Large Hadron Collider

Large Hadron Collider
Abschnitt des Large Hadron Collider
Abkürzung	LHC
Deutsch	Grosser Hadronen-Speicherring
Typ	Teilchenbeschleuniger und Speicherring
Betreiber	CERN
Standort	Grenzgebiet zwischen der Schweiz und Frankreich bei Genf
Umfang	26'659 m
Tiefe	ungefähr 50 bis 175 m
Beschleunigte Teilchen	Protonen und schwere Ionen
Höchste bisherige Proton-Proton-Kollisionsenergie	13,6 TeV
Anzahl Hauptexperimente	vier
Baubeginn	1998
Erste Strahlzirkulation	10. September 2008
Erste Hochenergiekollisionen	30. März 2010
Betriebsstatus	Langzeitstillstand und Umbau zum High-Luminosity LHC
Website	home.cern

Der Large Hadron Collider (LHC; deutsch etwa Grosser Hadronen-Speicherring) ist ein ringförmiger Teilchenbeschleuniger des europäischen Kernforschungszentrums CERN im Grenzgebiet zwischen der Schweiz und Frankreich bei Genf. Mit einem Umfang von 26'659 Metern ist er der grösste und leistungsfähigste Teilchenbeschleuniger der Welt. Der unterirdische Ring verläuft in einer Tiefe von ungefähr 50 bis 175 Metern und befindet sich grösstenteils auf französischem Gebiet.

Im LHC werden zwei gegenläufige Strahlen aus Protonen oder schweren Atomkernen nahezu auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und an mehreren Punkten zur Kollision gebracht. Die dabei entstehenden Teilchen werden von grossen Detektoren erfasst. Aus den Messdaten untersuchen Physikerinnen und Physiker die grundlegenden Bausteine der Materie, die zwischen ihnen wirkenden Kräfte sowie Bedingungen, wie sie kurz nach dem Urknall geherrscht haben.

Zu den wichtigsten wissenschaftlichen Ergebnissen gehört die Entdeckung des Higgs-Bosons durch die Experimente ATLAS und CMS, die am 4. Juli 2012 bekannt gegeben wurde. Der experimentelle Nachweis bestätigte den Brout-Englert-Higgs-Mechanismus, durch den Elementarteilchen im Standardmodell der Teilchenphysik ihre Masse erhalten.

Nach dem Abschluss der dritten Betriebsperiode endeten die letzten Kollisionen für physikalische Messungen am 14. Juni 2026. Seither wird die Anlage während eines mehrjährigen Langzeitstillstands zum leistungsfähigeren High-Luminosity Large Hadron Collider umgebaut. Der Beginn des nächsten regulären Messbetriebs ist für 2030 vorgesehen.

Bezeichnung

Der englische Name Large Hadron Collider bedeutet wörtlich «Grosser Hadronen-Kollidierer». Im deutschsprachigen Raum wird fast ausschliesslich die englische Bezeichnung oder die Abkürzung LHC verwendet.

Als Hadronen werden Teilchen bezeichnet, die aus Quarks zusammengesetzt sind und der starken Wechselwirkung unterliegen. Dazu gehören Protonen, Neutronen und zahlreiche kurzlebige Teilchen. Im normalen Protonenbetrieb beschleunigt der LHC Protonen, die jeweils aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark bestehen.

Der Ausdruck Collider weist darauf hin, dass zwei Teilchenstrahlen in entgegengesetzter Richtung umlaufen und gezielt miteinander zur Kollision gebracht werden. Dies unterscheidet den LHC von Beschleunigern, bei denen ein Teilchenstrahl auf ein unbewegliches Ziel trifft.

Standort

Der LHC befindet sich in einem kreisförmigen Tunnel im Genfer Becken. Der Ring verläuft unter Teilen des französischen Départements Ain und unter dem westlichen Gebiet des Kantons Genf. Nur ein kleinerer Abschnitt liegt unter Schweizer Boden.

Der CERN-Hauptsitz befindet sich in Meyrin bei Genf. Weitere oberirdische Anlagen liegen unter anderem bei Prévessin-Moëns, Saint-Genis-Pouilly, Cessy und Ferney-Voltaire in Frankreich.

Der Beschleunigertunnel liegt nicht überall in derselben Tiefe. Wegen der geologischen und topografischen Verhältnisse befindet er sich ungefähr 50 bis 175 Meter unter der Erdoberfläche. Der Ring ist leicht geneigt, da er beim Bau an die örtlichen Gesteinsschichten angepasst wurde.

An acht Stellen führen Schächte von der Oberfläche zum Tunnel. Bei vier dieser Punkte befinden sich die grossen Teilchendetektoren ALICE, ATLAS, CMS und LHCb.

Vorgeschichte

Bereits in den frühen 1980er Jahren begannen Forschende bei CERN, über einen neuen Protonenbeschleuniger nachzudenken. Zu diesem Zeitpunkt war der Vorgänger des LHC, der Large Electron-Positron Collider (LEP), noch nicht fertiggestellt.

