Mithilfe des CMS-Detektors forschen Teilchenphysiker*innen aus Deutschland im Rahmen des Forschungsschwerpunkts CMS (FSP CMS) an grundlegenden Fragen zur Beschaffenheit des Universums und der Materie: Was sind die Eigenschaften des Higgs-Bosons? Gibt es neue, exotische Teilchen? Was sind die Eigenschaften des Top-Quarks? Wie verhalten sich die schwache und die starke Wechselwirkung?
All diesen Fragen gehen die Forschenden mithilfe von neuester Detektor-Technologie, die u.A. an den deutschen Instituten im Rahmen des FSP CMS entwickelt werden, nach.
Der CMS-Detektor
Der 14000 Tonnen schwere CMS-Detektor ermöglicht es, die bei Proton-Proton-Kollisionen entstehenden Teilchen nachzuweisen und genau zu vermessen. Der Detektor ist aus mehreren Subdetektoren aufgebaut, die schichtweise und zylindrisch um den Kollisionspunkt angeordnet sind. Dabei kommt jedem Subdetektor eine spezielle Aufgabe zu. So können die Teilchen nicht nur identifiziert, sondern auch ihre Flugbahn, ihr Impuls und ihre Energie genau untersucht werden. Aufgrund der zylindrischen Anordnung verlassen nur sehr wenige Teilchen den Detektor unbeobachtet. Dadurch können die Wissenschaftler*innen ein möglichst vollständiges Bild der Teilchenkollisionen aufzeichnen.
Eine Besonderheit von CMS ist der riesige Solenoid-Magnet, der eine Feldstärke von 3,8 Tesla erzeugt. Er umschließt gleich mehrere der Detektorschichten von CMS, und erlaubt so eine besonders hohe Präzision bei der Vermessung der Energie, des transversalen Impulses und der Flugbahn der Teilchen.
Die Auswahl der für die Forschenden besonders spannenden Kollisionsereignisse übernimmt anschließend ein ausgeklügeltes System aus Algorithmen, die sogenannten Trigger.
CMS Steckbrief
Maße:
- 15 m Höhe, 21 m Länge
- 14 000 Tonnen Gewicht
Standort:
- Cessy, Frankreich
Internationale Kollaboration:
- 54 Länder
- 241 Institute
- ≈ 5500 Mitarbeiter*innen
Deutsche Beteiligung:
- 5 Institute
- ≈ 260 Wissenschaftler*innen
- > 100 Doktorand*innen
- ≈ 300 abgeschlossene Promotionen
Das Upgrade
Seit der Inbetriebnahme des LHC konnte der CMS-Detektor eine nie da gewesene Menge physikalischer Daten aufnehmen. Mit diesem Datenschatz konnte das schon vor Jahrzehnten vorhergesagte Higgs-Boson endlich nachgewiesen werden. Dennoch stellt diese bedeutsame Entdeckung nur den Anfang einer langen und aufregenden Forschungsreise dar. Um noch mehr spannende Kollisionsereigenisse produzieren zu können und somit das Potenzial für weitere Entdeckungen zu steigern, wurde der LHC gerade in einer mehrjährigen Umbauphase modernisiert. Seit diesem Jahr hat der LHC seinen Betrieb mit höherer Energie wieder aufgenommen und die ersten neuen Daten werden bereits gesammelt.
Zeit für einen neuen Detektor
Schon in einigen Jahren steht die nächste große Modernisierung des Large Hadron Colliders an. Der größte Teilchenbeschleuniger der Welt wird ab 2026 zum „High-Luminosity LHC (HL-LHC)“ aufgerüstet. Durch diesen Umbau soll die Kollisionsrate nochmal deutlich erhöht werden, um so noch mehr Daten gewinnen zu können. Die Weiterentwicklung des Beschleunigerrings macht allerdings auch ein umfassendes Upgrade des CMS-Detektors notwendig. CMS muss über eine höhere Präzision, Auslesegeschwindigkeit und Strahlungsresitenz verfügen, um auch unter den neuen Bedingungen des HL-LHC weiterhin zuverlässig Daten aufzeichen zu können. Die Erneuerung eines solchen Großdetektors ist allerdings ein wahres Mammutprojekt, welches sich nur durch eine internationale Zusammenarbeit umsetzten lässt. Daher treffen die Wissenschaftler*innen schon jetzt alle Vorbereitungen für das Upgrade. Die deutschen CMS-Gruppen spielen dabei insbesondere bei der Konstruktion der äußeren Endkappen des Pixel-Detektors eine zentrale Rolle.
Aktuelle Forschungsfragen
Bei CMS handelt es sich um einen Teilchendetektor der für die Untersuchung von von vielen verschiedenen physikalischen Phänomenen genutzt werden kann. Dabei werden die im Detektor aufgezeichneten physikalischen Prozesse mit den theoretischen Vorhersagen des Standardmodells der Teilchenphysik verglichen, um so herauszufinden, an welchen Stellen das Modell fehlerhaft ist oder durch weitere Theorien ergänzt werden muss.
