Diese Elektronik macht den LHC fit für die Zukunft

Erinnern Sie sich noch an den Tag, an dem der Large Hadron Collider, kurz LHC, 2008 am CERN in Betrieb ging? Groß war die öffentliche Aufregung rund um diesen Termin. In Medien, Internetforen und sogar Gerichtsverfahren kursierten Befürchtungen, der Teilchenbeschleuniger könne mikroskopische Schwarze Löcher erzeugen oder andere krude Effekte auslösen, die das Ende der Welt bedeuten. Das CERN veröffentlichte kurz vor dem ersten Strahl 2008 erneut eine Sicherheitsbewertung und betonte, dass diese Ängste wissenschaftlich unbegründet seien. Und allein die Tatsache, dass Sie diesen Text gerade lesen, zeigt, dass zumindest Ende der Welt so nicht eingetroffen ist. 

Eine kurze Geschichte des Teilchenbeschleunigers

Seit den ersten umlaufenden Strahlen im September 2008 und den ersten Protonenkollisionen im Jahr 2009 hat der LHC in drei Betriebsperioden, den sogenannten Runs 1 bis 3, enorme Datenmengen geliefert. Zu den wichtigsten Detektoren am LHC gehören ATLAS und CMS. Sie stehen an unterschiedlichen Kollisionspunkten des Beschleunigerrings und erfassen die Teilchen, die bei Proton-Proton-Kollisionen entstehen. Zugleich stehen ATLAS und CMS auch für die internationalen Experimente, in denen Tausende Forschende diese Messdaten auswerten.

Das bekannteste Ergebnis folgte am 4. Juli 2012: ATLAS und CMS gaben die Entdeckung des Higgs-Bosons (aka Gottesteilchen) bekannt. Dieses Elementarteilchen ist ein zentraler Baustein des Standardmodells der Teilchenphysik. Vereinfacht gesagt hängt es mit dem Mechanismus zusammen, durch den andere Elementarteilchen ihre Masse erhalten. Mit dem Nachweis des Higgs-Bosons bestätigten die beiden Experimente eine Theorie, die bereits in den 1960er-Jahren formuliert worden war.

Nun endet der LHC in seiner bisherigen Form. Am 29. Juni 2026 wurde der Beschleuniger nach dem letzten Physiklauf abgeschaltet und ging in die dritte große Umbaupause, der Long Shutdown 3, kurz LS3. „Der LHC hat alle Erwartungen übertroffen“, sagte Oliver Brüning, CERN Director for Accelerators and Technology, zum Abschied des bisherigen LHC. Man verabschiede sich vom LHC, wie man ihn gekannt habe, und bereite zugleich seinen Nachfolger vor: den High-Luminosity LHC, kurz HiLumi LHC oder HL-LHC.

Genau hier beginnt aus Elektroniksicht der spannende Teil. Der Umbau betrifft nicht nur den 27 Kilometer langen Beschleunigerring, Magneten und Kryotechnik. Damit die höhere Kollisionsrate des HL-LHC wissenschaftlich nutzbar wird, müssen auch die Experimente ATLAS und CMS tiefgreifend modernisiert werden. Sensoren, Front-End-Elektronik, Auslesechips, optische Datenlinks, Trigger, Datenerfassung, Stromversorgung, Kühlung und Hochfrequenzsysteme werden an eine völlig neue Last angepasst. Weitere Informationen zum Fortschritt der Long Shutdown 3, zu Projekten, Terminen und technischen Dokumenten bündelt CERN auf der offiziellen LS3-Webseite.

Das ändert sich durch den High-Luminosity LHC

Der High-Luminosity LHC verfolgt ein einfaches Ziel: deutlich mehr physikalisch nutzbare Kollisionen zu erzeugen. Dafür werden die Protonenstrahlen stärker fokussiert und neue supraleitende Quadrupolmagnete nahe der Experimente installiert. Zusammen mit sogenannten Crab Cavities, die die Teilchenpakete kurz vor der Kollision leicht kippen, soll die integrierte Luminosität gegenüber dem ursprünglichen LHC-Design um den Faktor zehn steigen. Dadurch können die Experimente wesentlich größere Datensätze sammeln und insbesondere das Higgs-Boson deutlich präziser vermessen. 

Für ATLAS und CMS bedeutet das jedoch ein drastisch dichteres Messumfeld. Statt der rund 60 gleichzeitigen Proton-Proton-Kollisionen pro Bunch Crossing aus Run 3 müssen die Detektoren künftig typischerweise etwa 140 und in Spitzenszenarien bis zu 200 überlagerte Ereignisse verarbeiten. Jeder zusätzliche Treffer erzeugt weitere Sensordaten, die erfasst, übertragen und in Echtzeit analysiert werden müssen.