Der LEP wurde von 1989 bis 2000 betrieben. Er beschleunigte Elektronen und ihre Antiteilchen, die Positronen, im heutigen LHC-Tunnel. Da Elektronen vergleichsweise leichte Teilchen sind, verlieren sie bei der Ablenkung in einem ringförmigen Beschleuniger viel Energie durch Synchrotronstrahlung.

Protonen sind rund 2000-mal schwerer als Elektronen. Sie können deshalb in demselben Ring auf wesentlich höhere Energien beschleunigt werden. Der vorhandene Tunnel bot somit günstige Voraussetzungen für eine neue Generation von Proton-Proton-Kollisionen.

Im Dezember 1994 genehmigte der CERN-Rat den Bau des LHC. Der technische Entwurfsbericht erschien im Oktober 1995. Beiträge von CERN-Mitgliedstaaten sowie von Staaten wie den Vereinigten Staaten, Japan, Indien, Kanada und Russland ermöglichten eine beschleunigte Umsetzung des Projekts.

Zwischen 1996 und 1998 wurden die vier grossen Experimente ALICE, ATLAS, CMS und LHCb genehmigt. Nach der Stilllegung des LEP im Jahr 2000 begann dessen Demontage. Anschliessend wurden die neuen Magnete, Strahlrohre, Kühlsysteme und weiteren Komponenten des LHC eingebaut.

Bau

Der eigentliche Bau und die Montage des LHC dauerten von den späten 1990er Jahren bis 2008. Ein grosser Teil der bestehenden Tunnelinfrastruktur des LEP konnte wiederverwendet werden. Die deutlich schwereren und technisch anspruchsvolleren Komponenten des Protonenbeschleunigers erforderten jedoch umfangreiche Umbauten.

Für die Experimente mussten zusätzliche unterirdische Kavernen ausgebrochen werden. Besonders gross sind die Hallen für ATLAS und CMS. Die Detektoren wurden teilweise in Einzelteilen über senkrechte Schächte in die Tiefe gebracht und dort zusammengesetzt.

An der Konstruktion waren Forschungsinstitute, Universitäten und Industrieunternehmen aus zahlreichen Ländern beteiligt. Verschiedene Komponenten wurden in den Mitgliedstaaten hergestellt, geprüft und anschliessend nach CERN geliefert.

Die Baukosten für die Beschleunigermaschine, die zugehörigen Bereiche und die CERN-Beiträge zu den Experimenten und zur Datenverarbeitung beliefen sich nach Angaben von CERN auf rund 4,33 Milliarden Schweizer Franken. Die Gesamtkosten aller LHC-Detektoren betrugen zusätzlich ungefähr 1,5 Milliarden Franken, wobei die Experimente durch internationale Kooperationen eigenständig finanziert wurden.

Aufbau

Ring und Strahlrohre

Der LHC besitzt zwei getrennte Strahlrohre, die innerhalb eines gemeinsamen Magnetsystems verlaufen. In jedem Rohr bewegt sich ein Teilchenstrahl in entgegengesetzter Richtung.

Die Rohre kreuzen sich an den vier grossen Experimenten. Dort werden die Strahlen mit speziellen Magneten so fokussiert, dass die Teilchenpakete aufeinander treffen.

Die Protonen bewegen sich nicht als ununterbrochener Strom, sondern in kompakten Paketen. In jedem Paket können sich mehr als hundert Milliarden Protonen befinden. Im regulären Betrieb umlaufen zahlreiche solcher Pakete gleichzeitig den Ring.

Ein Proton benötigt nur ungefähr 89 Mikrosekunden für eine vollständige Runde. Es durchläuft den 27 Kilometer langen Ring somit mehr als 11'000-mal pro Sekunde.

Supraleitende Magnete

Zur Führung und Fokussierung der Strahlen verwendet der LHC rund 9000 supraleitende Magnete. Die wichtigsten davon sind 1232 Dipolmagnete, welche die Protonen auf ihrer Kreisbahn halten.

Jeder Hauptdipol ist etwa 15 Meter lang und wiegt ungefähr 35 Tonnen. Im Betrieb erzeugen die Magnete ein Magnetfeld von mehr als acht Tesla.

Neben den Dipolen besitzt der Beschleuniger Quadrupol-, Sextupol- und weitere Korrekturmagnete. Quadrupolmagnete bündeln die Teilchenstrahlen, während andere Magnettypen kleine Abweichungen korrigieren und die Stabilität der Strahlen verbessern.

Die beiden gegenläufigen Strahlen benötigen entgegengesetzte Magnetfelder. Die Hauptdipole verwenden deshalb eine besondere Zwei-in-einem-Konstruktion, bei der zwei Magnetöffnungen in einem gemeinsamen Eisenjoch und Kryostaten untergebracht sind.

Kühlsystem

Die Magnete des LHC arbeiten im supraleitenden Zustand. Dafür müssen sie auf ungefähr 1,9 Kelvin beziehungsweise −271,3 Grad Celsius gekühlt werden. Diese Temperatur liegt unter der mittleren Temperatur des Weltraums.

