ALICE am LHC: Ionen, Quarks und Plasmen

Alle Welt, respektive der teilchenphysikalische und LHC-besprechende Teil der englischsprachigen Bloglandschaft, redet von den neuen LHC-Experimenten als ginge es nur um so belanglose Sachen wie das Auffinden eines ewig postulierten Higgs-Bosons, der Verankerung der Gravitation in unserem quantenphysikalischen Weltbild und eventuell der Unterscheidung vollkommen phantastischer String-Modelle, von denen vielleicht die nächsten hundert Jahre physikalischer Welterforschung abhingen. Blääch. Für sowas stellt man doch keinen ewig langen Beschleunigerring auf unter die grüne Wiese.

Das eigentlich interessante Experiment am LHC ist natürlich das Schwerionenexperiment ALICE. Das kann man auch als Nichtphysiker schon am Nerdfaktor des Projektnamens feststellen kann: ALICE steht für A Large Ion Collider Experiment. CMS hat es dagegen zu gar keinem brauchbaren Akronym gebracht; ATLAS (A Toroidal LHC AparratuS) nur unter offensichtlichem Schummeln. Aus so unbrauchbar benannten Experimenten kann nie beste Physik entstehen.

Aber höchst erfolgreich operiert gerade die ATLAS- und CMS-Lobby daran unter Einsatz ehemaliger Obskur-Popper und öffentlichkeitswirksamer Beschwätzung fachfremder Weltall-Blogger, das LHC als unbedeutenden Protonen-Collider darzustellen. ALICE schafft es da manchmal nicht mal mehr in die Zusammenfassung der LHC-Experimente.

Das muss aufhören.

ALICE ist Grundlagenforschung an der Wurzel alles materiellen Seins

Zwar sind alle drei großen Experimente darauf ausgerichtet, in allen möglichen Betriebsmodi Daten aufzunehmen; aber im Gegensatz zu ATLAS und CMS liegt die Konzeption von ALICE nicht hauptsächlich auf den Protonen-Protonen-Ereignissen sondern auf Schwerionen-Kollisionen. ALICE ist entwickelt, um die Zusammenstöße hochrelativistischer Blei-Atomkerne (die ohne sie umgebende Elektronen natürlich positiv geladen sind, darum Ionen) zu analysieren, bei denen man in einem kleinen Raumstück eine deutlich höhere Energiedichte erreichen wird — so hoch, dass man die Kernteilchen selbst zerschlagen wird. Die Struktur der Kernteilchen selbst wird sich darauf hoffentlich für kurze Zeit in einem ganz neuen Materiezustand anordnen, den man bisher kaum Gelegenheit hatte, experimentell zu untersuchen und indirekt und flüchtig hat sehen können. Im Quark-Gluonen-Plasma (QGP) sollten Quarks und Gluonen beobachtet werden können, die nicht mehr innerhalb übergeordneter Teilchen gebunden sind, sondern sich einigermaßen frei bewegen. [1]

Das Experiment erlaubt uns damit Einblick in eine Phase des Universums, die unmittelbar nach dem Urknall geherrscht haben muss und heute vielleicht noch im Inneren von Neutronensternen existiert. Nicht nur überprüft man damit unsere Vorstellung vom Ablauf der Geburt unseres Universums. Aus dem Plasma kühlte sich schließlich unsere Welt aus, in der dann Kernteilchen und schließlich Atome entstanden. Gerade da gibt es noch einige ungeklärte Fragen über die Abläufe: warum sehen wir z. B. den bisher nicht vollständig verstandenen Überschuss von Materie (über Antimaterie)? Wieso entstehen die im Universum existierenden Teilchen gerade mit diesen sie auszeichnenden Eigenschaften?

Dazu verstehen wir zwar die Starke Wechselwirkung, welche die Quarks im Inneren von Kernteilchen zusammenhält, ziemlich genau, aber in den höhere Anwendungen müssen wir uns immer noch mit Verinfachungen und Hilfsannahmen behelfen. Mit den zuvor unerreichbaren Einblicken in das QGP und dem Ausfrieren der Nukleonen gelangt man hoffentlich zu einem detaillierten Verständnis, was die Kernteilchen und in zweiter Ordnung die Kerne selbst zusammenhält.

ATLAS ist Gitarrengebrösel, ALICE ist Je t’aime!

Man schaue sich nur das Werbevideo für das Experiment an. Wo andere mit aufgeregt zappeligen Exmusikern für sich werben, wirkt ALICE erwachsen und verführerisch. Für alle Freunde des französischen Akzentuierens, eine Einführung in die Physik von ALICE:

Gut, man kann sich an dem Akzent auch über hören, etwa auf internationalen Konferenzen, wo man nicht immer die Regel einhält: zwischen zwei Franzosen mindestens einen Deutschen oder Russen, so zur Abwechslung. Vielleicht wirkt auch der ein oder andere Auftritt etwas robotig. Daran erkennt man, wo noch die ernsthaften Wissenschaftler und Ingenieure arbeiten!

