Wie synchronisiert CERN Zeitmessgeräte?

Der Large Hadron Collider hat einen Umfang von 27 Kilometern. Es ist der größte Teilchenbeschleuniger der Welt, dessen Bau mehr als 10 Milliarden Dollar gekostet hat. Aber es ist nur eine von vielen erstaunlichen Technologien, die die Wissenschaftler des CERN in ihrer physikalischen Forschung einsetzen. CERN betreibt eine Reihe von Linear- und Kreisbeschleunigern und anderen Einrichtungen, wie einen Massenseparator und einen Antiprotonen-Verzögerer, um physikalische Forschung zu betreiben. Tests am CERN werden teilweise über große Entfernungen durchgeführt: Neutrinos werden regelmäßig vom CERN zum 450 Meilen (724 Kilometer) entfernten italienischen Gran Sasso National Laboratory (LNGS) gebeamt.

Wenn Teilchenbeschleuniger Materie mit Lichtgeschwindigkeit über große Entfernungen befördern, müssen sie natürlich mit nahezu perfekter Genauigkeit getaktet werden. Trotz der oben erwähnten Entfernung konnte die Geschwindigkeit dieser Neutrinos auf 10 Nanosekunden genau gemessen werden. Wie schafft CERN diese Art von Genauigkeit? Sie verwenden GPS, Atomuhren und eine ganze Menge optischer Kabel, um eine Vielzahl von Technologien miteinander zu vernetzen.

Die Wissenschaftler des CERN haben detaillierte, komplexe Abhandlungen verfasst, in denen sie das Innenleben ihrer Zeitmesssysteme erklären. Signalfrequenzen, Messsysteme und Genauigkeitsgleichungen sind nur einige der Elemente in CERN-Berichten, die Wissenschaftler auffressen und der Rest von uns die Stirn runzelt, darunter einer, der die Kalibrierung der GPS -Zeitverbindung zwischen CERN und LNGS beschreibt .

Hier ist die Kurzversion: Bei der Messung der Geschwindigkeit von Neutrinos, die vom CERN zum Gran Sasso National Laboratory (LNGS) reisen, müssen Wissenschaftler ihre Instrumente präzise synchronisieren. Daher werden GPS-Messungen mit einem Impuls pro Sekunde (PPS) mit einem Messsystem namens CTRI zeitgestempelt, das auf der Atomuhr basiert , die mit beiden Labors verbunden und mit einem GPS-System gekoppelt ist. Diese Zeitstempel können dann zwischen den beiden Orten verglichen werden und der Zeitunterschied zeigt die Flugzeit der Neutrinos. Klingt ziemlich einfach, oder?

Nun, die Setups erfordern immer noch alle möglichen Tests, um die Genauigkeit sicherzustellen, und Gleichungen, um unvermeidliche Fehlermargen zu berücksichtigen. Die Empfänger, die CERN für die Kommunikation mit LNGS verwendet, sind vom Eidgenössischen Amt für Metrologie zertifiziert . Da es sich um so genaue Zahlen handelt, können sogar die Position einer Antenne und die verwendeten Kabel Ergebnisse verfälschen.

Der Large Hadron Collider verwendet eine Technologie namens WorldFIP, um Systeme innerhalb von 10 Nanosekunden zu synchronisieren. WorldFIP ist ein Feldbus, eine Technologie, die verwendet wird, um eine große Anzahl von Systemen miteinander zu vernetzen – etwas, das der LHC offensichtlich braucht. Wie die Zeitmesssysteme, die zur Koordinierung der Neutrino-Verfolgung zwischen CERN und LNGS verwendet werden, ist WorldFIP mit einem GPS-System verbunden. Die Daten von diesem System werden an Geräte im Large Hadron Collider weitergeleitet, um alles mit der Weltzeit zu synchronisieren.

Mit einer oszillatorbasierten Hauptuhr kann CERN seine Ausrüstung mit Zeitdaten mit einer Genauigkeit von einer Nanosekunde versorgen. Eine der anspruchsvollsten Aufgaben des WorldFIP-Systems besteht darin, 1.800 Stromrichter auf eine Millisekunde genau zu synchronisieren. Es dient auch dazu, Strahlungsüberwachung, Magnetpositionierung, Kryotechnik und andere Systeme am LHC zu synchronisieren.

Natürlich muss nicht jedes System am Large Hadron Collider so genau sein. Einige haben einen Spielraum von zehn oder sogar Hunderten von Millisekunden. Wenn man bedenkt, dass die Installation so riesig ist und mit einigen der komplexesten Technologien der Welt vollgepackt ist, ist das immer noch ziemlich beeindruckend.

Hoppla!

Als CERN im September 2011 bekannt gab, dass es Hinweise darauf gefunden haben könnte, dass sich Neutrinos schneller als Lichtgeschwindigkeit bewegen, erschütterte dies die wissenschaftliche Welt und löste eine Flut theoretischer „Was wäre wenn“-Diskussionen aus. Weitere Untersuchungen und doppelte Tests ergaben zwei fehlerhafte Mechanismen, die die anfänglichen Ergebnisse gegenstandslos machten: eine fehlerhafte Komponente im GPS-System und eine defekte Glasfaserschaltung. Sie gewinnen wieder, Lichtgeschwindigkeit!

Die Zeitmesssysteme des CERN sind eines der komplexesten Dinge, für die ich geforscht habe. Das liegt zum Teil daran, dass in all den vielen Teilchenbeschleunigern des CERN kein einziges System am Werk ist – verschiedene Installationen haben unterschiedliche Anforderungen – und die Genauigkeit der Zeitmesssysteme läuft auf die Nanosekunde hinaus. Größte Überraschung: Schon die kleinste Verstellung einer Antenne kann die Synchronisation von Zeitmessgeräten beeinträchtigen.

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Quellen