Als Kühlmittel dient suprafluides Helium. In diesem Zustand besitzt Helium aussergewöhnlich gute Wärmeleitungseigenschaften und kann Wärme besonders schnell abführen.

Das Kühlsystem des LHC gilt als eine der grössten kryogenen Anlagen der Welt. Es kühlt rund 23 Kilometer des Beschleunigerrings. Für das Abkühlen der Magnete und den stabilen Betrieb werden grosse Mengen Helium und komplexe Kompressoranlagen benötigt.

= Vakuum

Die Protonen bewegen sich in Strahlrohren mit einem extrem hohen Vakuum. Dadurch sollen Zusammenstösse mit Luftmolekülen verhindert werden, welche die Strahlen stören oder Teilchen aus den Paketen entfernen könnten.

Der Druck in den Strahlrohren kann bis auf ungefähr 10 hoch −13 Bar sinken. Damit ist er um viele Grössenordnungen geringer als der atmosphärische Druck an der Erdoberfläche und vergleichbar mit den Bedingungen im interplanetaren Raum.

Neben dem Strahlvakuum existieren weitere Vakuumsysteme zur thermischen Isolation der kalten Magnete.

Hochfrequenzkavitäten

Die eigentliche Beschleunigung der Protonen erfolgt durch supraleitende Hochfrequenzkavitäten. Jeder der beiden Strahlen durchläuft acht solcher Resonatoren.

Die Kavitäten arbeiten mit einer Frequenz von 400 Megahertz und liefern pro Durchgang eine Spannung von jeweils ungefähr zwei Megavolt. Sie erhöhen die Energie der Teilchen bei jeder Runde geringfügig und halten die Protonen gleichzeitig in geordneten Paketen zusammen.

Nach der Injektion dauert es ungefähr 20 Minuten, bis die Protonen ihre vorgesehene Betriebsenergie erreicht haben. Anschliessend werden die Strahlen für die Kollisionen vorbereitet und an den Experimenten fokussiert.

Beschleunigerkette

Die Protonen entstehen aus Wasserstoffgas. Elektronen werden von den Wasserstoffatomen entfernt, sodass einzelne Protonen zurückbleiben.

Bevor die Teilchen den LHC erreichen, werden sie durch mehrere kleinere Beschleuniger geleitet. Die Beschleunigerkette besteht im Protonenbetrieb im Wesentlichen aus:

• dem Linearbeschleuniger Linac4;
• dem Proton Synchrotron Booster;
• dem Proton Synchrotron;
• dem Super Proton Synchrotron;
• dem Large Hadron Collider.

Jede Anlage erhöht die Energie des Strahls und formt die Teilchenpakete weiter. Das Super Proton Synchrotron übergibt die Protonen schliesslich mit einer Energie von 450 GeV an den LHC.

Auch schwere Ionen durchlaufen eine mehrstufige Beschleunigerkette. Für Bleiionen beginnt sie mit dem Linearbeschleuniger Linac3 und schliesst weitere Anlagen wie den Low Energy Ion Ring ein.

Betrieb

Im LHC zirkulieren die beiden Strahlen in entgegengesetzten Richtungen. Nachdem sie ihre Zielenergie erreicht haben, werden sie an den Wechselwirkungspunkten zur Kollision gebracht.

Eine Betriebsphase mit stabilen Strahlen kann etwa zehn bis fünfzehn Stunden dauern. Die Zahl der Protonen in den Paketen nimmt im Laufe der Zeit durch Kollisionen und andere Verluste ab. Ist die Intensität zu gering, werden die verbleibenden Strahlen kontrolliert aus dem Ring entfernt.

Die gespeicherte Energie eines vollständigen Protonenstrahls ist sehr hoch. Eine unkontrollierte Freisetzung könnte Komponenten des Beschleunigers beschädigen. Der LHC verfügt deshalb über ein aufwendiges Schutz- und Strahlabwurfsystem.

Beim Strahlabwurf werden die Protonen mit schnellen Magneten aus dem Ring gelenkt und in spezielle Absorber geführt. Diese bestehen aus Materialien, welche die Energie der Teilchen aufnehmen können.

Energie und Luminosität

Die Energie eines Teilchenbeschleunigers wird üblicherweise in Elektronenvolt angegeben. Ein Teraelektronenvolt, abgekürzt TeV, entspricht einer Billion Elektronenvolt.

Während der dritten Betriebsperiode erreichte jeder Protonenstrahl eine Energie von 6,8 TeV. Bei frontalen Kollisionen ergab sich damit eine Schwerpunktsenergie von 13,6 TeV. Dies war die höchste jemals in einem Labor erreichte Kollisionsenergie.

Bei Kollisionen schwerer Ionen wird die Energie pro kollidierendem Nukleonenpaar angegeben. Für Blei-Blei-Kollisionen erreichte der LHC eine Energie von 5,36 TeV pro Nukleonenpaar.

Neben der Energie ist die Luminosität eine zentrale Grösse. Sie beschreibt, wie viele Kollisionen pro Zeit und Fläche stattfinden. Eine höhere Luminosität erhöht die Wahrscheinlichkeit, seltene physikalische Vorgänge zu beobachten.

