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Geodätische Grundlagen für den Teilchenbeschleuniger des CERN

Der neue Teilchenbeschleuniger des CERN benötigt präzise Geodätische Grundlagen von swisstopo.

14.01.2022 | DKW

Future Circular Collider
Future Circular Collider

Das CERN, die Europäische Organisation für Kernforschung in der Nähe von Genf, betreibt wichtige physikalische Grundlagenforschung zum Aufbau der Materie. Hierfür setzt die renommierte Forschungseinrichtung seit 2008 den Large Hadron Collider (LHC) ein, mit 27 Kilometern Länge der grösste Teilchenbeschleuniger der Welt. Nun soll gemäss der «Europäischen Strategie für die Teilchenphysik» eine Machbarkeitsstudie zum Nachfolgermodell des bisherigen Kernstücks des CERNs durchgeführt werden. Es handelt sich dabei um den Future Circular Collider, abgekürzt FCC. Dieser soll dreimal grösser werden als sein Vorgänger und dadurch eine weit grössere Energie für die Kollision der Teilchen entwickeln können.

Wie funktioniert ein Teilchenbeschleuniger?

In einem Partikelbeschleuniger kreisen Teilchen, im Falle des LHC sind das Protonen oder Blei-Ionen in einer Vakuumröhre. Dort werden die Teilchen mittels elektrischen Feldern beschleunigt. Sie werden dabei von Magnetspulen beeinflusst, welche ihre Richtung steuern. Diese Magnetspulen müssen sehr präzise ausgerichtet sein. Die Vermessungsabteilung des CERN nimmt eine erste, millimeterexakte Ausrichtung vor. Für diesen Zweck ist ein sehr genaues Modell des Schwerefeldes der Erde nötig. Dieses Modell wird als Geoidmodell bezeichnet und dient unter anderem dazu, die Messungen zu korrigieren. Das Geoidmodell wird anhand von verschiedenen Messungen berechnet, zum Beispiel Messungen der Schwerkraft und GNSS-Nivellement, eine Kombination von GNSS-Messungen mit Nivellement.

Vermessungsfahrzeug swisstopo

Eine wichtige Voraussetzung für die Umsetzung des Projekts sind also hochgenaue geodätische Grundlagen. Dies für die Planung, sowie für den Bau und anschliessend den Betrieb des futuristischen Teilchenbeschleunigers. Hierfür reichen bereits vorhandene Modelle nicht aus. Stattdessen hat die Zusammenarbeit zwischen dem CERN, der ETH Zurich, der Hochschule für Wirtschaft und Ingenieurwissenschaften des Kantons Waadt (HEIG-VD) und swisstopo zum Ziel, hochgenaue geodätische Grundlagen für das Projekt bereitzustellen. Ein erwartetes Resultat dieser Zusammenarbeit ist ein hochgenaues Schwerefeldmodell für die Umgebung des FCC. swisstopo unterstützt das Projekt einerseits mit praktischen Aspekten wie der Durchführung von neuen Messungen oder stellt bestehende Messungen oder Equipment zur Verfügung. Andererseits unterstützt swisstopo das Projekt mit seiner Expertise. 

In einem ersten Schritt wird ein 50 km langes geodätisches Profil erstellt, das von Genf nach Annecy verläuft. Einerseits wurden bestehende Nivellement-Messungen sowohl des IGN (französisches Pendant des Bundesamtes für Landestopografie) wie auch von swisstopo integriert. Ein Teilstück von 8 km wurde durch das CERN neu nivelliert. Andererseits hat swisstopo entlang des Profils etwa alle 800 m eine Lotabweichungsmessung mittels einer Zenitkamera durchgeführt. Die hierfür verwendete Zenitkamera wurde am Institut für Geodäsie und Photogrammetrie der ETH Zürich entwickelt. Zudem wurden im Herbst 2021 im Rahmen einer grossen, einwöchigen GNSS-Kampagne mit Beteiligung aller Projektpartner 50 Punkte mittels hochpräzisem, statischen GNSS vermessen.  

Aus all diesen Messungen entsteht ein sehr exaktes Geoidprofil (quasi ein Schnitt des Geoids entlang des Profils), das für Validierungs- und Vergleichszwecke verwendet werden kann. Das ist die Grundlage, um die zukünftigen Geoidmodelle auf ihre Genauigkeit hin zu bewerten. Die Berechnung der neuen Geoidmodelle wird nach Abschluss der Arbeiten am Profil angegangen. Auch hierfür sind einige Verdichtungsmessungen nötig.

The Geoid in Switzerland
Geoid der Schweiz

Die Zusammenarbeit mit dem CERN ist für swisstopo kein Novum. Schon mehrmals gab es eine Kooperation zwischen der Forschungseinrichtung mit Sitz in Genf und dem Bundesamt für Landestopografie. Die Forschungszusammenarbeit ist für swisstopo insofern wertvoll, weil im Projekt neue Methoden und Software zur Anwendung kommen, die auch für die reguläre Landesvermessung zukünftig von Nutzen sein können. 

Bundesamt für Landestopografie swisstopo Seftigenstrasse 264
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