COMPASS-Experiment

Das COMPASS-Experiment (Common Muon and Proton Apparatus for Structure and Spectroscopy) am CERN benutzt den Super Proton Synchrotron-Beschleuniger (SPS) um die Spinstruktur von Elementarteilchen zu untersuchen.

Das SPS hat einen Umfang von fast 7 Kilometern und ist damit der zweitgrößte Beschleuniger am CERN nach dem LHC. Im SPS können Teilchen auf bis zu 450 GeV (Giga- Elektronenvolt) beschleunigt werden. Dies ist ein Wert der nur noch durch die erreichte Energie am LHC übertroffen wird.

Der Spin ist eine quantenmechanische Eigenschaft der Teilchen die kein Pendant in der klassischen Physik hat und eine Art Eigenrotation ist. Wie man mittlerweile weiß, ist der Spin neben der elektrischen Ladung und der Masse eine ganz wesentliche Eigenschaft der Materie. Daher lohnt es sich, diesen genau zu untersuchen um den Aufbau der kleinsten Teilchen zu erforschen.

Bei den für das Experiment interessanten Elementarteilchen handelt es sich vor allem um Quarks, die Bestandteile der Protonen und Neutronen, die wiederum Atomkern-Bausteine sind, und deren Austauschteilchen, den Gluonen.

In sehr aufwändigen Prozessen werden Myonen, dem Elektron ähnliche Teilchen, produziert und mit hoher Intensität auf ein sogenanntes „Fixed Target“ also festes Ziel geschossen. Eine Vielzahl von Detektoren zur Spurerkennung und Teilchenidentifikation werden benutzt, um das Verhalten der sehr schwer nachzuweisenden Teilchen zu erforschen.

Eine Reihe von technischen Schwierigkeiten gilt es dabei zu überwinden. Um die leichten Teilchen „einzufangen“ und Erkenntnisse über deren Verhalten zu gewinnen ist ein sehr starkes Magnetfeld von knapp 8 Tesla nötig. Zum Vergleich: ein in der Medizin eingesetzter Kernspintomograph hat ein Magnetfeld von ca. 0,35 Tesla.

Zur Aufbringung dieser enormen Kraft sind Supraleitungen nötig, bei denen kein elektrischer Widerstand existiert. Dies passiert erst bei sehr tiefen Temperaturen, daher werden die Magneten auf fast 63x10^-3 °Kelvin gekühlt, der absolute Nullpunkt wird also fast erreicht. Der riesige Energiebedarf verschlingt etwa 150.000 € an Stromkosten täglich.

Beim COMPASS-Experiment fällt außerdem eine unvorstellbare Datenmenge an, die es zu verarbeiten gilt. Zur Aufzeichnung werden erstaunlicherweise Magnetbänder benutzt, da diese ein sehr hohes Schreibtempo ermöglichen. Während das Experiment läuft werden ca. 7,77 Gigabytes pro Sekunde gesammelt.

Die Analyse dieser Daten dauert aufgrund des großen Umfangs und der Komplexität sehr lange und ist sehr aufwändig.

Das Experiment begann im Jahr 2002, bis alle bisher aufgezeichneten Daten ausgewertet sind, wird es noch Jahre dauern.