Die im FSP-CMS zusammengeschlossenen Forschungsgruppen fokussieren sich dabei auf die Forschungsfragen in den folgenden Bereichen
- Untersuchung der Eigenschaften des Higgs-Bosons
- Suche nach supersysmmetrischen und anderen exotischen Teilchen
- Vermessung der Eigenschaften des Top-Quarks
- Präzise Vermessund der Eigenschaften der elektroschwachen Wechselwirkung
- Effekte der Quanten-Chromodynamik
Um diesen Fragestellungen nachzugehen, wird am CMS-Experiment hochspezialisierte Soft- und Hardware benötigt, an dessen Weiterentwicklung die deutschen Institute insbesondere im Bereich der Siliziumdetektoren und der Myon-Driftkammern, sowie im Bereich des High-Level-Trigger und dem Grid-Computing maßgeblich beteiligt sind.
BMBF-Forschungsschwerpunkt CMS
Wissenschaftler*innen von fünf deutschen Universitäten und außeruniversitären Forschnungseinrichtungen beteiligen sich am CMS-Experiment. Unterstützt werden sie dabei vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) durch die Einrichtung sogenannter Forschungsschwerpunkte (FSPs). Im FSP CMS arbeiten Forschende der RWTH Aachen, der Universität Hamburg, des KIT in Karlsruhe, des DESY in Hamburg sowie des CASUS-Instituts in Görlitz zusammen.
Die deutschen Forscherteams sind in viele verschiedene Bereiche der internationalen CMS-Kollaboration involviert – vom Bau des Detektors über die Durchführung des Experiments bis hin zur Analyse der gewonnenen Daten. Beim Bau und der Weiterentwicklung des CMS-Detektors sind deutsche Gruppen insbesondere an den Pixel- und Spurdetektoren sowie an den Myon-Driftkammern beteiligt. Unter anderem wurden mehr als die Hälfte aller Module des neuen Pixeldetektors in Deutschland produziert und getestet. Auch beim anstehenden High-Luminosity-Upgrade des CMS-Detektors werden die deutschen Institute einen zentralen Beitrag leisten – zum Beispiel bei der Konstruktion weiterer Module des Tracking-Systems. Darüber hinaus arbeiten die deutschen Forscher*innen sowohl an der Entwicklung des High-Level-Trigger-Systems, welches die Selektion der Daten vornimmt, als auch an der Software und Hardware des internationalen Computing Grids, welches zur Verarbeitung der gewonnenen Daten benötigt wird. Bei der Analyse dieser Daten tragen die deutschen Gruppen wesentlich zur Vermessung der Eigenschaften des Higgs-Bosons, der Top-Quark-Physik oder auch der Suche nach neuen physikalischen Phänomenen bei. Theoretische Physiker*innen aus Deutschland liefern dabei mit Präzisionsvorhersagen zu den Wechselwirkungen im und jenseits des Standardmodells die Grundlage für die Forschung mit dem CMS-Experiment.
Impressionen aus der CMS-Kollaboration
News & Events vom FSP CMS
Wissenschaftlicher Nachwuchs
Haben Sie sich schon einmal gefragt, wie der Arbeitsalltag von Physiker*innen aussieht, oder was sie an ihrem Beruf mögen? Wir lassen einige Nachwuchskräfte zu Wort kommen.
Die Satzanfänge sind vorgegeben, und werden von den Nachwuchsforscherinnen und Nachwuchsforschern vervollständigt.
CMS Foto-Wettbewerb
Im Rahmen des Jahrestreffens 2021 der deutschen CMS-Gruppen wurde der zweite D-CMS-Foto-Wettbewerb durchgeführt. Die ersten drei Plätze wurden durch eine Wahl bestimmt, an der alle D-CMS-Mitglieder teilnehmen konnten.
Die drei Gewinnerfotos sind hier zu sehen. Das Copyright liegt bei den Fotograf*innen.
Sprecher des CMS-Forschungsschwerpunkts
„Durch den BMBF-Forschungsschwerpunkt CMS (ErUM-FSP T03) wird die Teilnahme der deutschen Hochschul-Gruppen am CMS-Experiment ermöglicht. Wir können so unsere langjährige Erfahrung in Großprojekten der Teilchenphysik gebündelt einsetzen, um einerseits Forschung auf Spitzenniveau zu betreiben und andererseits unsere jungen Leute auf allerhöchstem, internationalem Niveau auszubilden. Der ErUM-FSP ist eine win-win-win-Situation für die Forschungsgruppen und Universitäten, das BMBF und die Gesellschaft.“
Prof. Dr. Johannes Haller
Professor für experimentelle Teilchenphysik
Universität Hamburg