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Die Big-Bang-Maschine

Der grösste und stärkste Teilchenbeschleuniger der Welt bei Genf, der LHC, nimmt im September seinen Betrieb auf. Erwartet werden von dem technischen Meisterwerk neue Einsichten in den Aufbau der Materie.

Die Fahrt zu den Hauptgebäuden des Cern bei Meyrin führt durch schönstes Landwirtschaftsgebiet. Unter den mit Mais, Weizen und Gras bewachsenen Feldern beim Centre Européen de la Recherche Nucléaire liegt unsichtbar im Boden vergraben der 27 Kilometer lange kreisförmige Tunnel. Hier beginnt Ende August eines der aufregendsten und grössten Physikexperimente, an dem insgesamt über 6000 Wissenschaftler aus 35 Nationen beteiligt sind. Hundert Meter unter den schönen Feldern werden in den kommenden Monaten Kerne von Wasserstoff-Atomen – Protonen – auf eine extreme Geschwindigkeit beschleunigt und danach auf Kollisionskurs gebracht.

Nie zuvor wurde Materie von Menschenhand mit derart viel Energie aufeinander gejagt. Beim Zusammenprall der mit 99,9999991 Prozent der Lichtgeschwindigkeit fliegenden Protonen wird eine Vielzahl von Teilchen entstehen, von deren genauer Vermessung sich die Physiker neue Einsichten in den Aufbau der Materie erhoffen. «Die Erwartungen sind sehr gross», sagen Felicitas Pauss und Günther Dissertori, Professoren für Teilchenphysik an der ETH Zürich, die mit dem ultimativen Beschleuniger forschen können. 1994 wurde der Bau des LHC beschlossen, nach 14 Jahren Bauzeit gehts jetzt los. «Ende August sollten die ersten Protonenbündel zu kreisen beginnen», sagen die Physiker.

Zurück zum Urknall

Wir sitzen im Garten der Cern-Hauptgebäude bei Meyrin, auf Schweizer Boden des Large Hadron Colliders LHC, wie der Beschleuniger genannt wird. Large steht für gross, Collider für Zusammenstoss, Hadron für die Klasse der Elementarteilchen, die beschleunigt werden. Der LHC ist weltweit der stärkste Teilchenbeschleuniger, der die kursierenden Protonen auf eine Energie von 7 TeV (Teraelektronenvolt, Tera ist eine 1 mit 12 Nullen) beschleunigt. Das tönt nach viel, 1 TeV entspricht aber gerade mal der Energie einer sich bewegenden Fliege. Doch weil die Protonen extrem klein sind, weisen die Teilchen eine gewaltige Energiedichte auf. Sie entspricht auf der unvorstellbar kleinen Fläche des Zusammenstosses dem Energiegehalt, wie er unmittelbar nach dem Urknall vor rund 13,6 Milliarden Jahren existierte. Nie zuvor kam die Menschheit mit einer Maschine so nahe an den Big Bang heran, auf einen Zustand 10 –11 Sekunden nach dem Urknall. «Wir blicken mit dem LHC in früheste Phasen der Entstehung unseres Universums und versuchen seine Entwicklung zu verstehen», sagt Dissertori.

Vier Fragen

Der Blick schweift über die Sommerlandschaft. Rund 100 Meter unter den Feldern sucht also die Elite der Physiker Antworten auf fundamentale Fragen der Teilchenphysik. «Es geht im Wesentlichen um vier Fragestellungen, die wir mit dem LHC beantworten möchten», erläutern die beiden Wissenschaftler:

> Da ist zunächst die Frage nach der Masse. Die gängigen Modelle aus der Physik erklären nicht, wieso manche Teilchen schwer, andere leicht sind. Die Antwort darauf könnte im Higgs-Feld liegen, dessen Namen auf den heute 79-jährigen Physiker Peter Higgs zurückgeht. Dieses Feld verleiht allen anderen Teilchen eine Masse, den einen mehr, den anderen weniger. Wenn es dieses Higgs-Feld gibt, dann sollte sich das damit verbundene Teilchen – das Higgs-Boson – am LHC nachweisen lassen. Es wird in Anlehnung an einen Ausspruch des Nobelpreisträgers Leon Ledermann («The God Particle») auch als Gott-Teilchen bezeichnet.

> Um alle Kräfte zu vereinigen, haben Physiker die Theorie der Supersymmetrie entwickelt. Es müsste dann zu jedem bekannten Teilchen einen symmetrischen Partner geben, derjenige zum Elektron wird zum Beispiel als Selektron bezeichnet. Nachgewiesen wurden sie im Experiment noch nicht, existieren sie tatsächlich im vorgesehenen Massebereich, dann werden sie am LHC ein erstes Mal sichtbar.

> Aufgrund der Bewegungen von Sternen in Spiralgalaxien weiss man, dass das Weltall von dunkler, unbekannter Materie dominiert wird. Die bekannte Materie macht nur etwa vier Prozent des Universums aus. Woraus diese dunkle Materie besteht, ist eine offene Frage. Ein möglicher Kandidat ist das leichteste der supersymmetrischen Teilchen – das auch am LHC entdeckt werden könnte.

