Elementarteilchenphysik Higgs! Wo steckst du?

Cernland ist eine Parallelwelt. Die Straßen dort heißen nach Einstein, Heisenberg oder Curie. Es gibt einen Kindergarten, ein Reisebüro, eine Bank, eine Post, eine Fahrradverleih und zahlreiche Freizeitangebote - vom Cern-Chor bis hin zum Cern-Yoga.

Dies ist das Europäische Zentrum für Teilchenphysik - und Wissenschaftler aus aller Welt träumen davon, hier zu forschen. Mehrere Nobelpreise wurden an Einwohner von Cernland verliehen. Dennoch wirkt sie etwas angegammelt, die Parallelwelt der Physiker. Die Bürogebäude gleichen Baracken. Die Arbeitszimmer sind winzig wie Legebatterien. In einem Treppenhaus tropfen Heizungsrohre.

Rolf Landua sitzt an seinem Lieblingsplatz, der Cafeteria, und schwebt in anderen Sphären. "Am Anfang war das Universum kleiner als ein Stecknadelkopf", sagt er, "und seit dem Urknall driftet es auseinander. Diese Bewegung wird immer schneller." Erstaunlich, denn eigentlich müßte die Schwerkraft die auseinanderstiebenden Teile mit der Zeit verlangsamen. Doch eine geheimnisvolle "Dunkle Energie" schiebt sie immer stärker an.

Forschung, die kein Mensch braucht?

Cern-Physiker beschäftigen sich mit den ganz großen Fragen: Bleibt das Weltall stabil? Warum existiert die Welt? Doch die Antworten darauf suchen sie in den kleinsten aller Dinge: Herr Landua und seine Kollegen untersuchen Teilchen, die so winzig sind, daß man sie unter keinem Mikroskop der Welt sieht. Wie geht das überhaupt? "Stellen Sie sich vor, Sie haben einen Sack voll Steine und ein Maschinengewehr", erklärt er. "Nun feuern Sie auf den Sack. Und wenn Sie einen Stein treffen, wird Ihre Kugel abgelenkt." Diese Ablenkung könne man messen. So erfahre man nach und nach mehr über die Steine und über die Kugeln. "Ganz ähnlich läuft das am Cern", sagt Landua. Nur schieße man nicht mit Gewehrkugeln auf Steine, sondern mit Protonen auf Protonen. Diese Teilchen zertrümmern sich gegenseitig, und dabei entstehen Tausende von neuen Teilchen: Die Detektoren schlagen aus, und die Menschen in Cernland sind glücklich.

Das Zerschmettern von Protonen nennen sie "Grundlagenforschung". Ein schöneres Wort für "Forschung, die eigentlich kein Mensch braucht", sagen Zyniker. Immerhin: In der medizinischen Diagnostik werden Erkenntnisse aus Cernland nutzbar gemacht. Und zur Bekämpfung mancher Tumore kann man inzwischen Protonenstrahlen einsetzen.

Doch der eigentliche Grund dafür, daß es Cernland gibt, ist die menschliche Neugier. Im Moment bauen die Cern-Physiker den Large Hadron Collider (LHC), die stärkste Beschleunigungsröhre der Welt, 27 Kilometer lang. Von Anfang 2008 an werden hier annähernd lichtschnelle Protonen aufeinanderkrachen. In den Trümmern will man nach neuen Teilchen suchen. Genauer gesagt: Teilchen, die es lediglich eine Billionstelsekunde nach dem Urknall gab. Der heilige Gral der Cernländer ist das Higgs-Teilchen. Das klingt nach Schluckauf, könnte aber den nächsten Physiknobelpreis bringen.

