Von Marie und Linus
13.10.2025 bis zum 24.10.2025
In diesem Bericht legen wir Linus Heinze und Marie Hilling die Erkenntnisse dar, die wir bei unserem zweiwöchigen Praktikum (13.10.25 bis 24.10.25) am CERN in der Schweiz in der Pixeldetektorgruppe des ATLAS-Experiments gewonnen haben.
Das CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) ist eines der weltgrößten Forschungsinstitute, an dem physikalische Grundlagenforschung im Bereich der Kernphysik betrieben wird. Es ist ein internationaler, interdisziplinärer Zusammenschluss zum Zweck der Forschung und befindet sich in Genf. Das CERN hat sich zum Hauptziel gesetzt durch kernphysikalische Prozesse die Bedingungen während des Urknalls zu reproduzieren und somit Rückschlüsse auf die Zusammensetzung der Materie zu ziehen. Zu diesem Zweck werden in dem dortigen Teilchenbeschleuniger die Kollisionen von Protonen, oder besser die Teilchen, die dabei entstehen, untersucht. So wurde am CERN im Jahr 2012 das sogenannte Higgs-Boson entdeckt. Ein Teilchen, was mit dem allgegenwärtigen Higgs-Feld wechselwirkt und so aller Materie im Universum ihre Masse verleiht. Auf diese Weise konnten die Voraussagen des Standardmodells bestätigt werden, was eine große physikalische Errungenschaft darstellte.
Das Cern ist vor allem bekannt für seinen Teilchenbeschleuniger. Der LHC (Large Hadron Collider) ist der größte Teilchenbeschleuniger der Welt. In ihm werden Protonen mithilfe von supraleitenden Elektromagneten auf einer 27 km langen unterirdischen Kreisbahn auf eine Geschwindigkeit beschleunigt, die nahezu der Lichtgeschwindigkeit entspricht. Im LHC gibt es zwei Röhren, in denen die Protonen in entgegengesetzte Richtung laufen. An vier Punkten innerhalb des Kreisrings werden die Protonen innerhalb eine Detektors jeweils zur Kollision gebracht. Es gibt vier Detektoren dieser Art im LHC ( ALICE, ATLAS, CMS, LHCb ). Des Weiteren sind nahe der Strahlröhren (Kreisbahnen) noch fünf weitere kleinere Experimente installiert (LHCf , TOTEM, MoEDAL-MAPP, FASER und SND@LHC). Diese Experimente dienen dem gleichen Zweck, wie der Atlas Detektor.
Der ATLAS-Detektor ist einer dieser Detektoren. Er ist aufgebaut aus dem Spurdetektor (dem innersten Detektor), bestehend aus Pixel- und Stripmodulen, Kalorimetern (hadronischem Kalorimeter und electromagnetischem Kalorimeter), Magneten und an äußerster Stelle der Myondetektor. Alle diese Messeinrichtungen dienen dazu die Zerfallsprodukte der Kollisionen zu erfassen. Sie ermitteln Ladung, Geschwindigkeit, Masse und Energie, sowie den Weg, der Teilchen, um durch sie Rückschlüsse auf den Zustand des Universums zum Zeitpunkt der Kollision zu ziehen.
Der Pixeldetektor besteht aus Siliziumdetektormodulen mit sehr hoher Granularität. Durch die Halbleitereigenschaften des Siliziums kann ionisierende Strahlung erfasst werden, also etwa die Partikel, die letztendlich bei einer Proton-Proton-Kollision entstehen. Dies wird möglich durch die p-/n-Dotierung der verschiedenen Siliziumschichten. Durch das Anlegen einer Spannung in Sperrrichtung wächst die Sperrschicht und ein elektrisches Feld entsteht. Dabei ist die Sperrschicht ein ladungsfreier Raum. Wenn dann ionisierende Strahlung auf das Modul trifft, bilden sich freie Ladungsträger in der Sperrschicht, welche zu den Polen hingezogen werden. Es entsteht ein induzierter Strom, welcher mittels eines Verstärkers gemessen werden kann. Auf diese Weise lässt sich feststellen, ob ein geladenes Teilchen eines der Pixeldetektormodule passiert hat. Diese Module sind sehr dicht und in mehreren Schichten angeordnet, sodass keines der Teilchen passieren kann, ohne dass es in mehreren Siliziumdetektorschichten erfasst wird. Da jedes Teilchen mehrere der Pixeldetektorlagen durchdringt, kann aus den einzelnen Punkten eine Spur für jedes Teilchen konstruiert werden.