> Der LHC wird schliesslich auch zum besseren Verständnis der Anti-Materie beitragen. Wenn sich Energie in Materie verwandelt, wie dies beim Urknall der Fall war und wie dies bei den Proton-Proton-Kollisionen im LHC passiert, dann herrscht Symmetrie zwischen Materie und Antimaterie. Zu jedem Teilchen entsteht das dazugehörige Anti-Teilchen. Doch unser Universum besteht heute hauptsächlich aus Materie. Die Experimente am LHC könnten eine Antwort darauf geben, wo die Antimaterie des Urknalls geblieben ist.

Meisterwerk der Technik

Man beginnt zu verstehen, wieso sich die Physiker auf den Betriebsstart der 4,6 Milliarden Franken teuren Maschine freuen. Eigentlich gleicht der LHC einem riesigen Mikroskop, mit dem in die kleinsten Strukturen der Materie hineingeschaut wird. Die dazu nötige Anlage ist ein technisches Meisterwerk, an dem Tausende von Ingenieuren, Physikern und Technikern gearbeitet haben. Im Zentrum sind zwei faustgrosse Hoch-Vakuum-Röhren, in denen die beiden Protonenstrahlen gegenläufig auf einer Kreisbahn drehen. Sie werden in Beschleunigerzonen elektromagnetisch auf Trab gebracht und erreichen nach und nach das 0,999999991-Fache der Lichtgeschwindigkeit. Jedes Proton durchläuft den Ring über 11 000-mal pro Sekunde.

Um diesen energiereichen Strahl auf eine Ringbahn zu zwingen, sind extrem starke Magnete nötig. Die beiden Vakuumröhren sind deshalb von supraleitenden Magneten umgeben, die eine Betriebstemperatur von minus 271,3 Grad (1,9 Kelvin) aufweisen, weniger als in den Weiten des Alls. Nur bei dieser extremen Kälte nahe beim absoluten Nullpunkt ist der supraleitende Effekt der Magnete erzielbar, der wiederum nötig ist, um die notwendigen Magnetfelder zu erreichen. Beeindruckend sind die 1232 Dipolmagnete: diese 14,3 Meter langen und 35 Tonnen schweren Magnete werden bei einer Temperatur von 1,9 Kelvin betrieben. Zurzeit werden sie immer noch runtergekühlt. Insgesamt sind im LHC mehr als 9000 Magnete eingebaut.

Analyse in den Detektoren

Die Protonenstrahlen – es handelt es sich nicht um einen ununterbrochenen Strahl, sondern Protonenbündel – werden an mehreren Orten aufeinander gelenkt, den Kollisionspunkten. In vier Kavernen unter dem Boden sind riesige Detektoren aufgebaut, welche – einer Kamera vergleichbar – aufnehmen, was beim Zusammenstoss passiert. Wenn die Teilchenstrahlen einmal auf Touren gekommen sind, so werden 600 Millionen Teilchenkollisionen pro Sekunde in den Detektoren stattfinden – und zwar rund um die Uhr während voraussichtlich sieben Monaten pro Jahr. Ausgelegt ist der LHC auf eine Betriebsdauer von 15 Jahren.

Die Detektoren sind das eigentliche Herzstück des LHC, sie registrieren die Ereignisse nach dem Zusammenstoss und nehmen die Spuren der zum Teil sehr kurzlebigen Teilchen auf. Ähnlich einer Zwiebel sind in den Detektoren mehrere Schichten von Erkennungssystemen übereinander gelagert. Sie sind so ausgelegt, dass sie die zu erwartenden Teilchen aufgrund ihrer Bewegung und Energie erkennen können. Auch hier herrschen Superlative: Der grösste dieser Teilchendetektoren ist 7000 Tonnen schwer, heisst Atlas, ist 46 Meter lang und 25 Meter hoch und weit – so gross also wie etwa ein mächtiges, zehnstöckiges Wohnhaus. Rund 2000 Mitarbeiter aus 164 Instituten aus 35 Ländern sind allein an den Atlas-Experimenten beteiligt. Mit ähnlichen Dimensionen wartet der CMS-Detektor auf, an dem über 2000 Physiker arbeiten, auch Felicitas Pauss und Günther Dissertori mit ihren Teams. Was das Higgs-Teilchen betrifft, so könnte es sowohl im Atlas- als auch im CMS-Detektor nachgewiesen werden. Hier fährt man bewusst zweigleisig mit verschiedenen Technologien, auch um die Forscher anzustacheln. «Es herrscht ein stimulierender Wettbewerb», sagt Dissertori.

Nachweis braucht Zeit

Es ist im Übrigen nicht so, dass man das Higgs-Teilchen einmal in den Detektoren sehen und dann hieb- und stichfest nachgewiesen haben wird. Vielmehr geht es um einen statistischen Nachweis. Von den rund 600 Millionen Kollisionen in jeder Sekunde sind etwa 100 interessant, sie werden mit Computerprogrammen aus dem Datenwust identifiziert und danach von Forschern weltweit näher überprüft. Ist ein Higgs-Boson darunter, dann wird es darum gehen, diesen Befund zu bestätigen.

«Wir rechnen damit, dass wir nach zwei bis drei Jahren genug Material für einen Nachweis des Higgs-Teilchens haben», sagt Dissertori. Doch sind die Experimente am LHC nur dazu da, um vorhergesagte Teilchen und Theorien zu bestätigen? Günther Dissertori und Felicitas Pauss weisen die Frage vehement zurück. «Es ist auch möglich, dass wir die vorausgesagten Teilchen nicht finden, aber stattdessen ganz neue Phänomene beobachten. Dann wirds erst recht spannend!»

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