Es geht nicht kleiner - das ist Physik

Am LHC-Projekt sind insgesamt 10 000 Personen aus 50 Ländern und 500 Forschungsinstituten beteiligt - ein Monumentalprojekt. Ging es nicht ein paar Nummern kleiner? Rüdiger Schmidt lacht. "Unmöglich!", sagt der bärtige Physiker, als er dem Besucher die Montagehalle für die gigantischen Magnete zeigt. Sie sind der Grund dafür, daß es nicht kleiner geht. "Man muß sich das wie bei einem Hammerwerfer vorstellen, der sich im Kreis dreht." Der Zug auf der Kette, an dem die Metallkugel hängt, werde durch das Drehen immer stärker. Und die wichtige Rolle dieser Kette spielen im LHC die Magnete: Ihr Feld hält die Protonen exakt in der Mitte des Vakuumkanals. "Wenn wir den Beschleuniger nun kleiner bauen würden", sagt Schmidt, "bräuchten wir im Vakuumkanal stärkere Kurskorrekturen - oder stärkere Ketten, um beim Bild des Hammerwerfers zu bleiben." Bei einem zehnmal kleineren Ring wäre die Krümmung der Röhre 10.000mal stärker. Die Magneten müßten dann ebenfalls 10.000mal stärker sein. Das ist nun mal Physik.

Und wo ist die eigentliche Beschleunigerröhre? "Hier ganz in der Nähe kommt sie vorbei; 100 Meter unter der Erdoberfläche", sagt Schmidt. In dem Tunnel könnte man auch eine U-Bahn betreiben, die Röhre selbst hat lediglich einen Durchmesser von etwa zehn Zentimetern. Billionen von Protonen werden darin in beide Richtungen im Kreis fliegen. 800millionen mal pro Sekunde werden zwei Protonen gegeneinanderdonnern. Bei jedem einzelnen dieser Crashs werden Tausende von neuen Teilchen enstehen, welche die Meßgeräte alle erfassen und damit eine Datenlawine auslösen, wie sie die Welt noch nicht gesehen hat.

Hans Peter Beck reibt sich bereits die Hände: "Wenn das Higgs-Teilchen existiert, dann wird es in unserem Detektor aller Voraussicht nach zwei- bis dreimal pro Stunde auftauchen." Beck und sein Chef Peter Jenni müssen es wissen. Sie arbeiten an der Konstruktion von "Atlas", dem größten Detektor des Riesenbeschleunigers.

Alles besteht zu 99,9 Prozent aus Vakuum

Doch selbst wenn das Higgs-Teilchen tatsächlich aufblitzt: Wie wollen die beiden Herren es im Datenwust entdecken? "Um alle Meßdaten aus den LHC-Experimenten zu speichern, bräuchte man 15 Millionen CDs pro Jahr", sagt Jenni. Aufeinandergestapelt ergäben die CDs einen Turm gut doppelt so hoch wie der Mount Everest. Wichtig sind daher die elektronischen Filter, die innerhalb von zwei millionstel Sekunden entscheiden, welche Daten in die engere Auswahl kommen. Nur diese Vorauswahl wird anschließend in einer Datenbank gespeichert.

Entscheidend ist, wie die Protonen in der Röhre gegeneinandergeprallt sind. Bei Streifkollisionen sind die Resultate meist uninteressant, und nur bei einem Totalschaden können Kostbarkeiten wie das Higgs-Teilchen entstehen. Der ganze Affentanz wegen dieses Higgs-Teilchens? "Aber nicht doch", sagt Herr Jenni: "Mit dem neuen Teilchenbeschleuniger ist das wie bei Kolumbus: Wir suchen nach einem Seeweg nach Indien. Aber womöglich werden wir unterwegs ganz andere, noch viel aufregendere Dinge entdecken." Etwa die Herkunft der Dunklen Energie, die das Weltall immer schneller auseinander treibt.

Ist es nicht furchtbar anstrengend, ständig nach Dingen zu jagen, die unsichtbar sind? Rolf Landua schüttelt den Kopf: "Wir empfinden Materie zwar als etwas Kompaktes", sagt er und tippt mit dem Zeigefinger auf die Tischplatte: "Doch das ist ein Irrglaube." Tische, Menschen, Wände: "Alles besteht zu rund 99,9 Prozent aus Vakuum."