Im Umfang unseres Praktikums haben wir eine Projektaufgabe erhalten, die zum Ziel hatte, Temperatur- und Feuchtigkeitsdaten der Umgebung mithilfe eines Arduino zu erheben. Im Anschluss sollten diese ausgelesen und graphisch dargestellt werden. Dieser Arduino fand Anwendung beim Testen und Aufbewahren der neuen Pixelmodule für ein Upgrade des Spurdetektors des ATLAS-Detektors. Für diese Module mussten nämlich bestimmte Umweltbedingungen herrschen. Diese Bedingungen waren eine konstante Temperatur, Luftfeuchtigkeit sowie der damit zusammenhängende Taupunkt (Dewpoint). Dies liegt daran, dass diese Module schon bei geringen Wasserablagerungen Gefahr laufen zu korrodieren. Der Arduino sollte dann aus der Box, in der diese neuen Module aufbewahrt wurden, in Echtzeit Daten übermitteln, um etwaige Unstimmigkeiten direkt erkennen zu können.
Der Arduino samt des sogenannten Moth-Boards, das in der Abteilung entwickelt wurde, und die darauf angebrachten Umweltsensoren befanden sich während der Messung in der „Testbox“ im Labor (Radiation Lab bzw. im Reinraum). In dieser Testbox waren ebenfalls die Pixelmodule untergebracht. Der Arduino war mit dem dortigen PC verbunden, auf den wir mittels des CERN-Netzwerks und unseren eigens für unser Praktikum angelegten Computing Accounts zugreifen konnten.
Wir sollten im Rahmen unseres Projekts ein Python-Skript entwickeln, mit dessen Hilfe wir die Umweltdaten auslesen und in einer strukturierten und lesbaren Form wiedergeben können. Außerdem sollten die Daten in einer Datei gespeichert und anschließend graphisch dargestellt werden. Für die Messungen haben wir zwei Sensoren verwendet, die jeweils die Temperatur und die Feuchtigkeit gemessen und daraus den Taupunkt berechnet haben. Zusätzlich wurde die Temperatur von einem der Pixelmodule, welches sich auf einer Kühlplatte befand, ausgelesen. Während wir das Skript entwickelt haben, befanden sich die Sensoren in einer Testbox für die Pixelmodule mit trockener Luftzufuhr und geregelter Temperatur. Nachdem wir das Skript am Ende der ersten Praktikumswoche fertiggestellt hatten, haben wir das Moth-Board mit dem Arduino und den Sensoren aus der Testbox entfernt und auf einem Schreibtisch im Reinraum platziert. Einer der Temperatursensoren wurde auf einer Kühlplatte befestigt und sollte somit eine ungefähr gleichbleibende Temperatur von 18 °C haben, der andere hat die Umgebungstemperatur gemessen. Die Messung lief dann über das Wochenende, damit wir genug Daten zum Auswerten hatten.
Nachdem wir die Daten ausgelesen und graphisch dargestellt hatten, mussten wir den Verlauf der Graphen erklären. Dabei ist uns aufgefallen, dass die Temperatursensoren eine etwas zu hohe Temperatur ausgegeben haben. Einer der Sensoren wurde auf einer Kühlplatte mit einer Temperatur von ungefähr 18 °C befestigt, hat aber eine Temperatur von etwa 19 °C gemessen, während die Temperatur des Pixelmoduls bei etwa 17,8 °C lag. Um die Ungenauigkeit der Temperatursensoren festzustellen, wurde eine Klimakammer verwendet, in der wir eine feste Temperatur eingestellt hatten und dann mit beiden Sensoren die Temperatur in der Klimakammer gemessen haben. Die Messwerte haben wir verwendet, um eine Ausgleichsgerade zu erstellen, welche die Abweichung der Sensoren im Vergleich zur tatsächlichen Temperatur linear darstellte. Die Temperatursensoren sind immer auf einen Temperaturbereich kalibriert und werden ungenauer, je stärker die Temperatur von diesem Bereich abweicht. Das hängt mit der Funktionsweise der Sensoren zusammen, die einen temperaturabhängigen Widerstand beinhalten. Der Zusammenhang zwischen Widerstand und Temperatur ist zwar näherungsweise linear. Für die Berechnung der Temperatur wird allerdings ein vollkommen linearer Zusammenhang angenommen. Nachdem wir auf diese Weise die Temperaturabweichung in dem untersuchten Bereich ermittelt hatten, konnten wir unsere Messergebnisse sinnvoll interpretieren. Den Verlauf der Feuchtigkeit konnten wir leicht erklären, weil dieser ungefähr dem Luftfeuchtigkeitsverlauf von Genf entsprach, nur in etwas abgeschwächter und leicht verzögerter Form.
