LHC steht vor mehrjähriger Betriebspause

Eine geplante Pause unter Genf

In einem 27 Kilometer langen Tunnelabschnitt unter der französisch-schweizerischen Grenze bereiten die Betreiber die schrittweise Stilllegung des Large Hadron Collider (LHC) für eine ausgedehnte, sorgfältig geplante Pause vor. Das CERN hat den Beschleuniger-Zeitplan dahingehend überarbeitet, dass der Run 3 des LHC bis Juli 2026 fortgesetzt wird; zu diesem Zeitpunkt werden die Maschine und ihre Injektorkette in den Long Shutdown 3 (LS3) übergehen, eine mehrjährige Phase der Installation und Umrüstung im Vorfeld der Ära des High-Luminosity LHC.

Was die Pause in der Praxis bedeutet

Die Abschaltung ist kein abruptes Ausschalten, sondern eine komplexe Abfolge geplanter Zugangszeiten, bautechnischer Arbeiten und Geräteinstallationen, die sowohl den Beschleuniger als auch die vier großen Experimente am Ring transformieren werden. Ziel ist es, den LHC für den Betrieb mit einer wesentlich höheren „Luminosität“ vorzubereiten – der Fachbegriff dafür, wie viele Kollisionen ein Beschleuniger pro Sekunde liefern kann –, damit Physiker weit größere Datensätze seltener Phänomene sammeln können. Der Zeitplan und die Projektseiten des CERN legen den Übergang von Run 3 in den LS3 und den geplanten Start des High-Luminosity-LHC-Programms im Zeitraum um 2030 fest.

Umbau für eine verzehnfachte Datenmenge

Der High-Luminosity LHC (HL-LHC) ist kein einzelnes neues Gerät, sondern ein koordiniertes Paket von Upgrades an Magneten, Kryotechnik, Stromversorgung und den Detektoren selbst. Sein Zweck ist es, die den Experimenten zur Verfügung stehende integrierte Luminosität über die Laufzeit von Run 4 um etwa den Faktor zehn zu steigern. Dies ermöglicht Präzisionsmessungen des Higgs-Bosons und die Suche nach extrem seltenen Prozessen, die heute unmöglich zu beobachten sind. Die Installationskampagne ist in Umfang und Dauer gewaltig: Projektmitteilungen innerhalb der HL-LHC-Kollaboration beschreiben ein konzentriertes Arbeitsprogramm während des LS3, das sich über mehrere Jahre an Aktivitäten im Tunnel und an der Oberfläche erstreckt.

Warum mehr Luminosität wichtig ist

Mehr Kollisionen bedeuten zwei Dinge für die Teilchenphysik. Erstens verbessert es die Präzision der Messungen – zum Beispiel der Eigenschaften des Higgs-Bosons –, was winzige Abweichungen vom Standardmodell aufzeigen kann, die auf neue Physik hindeuten. Zweitens erhöht es die Chance, sehr seltene Prozesse oder neue Teilchen zu sehen, deren Erzeugungsraten verschwindend gering sind. Der HL-LHC ist im Wesentlichen eine statistische Maschine: Wer sie baut, gibt den Experimentatoren das Rohmaterial an die Hand, das sie benötigen, um tiefer in das Regelwerk der Natur vorzudringen.

Was die Ingenieure unter der Erde tun werden

Der LS3 wird stark technisch geprägt sein. Teams werden neue supraleitende Schaltkreise und Magnetsysteme installieren und in Betrieb nehmen, verbesserte „Inner-Triplet“-Magnete nahe der Kollisionspunkte montieren, verbesserte Strahl-Instrumentierung einsetzen und neuartige Hardware wie „Crab Cavities“ hinzufügen, die die effektive Kollisionsüberlappung verbessern. Die Detektor-Kollaborationen werden empfindliche Teilsysteme – Tracker, Kalorimeter und Ausleseelektronik – ersetzen oder erheblich aufrüsten, damit sie in der intensiveren Strahlungs- und Pile-up-Umgebung bestehen können, die eine höhere Luminosität mit sich bringt. Viele dieser Aktivitäten erfordern einen monatelangen, ununterbrochenen Zugang zur Infrastruktur der Kavernen und Tunnel.

Logistik und internationale Arbeitsteilung

Da der LHC und seine Experimente internationale Unterfangen sind, ist das LS3-Programm auf Laboratorien und Industrien in den Mitgliedstaaten und Partnerinstituten verteilt. Die Produktion von HL-LHC-Komponenten ist in vielen Ländern bereits im Gange, und das Zeitfenster der Abschaltung ist der einzige praktikable Zeitraum, um diese Systeme in situ zu montieren, zu versenden, zu installieren und zu testen. Der Zeitplan enthält sorgfältig kalkulierte Puffer zur Validierung der Installationen, bevor die Maschine wieder in Betrieb genommen wird, da die Komplexität und die in den supraleitenden Systemen gespeicherte Energie wenig Spielraum für Fehler lassen.