Die integrierte Luminosität gibt die Gesamtmenge der über einen längeren Zeitraum erzeugten Kollisionen an. Sie wird häufig in inversen Femtobarn angegeben.

Bis zum Ende der dritten Betriebsperiode lieferte der LHC den Experimenten ATLAS und CMS jeweils eine integrierte Luminosität von rund 540 inversen Femtobarn. Dies entsprach ungefähr 54 Billiarden Proton-Proton-Kollisionen pro Experiment.

Experimente

Die vier grossen LHC-Experimente befinden sich an verschiedenen Wechselwirkungspunkten des Rings. Jedes Experiment besteht aus einem komplexen Detektor und einer internationalen Forschungskooperation.

Experiment	Standort	Hauptaufgabe
ATLAS	Meyrin, Schweiz	Allgemeine Untersuchung von Elementarteilchen und Suche nach neuer Physik
CMS	Cessy, Frankreich	Allgemeine Untersuchung von Elementarteilchen und unabhängige Überprüfung von ATLAS-Ergebnissen
ALICE	Saint-Genis-Pouilly, Frankreich	Untersuchung von Schwerionenkollisionen und Quark-Gluon-Plasma
LHCb	Ferney-Voltaire, Frankreich	Untersuchung von Materie-Antimaterie-Unterschieden und Teilchen mit Beauty-Quarks

Daneben existieren kleinere Experimente wie TOTEM, LHCf, MoEDAL und FASER. Sie nutzen Teilchen aus den LHC-Kollisionen oder befinden sich in der Nähe der grossen Detektoren.

ATLAS

ATLAS ist einer der beiden grossen Universalteilchendetektoren des LHC. Sein Name steht für A Toroidal LHC ApparatuS.

Der Detektor ist etwa 46 Meter lang, 25 Meter hoch und besitzt eine Masse von ungefähr 7000 Tonnen. Er besteht aus mehreren konzentrisch angeordneten Detektorschichten.

Nahe am Kollisionspunkt messen Siliziumdetektoren die Bahnen elektrisch geladener Teilchen. Kalorimeter bestimmen deren Energie, während äussere Detektoren insbesondere Myonen nachweisen.

ATLAS untersucht ein breites Spektrum physikalischer Fragen. Dazu gehören Eigenschaften des Higgs-Bosons, Messungen des Standardmodells, Suchen nach Dunkler Materie, zusätzlichen Raumdimensionen, supersymmetrischen Teilchen und anderen bislang unbekannten Phänomenen.

ATLAS und CMS verfolgen viele ähnliche wissenschaftliche Ziele, verwenden jedoch unterschiedliche technische Lösungen. Dadurch können wichtige Ergebnisse unabhängig voneinander bestätigt werden.

CMS

CMS steht für Compact Muon Solenoid. Der Detektor befindet sich in einer unterirdischen Kaverne bei Cessy in Frankreich.

Mit einer Länge von etwa 21 Metern, einem Durchmesser von ungefähr 15 Metern und einer Masse von rund 14'000 Tonnen ist CMS kompakter, aber deutlich schwerer als ATLAS.

Im Zentrum befindet sich ein leistungsfähiger supraleitender Solenoidmagnet. Er erzeugt ein Magnetfeld von etwa vier Tesla und krümmt die Bahnen geladener Teilchen.

CMS wurde in 15 grossen Abschnitten an der Oberfläche montiert. Die einzelnen Teile wurden anschliessend durch einen Schacht in die Kaverne abgesenkt und unterirdisch zusammengebaut.

Wie ATLAS ist CMS ein Universalexperiment. Die beiden Kooperationen gaben am 4. Juli 2012 gemeinsam die Beobachtung eines neuen Teilchens bekannt, das später als Higgs-Boson bestätigt wurde.

ALICE

ALICE ist die Abkürzung für A Large Ion Collider Experiment. Das Experiment ist auf die Untersuchung von Kollisionen schwerer Atomkerne spezialisiert.

Bei Blei-Blei-Kollisionen entstehen für extrem kurze Zeit Temperaturen, die mehr als 100'000-mal höher als im Zentrum der Sonne sein können. Unter diesen Bedingungen bildet sich ein Zustand der Materie, der als Quark-Gluon-Plasma bezeichnet wird.

Im Quark-Gluon-Plasma sind Quarks und Gluonen nicht dauerhaft in Protonen, Neutronen und anderen Hadronen eingeschlossen. Ein ähnlicher Materiezustand dürfte wenige Millionstelsekunden nach dem Urknall das Universum erfüllt haben.

Der ALICE-Detektor ist etwa 26 Meter lang, 16 Meter hoch und wiegt ungefähr 10'000 Tonnen. Er befindet sich 56 Meter unter der Erde bei Saint-Genis-Pouilly.

LHCb

LHCb steht für Large Hadron Collider beauty. Das Experiment untersucht insbesondere Teilchen, die Beauty-Quarks, auch Bottom-Quarks genannt, enthalten.