Am Mittwoch erhielten wir weitere Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren, welche mit dem Moth-Board verbunden werden sollten. Die Sensoren mussten in Zweierpaaren (ein Temperatur- und ein Feuchtigkeitssensor) an ein Kabel gelötet werden, um mehr Reichweite zu haben und an verschiedenen Orten messen zu können. Zudem sollten wir auf dem Moth-Board zwei weitere Ports für zwei weitere Sensoren verbauen. Nachdem zwei weitere Umweltsensoren fertiggestellt waren, versuchten wir diese am Donnerstag mit dem Moth-Board zu verbinden und die Daten auszulesen. Bei der Nutzung dieser Sensoren sind wir jedoch auf einige Probleme gestoßen. Obwohl wir die Sensoren richtig verbunden haben, konnten wir sie über den Arduino nicht auslesen. Um dieses Problem zu lösen, haben wir wiederholt versucht, mögliche Fehlerquellen auszuschließen. Unter anderem haben wir mit einem Voltmeter getestet, ob alle Verbindungen funktionieren. Außerdem haben wir verschiedene Aspekte in der Programmierung des Arduinos geändert. So sind wir letztendlich zu dem Schluss gekommen, dass das Problem entweder bei dem Sensor oder bei der Programmierung des Arduinos liegen musste. Letztendlich konnten wir feststellen, dass der Load-Resistor auf dem Moth-Board nicht angebracht war und die Pins des Sensors zu klein waren und somit zeitweise kein Kontakt zwischen den Kabeln und den Pins bestand. Die Fehler konnten behoben werden, sodass der Arduino letztendlich also funktionierte.
Im Rahmen unseres Praktikums haben wir, abgesehen von unserem Projekt, noch weitere Einblicke in die Arbeit am CERN erhalten. So haben wir kleinere Aufgaben erledigt, wie z. B. das Erstellen von verstellbaren Widerständen, die als Platzhalter für Sensoren einer bis dahin noch nicht fertiggestellten Testbox dienten. Zu diesem Zweck haben wir Kabel vorbereitet, also abisoliert und gelötet, sowie die Widerstände letztendlich zusammengebaut und anschließend getestet. Zudem haben wir Kabel im Reinraum verlegt und diese Kabel für die Testboxen beschriftet. Wie bereits erwähnt, durften wir an Meetings teilnehmen und bei einem der wöchentlichen Teammeetings unseren derzeitigen Arbeitsstand mittels einer kurzen PowerPoint-Präsentation präsentieren. Diese Meetings waren auf Englisch. Wir erhielten Führungen, unter anderem zum Kontrollraum des LHCs und der Antimatter-Factory, wo uns die Apparaturen, deren Funktionsweisen und die wissenschaftlichen Entdeckungen, die am CERN gemacht wurden, erklärt wurden. Unter anderem wurde uns hier erklärt, wie Antimaterie auf ihre Gravitationseigenschaften untersucht wurde.
Alle diese Erfahrungen waren insofern aufschlussreich, als dass sie uns ein realistisches Bild des Arbeitsalltags von Wissenschaftlern vermitteln konnten. Wir waren überrascht festzustellen, wie viele scheinbar unwichtige Arbeitsschritte in jedes einzelne Projekt am CERN fließen und wie viele Hürden überwunden werden müssen, bis ein Projekt bewerkstelligt werden kann. Wir haben gelernt, dass dem Prozess, bis etwas tatsächlich funktioniert, oft kein direkter Weg zugrunde liegt, sondern sehr viel systematisches Ausprobieren und das Beheben von Fehlern enthält. Im Laufe unseres Praktikums ist uns klar geworden, wie wichtig die Rolle von Kommunikation innerhalb eines solchen Projektes ist, um gemeinsamen Fortschritt überhaupt erst möglich zu machen. Die Eindrücke, die wir gesammelt haben, haben uns nachdrücklich geprägt und werden uns ewig im Gedächtnis bleiben. Anschließend wollen wir uns herzlich bei dem gesamten Team des ITk bedanken, für die vielen Einblicke, die uns entgegengebrachte Geduld mit uns und für die gute Betreuung sowie die Hilfsbereitschaft. Wir haben das Arbeitsumfeld durchgehend als sehr positiv empfunden und uns die gesamten zwei Wochen wohlgefühlt. Zudem wollen wir uns bei den Auricher Wissenschaftstagen dafür bedanken, dass uns diese einmalige Chance, einen Einblick in ein renommiertes Forschungsinstitut wie dem CERN zu erhalten, ermöglicht wurde.