Die Wissenschaft steht während der Stille nicht still

Auch wenn keine Strahlen vorhanden sind, wird erwartet, dass der wissenschaftliche Output lebhaft bleibt. Physiker werden den enormen Datensatz aus Run 3 analysieren und Messungen, Überprüfungen und Suchen durchführen. Upgrades der Software, der Rekonstruktionsalgorithmen und der Computerinfrastruktur sind ein fester Bestandteil der Pause: Die Gemeinschaft nutzt die Ausfallzeit, um Analysepipelines zu verbessern, Daten mit besseren Kalibrierungen neu zu verarbeiten und neue Modelle für den Hintergrundabzug und die Anomalieerkennung zu trainieren. Wie Kommentatoren und die CERN-Leitung angemerkt haben, bietet die Pause dem Fachgebiet die Chance, das bereits Gesammelte zu verarbeiten und die Fragen zu verfeinern, die der HL-LHC beantworten soll.

Energie, Umwelt und Betrieb

Große Beschleuniger sind energieintensive Anlagen, und das CERN verfolgt den Verbrauch und die Auswirkungen als Teil der Upgrade-Debatte. Die Organisation hat Umwelt- und Energieberichte veröffentlicht, die den jährlichen Stromverbrauch detailliert aufführen und Ziele festlegen, um das Verbrauchswachstum trotz Leistungssteigerung zu begrenzen. Einige Komponenten der Maschine (insbesondere die kryogenen Systeme, die die Magnete supraleitend halten) verbrauchen auch dann erheblich Strom, wenn keine Strahlen aktiv sind, weshalb die betrieblichen und ökologischen Dimensionen in die Zeit- und Erhaltungsplanung einfließen.

Kosten, Politik und die Zukunft der Beschleuniger

Der LS3 und der HL-LHC sind der nächste pragmatische Schritt, um mehr Physik aus dem bestehenden Ring herauszuholen, aber Planer entwerfen gleichzeitig bereits längerfristige Nachfolger. Das CERN und seine Partner haben Designstudien für einen geplanten Future Circular Collider (FCC) veröffentlicht, einen etwa 91 Kilometer langen Ring, der neben den LHC treten oder ihn schließlich ersetzen würde. Der FCC-Vorschlag befindet sich im Planungsstadium und wird Entscheidungen der Mitgliedstaaten sowie große Kapitalzusagen erfordern, bevor er umgesetzt werden kann. Wie die Nationen das Gleichgewicht zwischen Investitionen in den HL-LHC, zukünftige Beschleuniger und andere Forschungsprioritäten finden, wird den Fahrplan für die Teilchenphysik in den kommenden Jahrzehnten bestimmen.

Worauf man achten sollte

Achten Sie in den nächsten 18 Monaten auf drei Dinge: den Abschluss der Datenauswertung von Run 3 und die darauf folgenden Publikationen, Fortschrittsberichte des HL-LHC-Projekts, wenn wichtige Komponenten die Test- und Fertigungsphase durchlaufen, und den politischen Kalender für Finanzierungsentscheidungen über größere zukünftige Anlagen. Jeder dieser Punkte wird nicht nur beeinflussen, wie die Abschaltung durchgeführt wird, sondern auch, was die Fachwelt zu messen wählt, wenn der Beschleuniger wieder online geht.

Die Pause des LHC ist daher sowohl eine technische Herausforderung als auch ein ruhiger, bewusster Reset. Die Maschine, die in den frühen 2030er Jahren wieder hochfährt, wird einen anderen Charakter haben – gebaut nicht für höhere Energien, sondern um Kollisionen in einer Rate zu sammeln, die sich die heutige Instrumentierung nur vorstellen kann. Für Physiker und Ingenieure ist der Shutdown die Phase, in der die nächste Generation von Entdeckungen konstruiert wird, Panel für Panel und Magnet für Magnet; für die Öffentlichkeit und die Politik ist es eine Erinnerung daran, dass die Ära großer wissenschaftlicher Infrastrukturen oft zwischen Phasen intensiver Datennahme und langer, mühsamer Konstruktion wechselt.

Quellen

• CERN (Pressemitteilungen und Zeitplan-Updates)
• High‑Luminosity LHC (HL‑LHC) Projektdokumentation und technische Berichte
• CMS Experiment Mitteilungen und Statusberichte
• ATLAS Experiment Mitteilungen
• LHCb Experiment Mitteilungen