Ein zentrales Forschungsziel ist die Frage, weshalb das sichtbare Universum fast vollständig aus Materie besteht, obwohl beim Urknall vermutlich annähernd gleiche Mengen Materie und Antimaterie entstanden.

LHCb misst geringe Unterschiede im Verhalten von Teilchen und Antiteilchen. Solche Unterschiede werden als CP-Verletzung bezeichnet.

Anders als ATLAS, CMS und ALICE umschliesst LHCb den Kollisionspunkt nicht vollständig. Der Detektor ist als nach vorne gerichtetes Spektrometer aufgebaut, da viele untersuchte Teilchen in einem engen Winkel entlang der Strahlrichtung entstehen.

Die Anlage ist ungefähr 21 Meter lang und 5600 Tonnen schwer. Sie befindet sich rund 100 Meter unter der Erde nahe Ferney-Voltaire.

Datenverarbeitung

Die LHC-Experimente erzeugen bei den Kollisionen enorme Datenmengen. Es ist technisch nicht möglich und wissenschaftlich nicht sinnvoll, sämtliche Messsignale dauerhaft zu speichern.

Mehrstufige Auswahlsysteme, sogenannte Trigger, entscheiden innerhalb kürzester Zeit, welche Ereignisse besonders interessant sein könnten. Der grösste Teil der Kollisionen wird verworfen, während ausgewählte Ereignisse zur späteren Analyse gespeichert werden.

Die Verarbeitung erfolgt über das Worldwide LHC Computing Grid. Dieses internationale Rechnernetz verbindet Rechenzentren, Universitäten und Forschungsinstitute in zahlreichen Ländern.

Das CERN-Rechenzentrum bildet einen wichtigen Knoten. Kopien der Daten werden jedoch weltweit verteilt, damit tausende Forschende gleichzeitig Analysen durchführen können.

Für die Auswertung werden komplexe Simulations- und Statistikverfahren eingesetzt. Künstliche neuronale Netze und andere Methoden des maschinellen Lernens spielen dabei eine zunehmend wichtige Rolle.

Wissenschaftliche Ziele

Der LHC wurde gebaut, um grundlegende offene Fragen der Teilchenphysik zu untersuchen. Dazu gehören:

• der Ursprung der Masse von Elementarteilchen;
• die Eigenschaften des Higgs-Bosons;
• die mögliche Existenz bislang unbekannter Teilchen;
• die Natur der Dunklen Materie;
• Unterschiede zwischen Materie und Antimaterie;
• die Struktur von Protonen und Atomkernen;
• Eigenschaften des Quark-Gluon-Plasmas;
• mögliche zusätzliche Raumdimensionen;
• Hinweise auf eine Physik jenseits des Standardmodells.

Das Standardmodell beschreibt die bekannten Elementarteilchen und drei der vier fundamentalen Wechselwirkungen mit hoher Genauigkeit. Es erklärt jedoch weder die Dunkle Materie noch die Dunkle Energie, die Gravitation oder die beobachtete Dominanz von Materie gegenüber Antimaterie.

Der LHC dient deshalb sowohl der präzisen Überprüfung bekannter Theorien als auch der Suche nach Abweichungen, die auf neue physikalische Prinzipien hinweisen könnten.

Entdeckung des Higgs-Bosons

Der Higgs-Mechanismus wurde 1964 von mehreren theoretischen Physikern vorgeschlagen, darunter Robert Brout, François Englert und Peter Higgs.

Nach dieser Theorie erfüllt ein Higgs-Feld den gesamten Raum. Elementarteilchen erhalten Masse durch ihre Wechselwirkung mit diesem Feld. Das Higgs-Boson ist eine messbare Anregung des Feldes.

ATLAS und CMS analysierten Daten aus den Jahren 2011 und 2012. Beide Experimente beobachteten unabhängig voneinander ein neues Teilchen mit einer Masse von ungefähr 125 GeV.

Am 4. Juli 2012 gaben die beiden Kooperationen ihre Ergebnisse bei CERN bekannt. Die statistische Signifikanz entsprach dem in der Teilchenphysik üblichen Schwellenwert für eine Entdeckung.

Weitere Messungen bestätigten, dass das Teilchen den erwarteten Eigenschaften eines Higgs-Bosons entspricht. François Englert und Peter Higgs erhielten 2013 den Nobelpreis für Physik für die theoretische Entdeckung des Mechanismus.

Die Entdeckung war nicht das Ende der Higgs-Forschung. Seither werden Masse, Spin, Lebensdauer und Wechselwirkungen des Bosons immer genauer untersucht.

Weitere Ergebnisse

Die LHC-Experimente veröffentlichten tausende wissenschaftliche Arbeiten. Neben der Higgs-Physik lieferten sie besonders genaue Messungen zahlreicher Prozesse des Standardmodells.

LHCb und andere Experimente entdeckten mehr als 85 zuvor unbekannte Hadronen. Dazu gehören Teilchen mit ungewöhnlichen Kombinationen aus vier oder fünf Quarks, die als Tetraquarks und Pentaquarks bezeichnet werden.