ALICE ist voller Physik

Das, was hier als ein Experiment durchgeht, besteht in Wirklichkeit aus über einem Dutzend Einzeldetektoren, die strategisch um den Kollisionspunkt platziert sind; und das berücksichtigt die ganze Physik noch nicht, die benötigt wird, um den eigentlichen Teilchenstrahl zu erzeugen, zu beschleunigen und auf der Bahn zu halten. Es ist nicht übertrieben festzustellen, dass man ein ganzes Blog damit füllen könnte, täglich neue Grundlagen, Einzelheiten und schließlich erste Ergebnisse aus dem ALICE-Experiment darzustellen. Und am Ende hätte man über einen Großteil moderner Physik und derzeitiger Technik gesprochen. [2] Jeder Detektor hat seine spezielle Aufgabe, und erst zusammen ermöglichen sie eine möglichst vollständige Aufklärung der Physik.

ALICE ist dabei zwar etwas kleiner als ATLAS, dem wohl größten teilchenphysikalischen Detektor aller Zeiten. Aber immerhin ist ALICE schwerer. Sollte man im Hinterkopf behalten, wenn man mal von einem Teilchenphysiker zu einer Runde Hochenergiephysik-Quartett herausgefordert wird.

ALICE ist open-source

Für den Übernerd, dem normale Computerspiele zu diesseitig sind, gibt es eine Alternative: die gesamte Software zur Analyse und Simulation von ALICE steht im Netz. Alles beginnt mit root, dem in der Teilchenphysik bevorzugtem (und am CERN entwickelten) Analyseprogramm. Wenn man etwa Plots wie diese hier sieht: root. Hat man mal selbst damit gearbeitet, fällt es einem immer wieder auf.

Die Simulationssoftware setzt direkt darauf auf: AliRoot ist nur eine nachträglich auf root installierbare Erweiterung, in der die physikalischen Eigenschaften der Teilchen und Detektoren in eine 3D-Umgebung gesetzt werden. In einer C++-verwandten Makrosprache kann man dann zuhause seine eigenen Teilchenexperimente durchführen und auswerten.

Neue Physik wird man natürlich nicht finden. Aber vielleicht ein tieferes Verständnis für die Schwierigkeiten, wie man aus den tausenden Einzelsignalen voneinander unabhängiger Detektoren auf ein einzelnes physikalisches Ereignis in der Mitte schließen will; ja sogar, wie man in dem Wust von Signalen überhaupt einzelne Teilchen solche erkennt.

ALICE ist gefährlich

Sollte all das als Argument nicht ausreichen, um die öffentliche Meinung etwas stärker für ALICE einzunehmen als bisher, dann bitte: ein paar Protonen aufeinander zu schießen, ist recht billig. Sollte tatsächlich ein Schwarzes Miniaturloch dabei entstehen, verstrahlt das vermutlich sofort in die Umgebung. Bleikerne dagegen sind schon recht massiv. Physiker sind ja nette Leute, aber wenn sie sich nicht wahrgenommen fühlen… Da reicht schon, dass bei einem sozial herausgeforderten Privatdozenten die Neurose losbricht und er das Experiment gerade auf die Energie einstellt, die er sich zuhause errechnet hat…

Irgendwie wird die Welt also schon von ALICE hören.

Full Disclosure: Ich habe vor langer Zeit in einer Frühphase des Experiment an der Vorbereitung eines kleinen Teils eines kleinen Teils an einem der ALICE-Detektoren gearbeitet. Natürlich bin ich trotzdem vollkommen unvoreingenommen. Auch was die Voodoo-Physik von ATLAS und CMS angeht.

[1] Warum sie das in normaler Materie nicht können, im QGP aber schon: werden wir wohl noch mal gesondert drauf zurückkommen müssen. Quarks sind dabei die Bausteine der Kernteilchen, also aller Materie mit Ausnahme von Elektronen und verwandten Leichteilchen. Gluonen sind die Austauschteilchen der sie zusammenhaltenden Wechselwirkung. Auf den zu betrachtenden Größenordnungen macht es aber wenig Sinn, die einen für Teilchen zu halten und die anderen nur für Wechselwirkung. Gluonen selbst tragen vermutlich einen guten Teil der Eigenschaften, die aus unserer Perspektive schließlich das Teilchen ausmacht.

[2] Ich sag mal, richtig aufgezogen wäre das sicherlich publikumswirksamer als die bisherigen Webseiten und Vermittlungsversuche der Kollaboration, die außerhalb der da Arbeitenden kaum wahrgenommen werden, obwohl sie sich zu einem größeren Teil auch an ein Laienpublikum zu richten scheinen. Aber bis sich das in die Reihen der Institute und Wissenschafts-PRler rumgesprochen haben wird, und ob dann überhaupt der Wille dafür da ist… Hochenergiephysik steckt voller ungeklärter Fragen.