CERN beschreibt die Herausforderung noch drastischer: Die Systeme müssen aus mehr als fünf Milliarden Wechselwirkungen pro Sekunde die interessantesten Kollisionen identifizieren und auswählen. Genau dafür werden die Trigger-Systeme von ATLAS und CMS vollständig ersetzt. Ein Trigger ist ein schneller Filter aus Elektronik und Software. Er entscheidet in Echtzeit, welche Ereignisse physikalisch interessant genug sind, um aufgezeichnet und später analysiert zu werden.

LS3 wird zur Großbaustelle im Beschleuniger

Die Long Shutdown 3 ist die umfangreichste Intervention am CERN-Beschleunigerkomplex seit dem Bau des LHC selbst. Bis 2030 arbeiten Tausende Fachleute von CERN und internationalen Partnerinstituten daran, den LHC, seine Injektoren und die Experimente in ihre HiLumi-Versionen zu überführen. Allein im LHC werden 1,2 Kilometer Magnete und Komponenten ausgebaut und durch neue Ausrüstung ersetzt.

Dazu kommen weitere Projekte im gesamten Beschleunigerkomplex. CERN nennt unter anderem die Konsolidierung der North Area des Super Proton Synchrotron, kurz SPS, den Rückbau des CERN Neutrinos to Gran Sasso Target Area, kurz CNGS, den Umbau der Experimental Cavern North 3, kurz ECN3, zu einer Hochintensitäts-Fixed-Target-Anlage, die Renovierung der ISOLDE-Anlage sowie Arbeiten an Personensicherheitssystemen, Stromnetz und technischen Galerien. Die neue HiLumi-Ausrüstung wird mit Komponenten verbunden, die bereits in neuen technischen Galerien installiert wurden. Dazu gehören beispielsweise neue kryogene Leitungen. 

Neue Sensoren und Milliarden Auslesekanäle für ATLAS und CMS

Besonders tiefgreifend fällt der Umbau im Tracking aus. ATLAS ersetzt seinen bisherigen Inner Detector vollständig durch den neuen Inner Tracker (ITk), einen reinen Siliziumdetektor aus Pixel- und Streifensensoren. Das System soll deutlich höhere Strahlungsdosen verkraften und gleichzeitig die Spurrekonstruktion in einem Umfeld mit wesentlich mehr Teilchentreffern ermöglichen.

Die neuen Siliziumsysteme umfassen Milliarden einzelner Sensorkanäle, die synchronisiert, versorgt und ausgelesen werden müssen. Jeder Kanal benötigt Front-End-Elektronik, Datenübertragung und präzises Timing. Gleichzeitig gelten in den inneren Detektorbereichen strenge Grenzen für Masse, Leistungsaufnahme und Kühlung. Zusätzliche Kabel, Stecker oder Kühlstrukturen erhöhen das Materialbudget und können die Messung der Teilchenbahnen beeinflussen. Damit entsteht ein klassischer Zielkonflikt zwischen elektrischer Performance, thermischem Management und physikalischer Messgenauigkeit.

Auch CMS ersetzt zentrale Detektorkomponenten für die Phase 2 des Experiments. Besonders wichtig ist das High-Granularity Calorimeter, kurz HGCAL. Ein Kalorimeter misst die Energie von Teilchen. „High Granularity“ bedeutet, dass diese Messung in sehr viele kleine Zellen aufgeteilt wird. Das verbessert die räumliche Auflösung, erhöht aber die Zahl der Kanäle und damit die Anforderungen an Auslese, Timing, Datenlinks und Kühlung.

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Warum wird präzises Timing am High-Luminosity LHC wichtiger?

Neu ist nicht nur die höhere Kanalzahl. ATLAS und CMS erhalten auch Detektortechnologien mit hochpräziser Zeitauflösung. CERN spricht von Timing-Detektoren mit Auflösungen von wenigen zehn Pikosekunden, also eine Billionstel Sekunde. Solche Zeitinformationen helfen, die vielen nahezu gleichzeitigen Kollisionen voneinander zu trennen.

Für die Technik bedeutet das besonders anspruchsvolle Anforderungen an Taktverteilung, Jitter, Synchronisation, Analog-Front-Ends und Digitalisierung. Bei bis zu 200 Kollisionen pro Bunch Crossing reicht Ortsinformation allein nicht mehr aus. Die Zeit wird zu einer zusätzlichen Messdimension, um Spuren und Energieeinträge korrekt einzelnen Kollisionen zuzuordnen.

