring mit der h�chsten Energie von 2 x 1 TeV. Diese Stellung wird es jedoch mit der
Fertigstellung des LHC an CERN abgeben.
Au�erdem bieten sowohl DESY als auch CERN neben Ausbildungsst�tten f�r diverse
technische Lehrberufe auch Studenten und Jungphysikern die M�glichkeit zu Forschungen.
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aus: Mit HERA und ZEUS durch die G�tterwelt der Teilchenphysik Moderne Beschleuniger- und Detektortechnik am Beispiel des Deutschen Elektronen-Synchrotrons |
Fachbereichsarbeit aus Physik, vorgelegt von: Reinhold Kainhofer, Februar 1996