ALICE untersuchte die Eigenschaften des Quark-Gluon-Plasmas. Die Messungen zeigten, dass sich dieser Zustand nicht wie ein dünnes Gas, sondern eher wie eine nahezu perfekte Flüssigkeit verhält.

ATLAS und CMS suchten nach supersymmetrischen Teilchen, mikroskopischen schwarzen Löchern, zusätzlichen schweren Bosonen, Dunkler Materie und weiteren hypothetischen Erscheinungen. Bis zum Ende der dritten Betriebsperiode wurde kein eindeutiger Nachweis einer Physik jenseits des Standardmodells gefunden.

Die negativen Suchergebnisse sind dennoch wissenschaftlich bedeutsam, weil sie den möglichen Bereich neuer Theorien einschränken.

Betriebsperioden

Der Betrieb des LHC wird in mehrjährige Messperioden, sogenannte Runs, und längere Wartungsphasen unterteilt.

Periode	Zeitraum	Maximale Proton-Proton-Kollisionsenergie	Kennzeichen
Erste Betriebsperiode	2010–2012	7 bis 8 TeV	Entdeckung des Higgs-Bosons
Erster Langzeitstillstand	2013–2014	–	Verstärkung und Modernisierung der Anlage
Zweite Betriebsperiode	2015–2018	13 TeV	Deutlich höhere Energie und Luminosität
Zweiter Langzeitstillstand	2019–2022	–	Wartung und umfangreiche Modernisierung
Dritte Betriebsperiode	2022–2026	13,6 TeV	Höchste erreichte Kollisionsenergie
Dritter Langzeitstillstand	2026–2030	–	Umbau zum High-Luminosity LHC

Erste Inbetriebnahme

Am 10. September 2008 wurde erstmals ein vollständiger Protonenstrahl durch den gesamten Ring geführt. Der erfolgreiche Umlauf wurde weltweit in Medien und über das Internet übertragen.

Neun Tage später trat eine schwere Störung auf. Eine fehlerhafte elektrische Verbindung zwischen zwei supraleitenden Magneten erwärmte sich und schmolz. Dadurch entstand ein Lichtbogen, der die Heliumleitung beschädigte.

Mehrere Tonnen flüssiges Helium entwichen in den Tunnel. Zahlreiche Magnete wurden verschoben oder beschädigt. Personen kamen nicht zu Schaden, da sich während des Betriebs niemand im betroffenen Tunnelabschnitt befand.

Die Reparaturen und zusätzliche Sicherheitsmassnahmen dauerten mehr als ein Jahr. Der Beschleuniger nahm seinen Betrieb im November 2009 wieder auf. Am 23. November fanden die ersten Proton-Proton-Kollisionen statt.

Am 30. März 2010 erreichte der LHC erstmals Kollisionen mit einer Gesamtenergie von 7 TeV. Damit übertraf er den bisherigen Weltrekord anderer Teilchenbeschleuniger deutlich.

Erste Betriebsperiode

Während der ersten Betriebsperiode wurde die Kollisionsenergie zunächst auf 7 TeV und 2012 auf 8 TeV erhöht.

Die Experimente sammelten rasch grosse Datenmengen und überprüften zahlreiche Vorhersagen des Standardmodells. Im Mittelpunkt stand die Suche nach dem Higgs-Boson.

Nach der Bekanntgabe der Entdeckung im Juli 2012 wurde der Betrieb bis Anfang 2013 fortgesetzt. Anschliessend begann der erste Langzeitstillstand.

Während dieser Wartungsphase wurden insbesondere elektrische Verbindungen zwischen den Magneten verstärkt. Ziel war es, den Betrieb bei höheren Energien sicher zu ermöglichen.

Zweite Betriebsperiode

Der LHC nahm 2015 den Messbetrieb mit einer Proton-Proton-Kollisionsenergie von 13 TeV wieder auf.

Die höhere Energie eröffnete die Möglichkeit, schwerere Teilchen zu erzeugen und seltenere Vorgänge zu beobachten. Gleichzeitig wurde die Luminosität schrittweise gesteigert.

Die Experimente untersuchten das Higgs-Boson genauer und beobachteten unter anderem seine Wechselwirkungen mit Top- und Bottom-Quarks sowie Tau-Leptonen.

Die zweite Betriebsperiode endete im Dezember 2018. Danach folgte der zweite Langzeitstillstand, in dem der Beschleunigerkomplex und die Experimente modernisiert wurden.

Dritte Betriebsperiode

Nach mehr als drei Jahren Wartungs- und Umbauarbeiten zirkulierten am 22. April 2022 wieder Protonen im LHC.

Der reguläre Messbetrieb der dritten Betriebsperiode begann am 5. Juli 2022. Die Protonen kollidierten mit einer Rekordenergie von 13,6 TeV.

Während Run 3 arbeiteten die Experimente mit modernisierten Detektoren und verbesserten Datenauswahlsystemen. ALICE und LHCb konnten wesentlich mehr Kollisionen aufzeichnen als während der vorherigen Betriebsperioden.

Im Jahr 2025 lieferte der LHC den Experimenten ATLAS und CMS jeweils eine Rekordluminosität von 125 inversen Femtobarn. Damit wurde das ursprüngliche Ziel der dritten Betriebsperiode übertroffen.