Strahlenharte Readout-Chips für den ATLAS Inner Tracker

Ein Kernstück des Elektronikumbaus sind neue Readout-ASICs. Sie übernehmen unmittelbar am Sensor die erste Signalverarbeitung, verstärken und formen die Eingangssignale, führen Schwellenwertentscheidungen durch, puffern Trefferdaten und bereiten sie für die Weiterleitung auf. Weil diese Schaltungen nur wenige Zentimeter vom Kollisionspunkt entfernt arbeiten, müssen sie hohe Strahlungsdosen über Jahre hinweg ohne Funktionsverlust überstehen.

Für den neuen ATLAS Inner Tracker ist der Readout-Chip ITkPixV2 vorgesehen. Der ASIC stellt die letzte Entwicklungsstufe vor der Serienproduktion dar und bildet die zentrale Schnittstelle zwischen Pixeldetektor und Datenerfassung. Er steht exemplarisch für einen generellen Trend der HL-LHC-Upgrades: Immer mehr Signalverarbeitung wandert direkt in die Front-End-Elektronik. Daten werden bereits im Detektor gefiltert, zwischengespeichert und zeitlich sortiert, bevor sie über optische Verbindungen an die Back-End-Systeme gelangen.

So arbeiten Front-End-Elektronik, Back-End-Systeme und optische Datenlinks zusammen

Die Elektronik in einem Teilchendetektor ist grob in Front-End und Back-End aufgeteilt. Front-End-Elektronik sitzt nahe am Sensor. Sie verarbeitet kleine analoge Signale, digitalisiert Daten oder bereitet sie für die Übertragung vor. Back-End-Elektronik sitzt weiter entfernt, meist in zugänglicheren Elektronikhallen oder Servicebereichen. Dort werden große Datenströme gesammelt, mit FPGAs verarbeitet und an Rechensysteme weitergeleitet.

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Die klassische Kupferverkabelung stößt dabei zunehmend an ihre Grenzen. Deshalb setzen die HL-LHC-Upgrades konsequent auf optische Datenübertragung. Zum Einsatz kommen unter anderem die am CERN entwickelte lpGBT-Technologie sowie Komponenten der Versatile-Link-Familie. Sie transportieren Daten-, Takt- und Steuerinformationen zwischen den strahlungsnahen Front-End-Modulen und FPGA-basierten Back-End-Systemen über Glasfaserverbindungen.

Die Anforderungen gehen dabei weit über hohe Bandbreiten hinaus. Optische Transceiver und zugehörige Elektronik müssen über viele Jahre unter Strahlungseinfluss zuverlässig arbeiten und gleichzeitig präzise Taktsignale mit minimalem Jitter bereitstellen.

Neue Trigger- und DAQ-Systeme für Milliarden Teilchenkollisionen pro Sekunde

Die wichtigste Änderung betrifft Trigger und Datenerfassung (DAQ, Data Acquisition). TDAQ kombiniert Trigger and Data Acquisition und bezeichnet die komplette Kette aus Ereignisauswahl, Auslese, Sammlung und Weiterleitung der Daten. CERN betont, dass ATLAS und CMS ihre Trigger-Systeme vollständig ersetzen müssen, um die Leistung des HiLumi LHC auszuschöpfen. Der Grund liegt in der Datenflut: Aus Milliarden Wechselwirkungen pro Sekunde sollen nur die interessantesten Ereignisse zur weiteren Analyse ausgewählt werden.

ATLAS muss für die HL-LHC-Ära eine Ausleserate von 1 MHz bewältigen. Das bedeutet eine Million Ereignisentscheidungen pro Sekunde (!) auf der ersten Triggerstufe. Die höhere Rate ist nötig, weil bei mehr Kollisionen auch mehr potenziell interessante Ereignisse entstehen. Das neue Trigger- und Datenerfassungssystem muss daher größere Datenmengen früher im Signalpfad analysieren und effizienter entscheiden, welche Ereignisse gespeichert werden.

Bei CMS sind die Größenordnungen ähnlich anspruchsvoll. Für das Phase-2-Upgrade wird eine Auslese mit sehr hohen Datenraten beschrieben. Der Level-1-Hardwaretrigger, kurz L1, trifft eine erste Entscheidung mit speziell ausgelegter Elektronik. Danach analysiert der High-Level Trigger, kurz HLT, vollständige Ereignisse per Software auf Rechenknoten, potenziell ergänzt durch Hardwarebeschleuniger.

Warum werden Kalorimeter am HL-LHC bei Megahertz-Raten ausgelesen?

CERN nennt für die neuen Detektortechnologien auch Kalorimetersysteme, die bei Megahertz-Raten arbeiten können. Kalorimeter messen Teilchenenergien. Beim HL-LHC sind sie besonders wichtig, weil sie früh Informationen für den Trigger liefern können. Je schneller und feiner sie arbeiten, desto besser können Trigger-Systeme relevante Ereignisse erkennen.

