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Fragen und Antworten zum Teilchenbeschleuniger

Physiker am Cern erhoffen sich vom LHC grundlegende Einblicke in den Aufbau des Universums – neun Antworten auf häufig gestellte Fragen.

1. Was ist das Cern?

Die Europäische Organisation für Kernforschung (Cern) bei Genf ist mit 7000 Wissenschaftlern aus 80 Ländern das weltweit grösste Forschungszentrum für Teilchenphysik. Dort wird seit 1954 nach Antworten auf Fragen zu Beschaffenheit und Entwicklung des Universums gesucht. Am Cern wurden auch die Protokolle des World Wide Web entwickelt, um Wissenschaftlern die Kommunikation zu erleichtern. Seit dem Baubeginn 1999 fiebern die Physiker der Inbetriebnahme des LHC entgegen.

2. Was ist der Large Hadron Collider?

Der LHC ist der grösste jemals gebaute Teilchenbeschleuniger. In dem 27 Kilometer langen und knapp vier Meter hohen Tunnel im schweizerisch-französischen Grenzgebiet werden die kleinsten Bausteine der Materie, sogenannte Elementarteilchen, bei einer Temperatur von minus 271 Grad fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und zur Kollision gebracht. Starke Magneten halten sie auf der Kreisbahn.

3. Was hat der LHC gekostet?

Die Kosten der Anlage belaufen sich auf 6,5 Milliarden Schweizer Franken.

4. Warum ist der Beschleuniger so gross?

Je kleiner die Teilchen sind, die beobachtet werden sollen, desto grösser muss das «Mikroskop» sein. Zellen einer Pflanze lassen sich mit einem einfachen Lichtmikroskop betrachten, für Atome braucht man schon ein Elektronenmikroskop mit einer kleineren Wellenlänge als sichtbares Licht. Für die Beobachtung noch viel kleinerer Elementarteilchen benötigen die Forscher eine extrem hohe Auflösung, also besonders viel Energie und besonders grosse Beschleuniger.

5. Was passiert im LHC?

Protonen werden mit Lichtgeschwindigkeit aufeinandergeschleudert. Deren elementare Bestandteile - Quarks und Gluonen - erzeugen neue Teilchen und Energie. Es werden Temperaturen erreicht wie in der ersten Billionstelsekunde nach dem Urknall. Die Beobachtung der Prozesse im LHC ist daher wie ein Blick auf einen Moment kurz nach der Entstehung des Universums.

6. Versinkt die Erde nach Inbetriebnahme des LHC in einem Schwarzen Loch?

Diese Befürchtungen, die sogar schon den Europäischen Gerichtshof für Menschenrechte beschäftigten, werden von nahezu allen ernstzunehmenden Physikern belächelt. Zunächst einmal ist gar nicht klar, ob überhaupt winzige Schwarze Löcher entstehen. Wenn ja, haben sie kaum etwas mit ihren sternenverschlingenden Namensvettern in den Weiten des Weltalls gemein. Sie dürften unmittelbar nach ihrem Auftreten schon wieder zerfallen und hätten gar keine Zeit, durch das «Verschlucken» von Materie zu wachsen. Die bei der Kollision zweier Protonen freiwerdende Energie ist für ihre Grösse gewaltig - im grösseren Massstab aber gering: Sie entspricht der zweier Mücken, die im Flug zusammenstossen.

Für das schlagkräftigste Gegenargument halten die Physiker ihre eigene Existenz, die der Erde und aller Himmelskörper: Denn die im LHC ablaufenden Prozesse spielen sich ständig ab, wenn kosmische Strahlung zum Beispiel auf die Atmosphäre trifft. Und dabei ist ganz offenbar noch kein bedrohliches Schwarzes Loch entstanden.

7. Wonach suchen die Teilchenphysiker mit dem LHC?

Erster Kandidat ist das Higgs-Teilchen, von manchen auch «Gottesteilchen» genannt. Die Physiker haben es geschafft, die Existenz und das Verhalten aller Elementarteilchen mit einer Theorie zu erklären, dem sogenannten Standardmodell. Leider gehen die Berechnungen nur auf, wenn die Teilchen keine Masse hätten. Der englische Physiker Peter Higgs rettete das schöne Modell 1964, indem er die Existenz eines Felds oder Teilchens voraussagte, das den anderen Teilchen erst ihre Masse verleiht – so als steckten diese in einem zähen Sirup. Seitdem sind die Wissenschaftler auf der Suche nach dem sogenannten Higgs-Boson.

8. Wann ist mit ersten Ergebnissen zu rechnen?

Frühestens in einigen Monaten. Am Mittwoch werden zunächst mal Protonen «ohne Gegenverkehr» durch den Ring geschickt, erste Kollisionen sollen im Oktober folgen. Im Vollbetrieb lassen die Physiker im LHC pro Sekunde eine Milliarde Mal solche Elementarteilchen mit einem anderen Proton zusammenstossen. Dabei dürfte aber nur einmal pro Minute ein Higgs-Teilchen entstehen, was an die Suche nach der sprichwörtlichen Nadel im Heuhafen erinnert. Die Datenflut wird gefiltert und von Computern aufgearbeitet. Wird das Higgs-Teilchen tatsächlich nachgewiesen, dürfte seinem heute 79-jährigen Namensgeber der Nobelpreis sicher sein.

9. Wären mit der Entdeckung des Higgs-Teilchen alle Fragen geklärt?

Keineswegs, und der LHC soll den Physikern wichtige neue Hinweise zu den grossen Rätseln des Universums verschaffen. Bislang gibt es noch zwei Arten von Elementarteilchen, die die Physiker gern in einer Theorie zusammenführen möchten. Die Verfechter der sogenannten Supersymmetrie sind überzeugt, dass es zu jedem Teilchen ein passendes Gegenteilchen gibt, den sogenannten Superpartner. Der LHC könnte Hinweise auf deren Existenz bringen.

Eines dieser Teilchen ist eng verbunden mit der rätselhaften Tatsache, dass 95 Prozent des Universums aus Dunkler Materie und Dunkler Energie bestehen. Das haben Astronomen und Astrophysiker aus der Beobachtung des Universums errechnet, von dieser dunklen Seite unserer Welt weiss man aber nahezu nichts. Eins der Gegenteilchen zu den Elementarteilchen steht im Verdacht, Baustein der Dunklen Materie zu sein.

Schliesslich erhoffen sich die Physiker von den LHC-Ergebnissen neue Erkenntnisse auf ihrem mühevollen Weg zu einer «Weltformel». Einsteins allgemeine Relativitätstheorie erklärt die Welt im Grossen, die Quantenfeldtheorie im Kleinen. Beide passen leider mathematisch nicht recht zusammen, was einige Wissenschaftler mit der sogenannten String-Theorie auflösen wollen. Diese setzt aber einfach mal die Existenz von zehn Dimensionen voraus. Der LHC, so hoffen die Theoretiker, könnte Phänomene entdecken, die ein völlig neues Licht auf die letzten grossen Geheimnisse der Natur werfen.

AP/raa

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