Die letzten Kollisionen für physikalische Messungen fanden in den frühen Morgenstunden des 14. Juni 2026 statt. Danach wurden noch etwa zwei Wochen lang Tests mit besonders intensiven Protonenstrahlen durchgeführt.

High-Luminosity LHC

Der High-Luminosity Large Hadron Collider wird meist als HL-LHC oder HiLumi LHC bezeichnet. Dabei handelt es sich nicht um einen vollständig neuen Beschleunigerring, sondern um eine umfangreiche Modernisierung des bestehenden LHC.

Das Hauptziel ist eine wesentlich höhere Luminosität. Über die gesamte Betriebsdauer soll die integrierte Luminosität ungefähr zehnmal höher sein als ursprünglich für den LHC vorgesehen.

Zu den geplanten Neuerungen gehören leistungsfähigere Fokussiermagnete, verbesserte Kollimatoren, neue Hochfrequenzsysteme und zusätzliche technische Anlagen. Die Experimente ATLAS und CMS erhalten weitgehend neue innere Spurdetektoren und modernisierte Elektronik.

Der dritte Langzeitstillstand begann im Sommer 2026. Der Umbau soll ungefähr vier Jahre dauern. Nach dem aktuellen CERN-Zeitplan ist der Start des High-Luminosity-Betriebs für Juni 2030 vorgesehen.

Der HL-LHC soll bis in die frühen 2040er Jahre betrieben werden. CERN erwartet, dass die Anlage über ihre gesamte Betriebszeit hunderte Millionen Higgs-Bosonen erzeugen wird.

Sicherheit

Vor der Inbetriebnahme wurden Befürchtungen geäussert, die LHC-Kollisionen könnten gefährliche mikroskopische schwarze Löcher, hypothetische Strangelets oder andere stabile exotische Teilchen erzeugen.

CERN liess diese Fragen von Fachgruppen untersuchen. Die Sicherheitsanalysen kamen zum Schluss, dass vom LHC keine Gefahr ausgeht.

Teilchenkollisionen mit Energien, die jene des LHC übertreffen, entstehen seit Milliarden Jahren durch kosmische Strahlung. Hochenergetische kosmische Teilchen treffen regelmässig auf die Erde, die Sonne, Neutronensterne und andere Himmelskörper, ohne sie zu zerstören.

Sollten bestimmte spekulative Theorien die Erzeugung mikroskopischer schwarzer Löcher erlauben, müssten diese nach denselben Theorien praktisch sofort zerfallen. Sie könnten keine Materie in gefährlichem Umfang aufnehmen.

Die Sicherheitsberichte wurden auch durch externe physikalische Fachgesellschaften geprüft und bestätigt.

Energieverbrauch

Der LHC, seine Experimente und die zugehörigen technischen Einrichtungen benötigen grosse Mengen elektrischer Energie.

Nach Angaben von CERN liegt der jährliche Verbrauch dieser Anlagen bei ungefähr 600 Gigawattstunden. Im Jahr 2024 wurde ein Höchstwert von rund 695 Gigawattstunden erreicht.

Der gesamte Stromverbrauch von CERN beträgt ungefähr 1,3 Terawattstunden pro Jahr. Der Verbrauch schwankt stark zwischen Betriebs-, Wartungs- und Stillstandsperioden.

CERN reduziert den Betrieb bestimmter Anlagen im Winter, wenn der Strombedarf in der Region besonders hoch ist. Während längerer Stillstände fällt der Energieverbrauch des LHC deutlich geringer aus.

Die Abwärme verschiedener CERN-Anlagen soll zunehmend für die Beheizung benachbarter Gebäude und Wohngebiete genutzt werden.

Bedeutung für die Schweiz

Der CERN-Hauptsitz und ein Teil des Beschleunigerrings befinden sich im Kanton Genf. Die Schweiz gehört zu den Gründungsmitgliedern der Organisation und beteiligt sich an ihrer Finanzierung.

Schweizer Hochschulen und Forschungsinstitute wirken an den LHC-Experimenten, an der Entwicklung der Beschleunigertechnik und an der Datenanalyse mit. Dazu gehören insbesondere die ETH Zürich, die École polytechnique fédérale de Lausanne, die Universitäten Basel, Bern, Genf und Zürich sowie das Paul Scherrer Institut.

CERN ist ein bedeutender Forschungs-, Bildungs- und Wirtschaftsstandort für die Genfer Region. Tausende Beschäftigte, Gastforschende und Studierende arbeiten zeitweise oder dauerhaft auf dem Gelände.

Die Anlage ist zugleich ein Beispiel für die grenzüberschreitende Zusammenarbeit zwischen der Schweiz und Frankreich. Der Betrieb des Tunnels, der Oberflächenanlagen und der Versorgungsnetze erfordert eine enge Abstimmung der Behörden beider Staaten.

Technologische Entwicklungen

Für den LHC mussten zahlreiche Technologien weiterentwickelt werden. Dazu gehören supraleitende Magnete, Kryotechnik, Hochvakuumsysteme, Strahlenschutz, Leistungselektronik, Sensoren und schnelle Datennetzwerke.