Bei CMS betrifft der Umbau unter anderem das elektromagnetische Kalorimeter, kurz ECAL. Das ECAL misst vor allem Elektronen und Photonen. Für das CMS-ECAL wird die Readout- und Trigger-Elektronik ersetzt. Der Grund sind die härteren Betriebsbedingungen, höhere Datenraten und längere Trigger-Latenzen im HL-LHC-Betrieb.

Myonsysteme: robuste Ausleseelektronik für hohe Treffer- und Datenraten

Myonen sind Elementarteilchen, die große Teile eines Detektors durchdringen. Deshalb liegen Myonsysteme weit außen. Auch hier steigen beim HL-LHC die Treffer- und Datenraten. ATLAS und CMS müssen ihre Myon-Systeme so ertüchtigen, dass sie bei hoher Rate weiterhin zuverlässige Spur- und Zeitinformationen liefern.

Für CMS werden unter anderem Auslesesysteme der Cathode Strip Chambers, kurz CSC, modernisiert. Diese Detektoren sitzen in den Endkappen von CMS und müssen in Bereichen mit hoher Teilchenrate zuverlässig Myonen erfassen. Unter HL-LHC-Bedingungen würden bestehende Auslesesysteme an Grenzen stoßen, weshalb neue Elektronik nötig wird.

Wie verändern Stromversorgung und Kühlung das Detektordesign?

Mehr Kanäle und mehr Elektronik bedeuten mehr Verbraucher. Gleichzeitig ist der Platz im Detektor knapp, und zusätzliche Kabel erhöhen das Materialbudget. ATLAS setzt im neuen Inner Tracker deshalb auf ein serielles Versorgungskonzept. Dabei werden Module nicht klassisch einzeln parallel versorgt, sondern in Ketten mit konstantem Strom betrieben. Das reduziert Kabelmasse und Leistungsverluste im Detektorvolumen.

Auch auf Beschleunigerseite spielt Leistungselektronik eine wichtige Rolle. Neue Magnet- und Detektorsysteme brauchen stabile, präzise und zuverlässige Stromversorgung. Dazu kommen Kontrollsysteme, Sicherheitsfunktionen, technische Galerien und neue Infrastruktur, die während LS3 konsolidiert oder neu aufgebaut werden.

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Wie RF-Systeme und Crab Cavities die nutzbare Luminosität erhöhen 

Neben Detektorelektronik, DAQ und Stromversorgung betrifft der Umbau auch Hochfrequenzsysteme. RF steht für Radio Frequency, also Hochfrequenz. Eine zentrale HL-LHC-Technologie sind sogenannte Crab Cavities. Das sind supraleitende Hochfrequenzresonatoren, die Teilchenpakete kurz vor der Kollision leicht kippen. Dadurch überlappen die Protonenpakete am Kollisionspunkt besser, was die nutzbare Luminosität erhöht. Dazu gehört Low-Level-RF-Elektronik, kurz LLRF. Sie regelt Phase und Amplitude der Hochfrequenzfelder sehr präzise. Kleine Abweichungen können die Strahlqualität beeinflussen. 

Warum wird der High-Luminosity LHC zur Echtzeit-Datenmaschine?

Während der Long Shutdown 3 ruht der Teilchenstrahlbetrieb, die eigentliche Entwicklungsarbeit läuft jedoch auf Hochtouren. Tausende Ingenieure, Physiker und Techniker modernisieren Beschleuniger, Detektoren und Infrastruktur für die Anforderungen des HL-LHC. Der Beschleunigerkomplex soll ab 2028 schrittweise wieder anlaufen, der reguläre High-Luminosity-Betrieb ist für 2030 vorgesehen.

Der HL-LHC wird häufig über neue Magnete, Crab Cavities oder höhere Luminosität beschrieben. Für den praktischen Erfolg der Experimente ist jedoch die Elektronik mindestens ebenso entscheidend. Milliarden Sensorkanäle, strahlenharte ASICs, optische Multi-Gigabit-Links, FPGA-basierte Triggerarchitekturen und extrem hohe Datenraten bestimmen letztlich, ob die zusätzlichen Kollisionen wissenschaftlich nutzbar werden.

Mit dem High-Luminosity LHC entsteht deshalb nicht nur ein leistungsfähigerer Beschleuniger. Es entsteht eines der komplexesten Echtzeit-Datenverarbeitungssysteme, das jemals für ein wissenschaftliches Instrument gebaut wurde. Die eigentliche Herausforderung besteht nicht darin, mehr Kollisionen zu erzeugen, sondern daraus innerhalb von Mikrosekunden die wenigen Ereignisse herauszufiltern, die Hinweise auf neue Physik liefern könnten.