Gigantischer Detektor für kleinste Teilchen

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Alles wird kleiner. Wenn es aber darum geht, dem Kleinsten auf die Spur zu kommen, kann es nicht groß genug sein. So braucht der Teilchenbeschleuniger CERN für seine Suche nach der dunklen Materie bald neue Sensoren. Zehntausende müssen es sein. Für eine gesamte Sensorfläche von 1.000 Quadratmeter.

Im weltgrößten Forschungszentrum für Teilchenphysik CERN sind Forscher den Geheimnissen des Weltalls auf der Spur. Etwa dem der dunklen Materie. Eine hypothetisches Konstrukt, das einige Eigenschaften des Universums erklären soll. Denn Sterne und Galaxien müssten auseinander fliegen, gäbe es nur die sichtbare Materie und deren Gravitationskraft.

Am CERN will man nun die „Tarnkappen-Materie“ selbst herstellen. Dazu beschleunigt man Protonen fast auf Lichtgeschwindigkeit und bringt sie zur Kollision. Den entstehenden Teilchenregen zeichnen dann riesige, zylinderförmige „Kameras“ auf. Im CERN stehen zwei davon zur Verfügung.

ATLAS mit einem Durchmesser von 25 Metern, einer Länge von 46 Metern und einem Gewicht von 7000 Tonnen. Und CMS: 21 Meter lang, 15 Meter im Durchmesser und 14000 Tonnen schwer. In ihren Detektor-Röhren registrieren Tausende von Silizium-Sensoren die auseinenderfliegenden, geladenen Teilchen. Und das seit mehreren Jahren, rund um die Uhr, 40 Millionen mal in der Sekunde. Krümmung und Flugdauer der Teilchenspur lassen dabei Rückschlüsse auf ihre Eigenschaften wie etwa das Verhältnis von Ladung zur Masse zu.

Neuer Detektor – neue Teilchen

Für 2025 steht eine Generalüberholung am CERN an. Dabei sollen neue, 8 Zoll (15 cm x 10 cm) große Sensoren die Forschung ein gutes Stück voranbringen. Sie wurden seit mehr als fünf Jahren von Infineon Technologies Austria und dem Institut für Hochenergiephysik (HEPHY) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften entwickelt. Infineon lieferte die am HEPHY entworfenen Silizium-Halbleiter, wo sie dann auch Auslesechips, Trägerstruktur und Kühlung verpasst bekommen. Die weltweit einzigartigen Bausteine sind robuster gegenüber der kontinuierlichen Bestrahlung und altern dadurch weniger schnell als die bisherige 6 Zoll große Generation. Dazu lassen sie sich kostengünstiger herstellen.

„Sanftere“ Krebsbehandlung

Normalerweise dauert es Jahrzehnte bis sich Grundlagenforschung dieser Art „auszahlt“. In dem Fall könnte die für das CERN entwickelte Technologie allerdings viel früher, etwa für Krebspatienten, nutzbar gemacht werden. So wären die großflächigen Detektoren bei der Protonen-Computertomografie während der therapeutischen Bestrahlung in der Lage Aufnahmen zu liefern. Durch die genauere Positionsbestimmung des Tumors käme es zu weniger Schäden am gesunden Gewebe, als bei herkömmlichen Röntgenstrahlen. Die Strahlenbelastung könnte um den Faktor 40 sinken.

Derzeit wird am CERN geprüft, wer die hohen Anforderungen für die neuen Sensoren erfüllen und sie in ausreichender Stückzahl produzieren kann. Immerhin braucht man für einen Detektor Zehntausende dieser Bausteine. Bisher war man von einem einzigen japanischen Unternehmen abhängig. Ein europäischer Zulieferer wäre da sicher wünschenswert.

Detektor mit Silizium-Sensoren (Foto: CERN).

Die Silizium-Sensoren im Detektor registrieren in mehreren zylindrischen Lagen die Flugbahn von Elementarteilchen. (Foto: CERN).