Die Protonenkollisionen im LHC werden von vier riesigen Detektoren – ATLAS, CMS, ALICE und LHCb – in großen unterirdischen Hallen rund um den Beschleunigerring aufgezeichnet. Zu jedem dieser Kolosse gehört ein Mega-Team: An den beiden größten Experimenten, ATLAS und CMS, sind jeweils über 2000 Experten aus aller Welt beteiligt, die gemeinsam den Detektor betreiben, Daten nehmen und anschließend auswerten. DESY stellt dabei ein respektables Kontingent – mehr als 100 Spezialisten des Forschungszentrums arbeiten bei ATLAS und CMS mit.

Unter anderem helfen sie dabei, die enorme Datenflut, die die Detektoren liefern, zu analysieren und nach Anzeichen neuer Teilchen zu durchforsten – die Suche nach der Stecknadel im Heuhaufen. Die DESY-Forscher entwickeln Software für die Datennahme sowie für die Simulation, Rekonstruktion und Analyse der Kollisionen und führen theoretische Studien zur Physik am LHC durch. Regelmäßig reisen DESY-Fachleute nach Genf, um dort im Schichtbetrieb die Detektoren zu bedienen oder mit Kollegen aus aller Welt über die hochkomplexe Datenanalyse zu diskutieren. Für beide Detektoren haben die Physiker bei DESY Kontrollräume installiert, in denen sie die Güte der aktuell aufgezeichneten Messdaten aus der Ferne überprüfen können. Dabei profitieren die DESY-Wissenschaftler von ihren Erfahrungen, die sie beim Betrieb des HERA-Beschleunigers in Hamburg sammeln konnten.

DESY stellt außerdem große Rechen- und Speichersysteme für die Datenverarbeitung von ATLAS, CMS und LHCb zur Verfügung. Dieses sogenannte Tier-2-Zentrum ist eines der größten unter den über 170 Zentren des weltweiten LHC-Computernetzwerks und wird von Forschergruppen auf der ganzen Welt genutzt. Eng daran angebunden ist die National Analysis Facility (NAF), ein Rechnerkomplex bei DESY, der allen deutschen, am LHC beteiligten Forschergruppen für die Physikanalyse zur Verfügung steht.

Upgrade für den LHC

Auch das bei DESY vorhandene Know-how beim Bau und Betrieb von Detektoren ist bei den LHC-Experimenten sehr gefragt. Um das Jahr 2020 plant CERN einen Ausbau des Beschleunigers, nach dem der LHC bis zu zehnmal mehr Protonenkollisionen erzeugen soll als bisher. Dafür müssen die Detektoren ebenfalls umgerüstet werden. An den Vorbereitungen für dieses „Upgrade“ beteiligt sich auch DESY.

Das Innere des CMS-Detektors soll komplett ersetzt und mit robusteren, leichteren und leistungsfähigeren Sensoren bestückt werden. Das Problem: Je mehr Kollisionen im Inneren eines Teilchendetektors passieren, desto stärker werden die Sensoren mit energiereicher Strahlung belastet. Standard-Chips, wie sie in einer Handykamera eingebaut sind, würden innerhalb kürzester Zeit ihren Dienst quittieren. Deshalb suchen die Forscher gemeinsam mit der Industrie nach neuen, extrem widerstandsfähigen Sensormaterialien. Getestet werden diese unter anderem bei DESY in Hamburg und Zeuthen.

Doch die Detektoren sollen nicht nur strahlungsresistenter werden, sondern auch feinkörniger: Ähnlich wie Digitalkameras immer mehr Megapixel bieten, soll auch die Auflösung der Sensoren deutlich steigen. Dabei profitieren die Forscher von der fortschreitenden Prozesstechnologie in der Chipfertigung. Konkret baut DESY gemeinsam mit mehreren Universitäten eine der Endkappen des ATLAS-Detektors – bestehend aus über 3000 Einzelmodule mit insgesamt 25 Quadratmetern Silizium.