Die für Teilchendetektoren entwickelten Siliziumsensoren und Bildgebungsverfahren finden auch in der Medizin Anwendung. Beispiele sind Positronen-Emissions-Tomografie, Strahlentherapie und Systeme zur medizinischen Bildgebung.

Supraleitende Technologien werden unter anderem für Magnetresonanztomografen, Energieanlagen und zukünftige Transportsysteme untersucht.

Die Anforderungen der LHC-Experimente förderten zudem Fortschritte bei verteilten Rechensystemen, Datenspeicherung, maschinellem Lernen und wissenschaftlicher Software.

Öffentlichkeitsarbeit

CERN informiert die Öffentlichkeit durch Ausstellungen, Führungen, Vorträge, digitale Angebote und Medienveranstaltungen über den LHC.

Seit 2023 befindet sich beim CERN-Hauptsitz das Wissenschaftszentrum CERN Science Gateway. Es bietet Ausstellungen, Labore, Veranstaltungen und Bildungsprogramme zur Teilchenphysik und zu verwandten Technologien.

Ein direkter Besuch des LHC-Tunnels ist nur während längerer Stillstände und unter besonderen Sicherheitsbedingungen möglich. Im normalen Betrieb ist der Zugang wegen der tiefen Temperaturen, elektrischen Anlagen und Strahlenschutzvorschriften gesperrt.

Einige Oberflächenanlagen und Kontrollräume können im Rahmen organisierter Führungen besichtigt werden. Der Eintritt zu den regulären CERN-Besucherangeboten ist grundsätzlich kostenlos.

Kulturelle Wahrnehmung

Der LHC erhielt bereits vor seiner Inbetriebnahme weltweit grosse mediale Aufmerksamkeit. Seine Dimensionen, die hohen Energien und die Suche nach dem Higgs-Boson machten ihn zu einem Symbol moderner Grundlagenforschung.

In populären Medien wurde das Higgs-Boson gelegentlich als «Gottesteilchen» bezeichnet. Viele Fachleute lehnen diesen Ausdruck ab, weil er wissenschaftlich ungenau ist und keine anerkannte physikalische Bedeutung besitzt.

Der Beschleuniger erscheint in Romanen, Filmen, Fernsehserien, Computerspielen und Kunstprojekten. Häufig werden dabei spekulative oder physikalisch unrealistische Szenarien dargestellt.

CERN arbeitet auch mit Kunstschaffenden zusammen. Programme wie Arts at CERN ermöglichen einen Austausch zwischen Wissenschaft, Technologie und zeitgenössischer Kunst.

Zukunft

Der wissenschaftliche Betrieb des modernisierten HL-LHC soll ungefähr 2030 beginnen und bis in die frühen 2040er Jahre fortgesetzt werden.

Die deutlich grössere Datenmenge soll präzisere Messungen des Higgs-Bosons, seltener Teilchenzerfälle und anderer Vorgänge ermöglichen. Auch kleine Abweichungen vom Standardmodell könnten dadurch sichtbar werden.

Parallel untersucht CERN mögliche Nachfolgeanlagen. Zu den wichtigsten Konzepten gehört der Future Circular Collider, ein geplanter Beschleuniger mit einem Ringumfang von ungefähr 91 Kilometern.

Ob und in welcher Form ein solcher Nachfolger gebaut wird, hängt von wissenschaftlichen, technischen, politischen, ökologischen und finanziellen Entscheidungen ab. Der LHC und der HL-LHC bleiben bis dahin die zentralen Anlagen der weltweiten Hochenergiephysik.

Siehe auch

• CERN
• High-Luminosity Large Hadron Collider
• Higgs-Boson
• Teilchenbeschleuniger
• Standardmodell der Teilchenphysik
• ATLAS
• CMS
• ALICE
• LHCb
• Large Electron-Positron Collider
• Future Circular Collider
• Quark-Gluon-Plasma

Literatur

• Lyndon Evans: The Large Hadron Collider. A Marvel of Technology. EPFL Press, Lausanne 2009, ISBN 978-2-940222-34-6.
• Don Lincoln: The Large Hadron Collider. The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Your Mind. Johns Hopkins University Press, Baltimore 2014, ISBN 978-1-4214-1351-8.
• Martin Beech: The Large Hadron Collider. Unraveling the Mysteries of the Universe. Springer, New York 2010, ISBN 978-1-4419-5667-7.
• CERN: LHC Design Report. CERN, Genf 2004.
• Herwig Schopper: CERN and the Higgs Boson. The Global Quest for the Building Block of Reality. Springer, Cham 2024, ISBN 978-3-031-52105-0.

Weblinks

• Der Large Hadron Collider auf der offiziellen Website des CERN
• Offizielle Website des CERN
• Übersicht der CERN-Experimente
• CERN Open Data Portal
• Besucherinformationen des CERN
• Informationen zum High-Luminosity LHC

Einzelnachweise

Wikimedia Commons: Medien zu Large Hadron Collider