Elektronen sind „antisoziale Teilchen“

In grauer Vorzeit glaubten die Physiker, Atome seien kompakt. "Doch wenn man sich ein Atom als Fußballstadion vorstellt", erläutert Landua, "entspricht der Atomkern einer Erbse auf dem Mittelpunkt des Rasens. Und die Elektronen kreisen ganz außen um die Tribüne." Wenn also alle Dinge quasi leer sind - warum können wir trotzdem nicht durch Wände gehen? "Tja", sagt Landua, "das liegt nur an der Abneigung zweier Elektronen, sich gegenseitig in die Quere zu kommen." Elektronen seien halt "antisoziale Teilchen".

Zum Glück sind die Forscher von Cernland alles andere als unsozial. "Kooperation wird hier großgeschrieben", betont Maximilian Metzger, im Cern-Management unter anderem für Sicherheitsfragen zuständig. Er trägt ein frisch gebügeltes Hemd und eine Fliege. "Amerikaner, Chinesen, Iraner, Inder und Wissenschaftler aus Dutzenden weiterer Länder arbeiten im Cern friedlich zusammen." Mittlerweile sind täglich bis zu 7000 Leute auf dem Cern-Gelände unterwegs. "Wie in einer Kleinstadt sind da schon die Autos eine Gefahrenquelle." Aber es sei noch nie etwas Ernsthaftes passiert, sagt Metzger. "Wir haben es im Griff!"

Wird in dem neuen Teilchenbeschleuniger nicht auch radioaktive Strahlung entstehen? "In der Tat. Aber der LHC ist ja 100 Meter unter der Erde." In der Abluft aus dem Tunnel werde die Strahlungsmenge "in der Schwankungsbreite der natürlichen Radioaktivität" liegen. Und die neuen Teilchen? Könnten die gefährlich sein? Metzger winkt ab. "Da entstehen keine großen Brocken, die einem auf den Fuß fallen." Ob er "Die Physiker" von Friedrich Dürrenmatt kenne, das berühmte Drama, in dem Physiker in einem Irrenhaus untertauchen, weil sie sich vor dem Mißbrauch ihrer Entdeckungen fürchten? "Theoretisch läßt sich alles mißbrauchen", sagt Metzger. "Sie können auch auf einen Lastwagen eine Kanone bauen!"

Schlipsträger sind hier eher Exoten

Dann kommt er auf die finanziellen Engpässe im Cern zu sprechen: Vor wenigen Jahren mußte man sich von über 1000 Mitarbeitern trennen. Die Mittel würden im Cern weitgehend in die Experimente und die Sicherheitsvorkehrungen gesteckt. Daher auch die tropfenden Heizungsrohre in manchen Gängen? Herr Metzger lächelt. "Das ist in der Tat schäbig", sagt er. "Schreiben Sie ruhig, daß im Cern Nobelpreisträger in Rumpelkammern sitzen."

Eine gewisse Nachlässigkeit gehöre zum Image des Physikers aber auch dazu, sagt Metzger, daß man etwa nie zum Friseur gehe und keine Krawatte trage. Und es habe sich noch nie jemand beschwert, daß es ihm am Cern zuwenig luxuriös sei. Herr Metzger hat nicht ganz unrecht: Am Cern ist der Typ Waldschrat in der Tat häufig anzutreffen, Schlipsträger sind hier Exoten. Doch daneben gibt es auch eine Vielzahl unauffällig gekleideter Zeitgenossen vom Typ Physiklehrer. Und ein paar Frauen forschen ebenfalls in Cernland. Doch die sind fast so schwer zu finden wie Higgs-Teilchen.

Das Rechenzentrum wird in Cernland liebevoll "Computerfarm" genannt: 2000 miteinander verkabelte Computer sind hier gestapelt und aufgereiht. Wenn die LHC-Experimente starten, werden es 10 000 sein. Das Gebläse der Lüftung, die ein Aufheizen der Rechnerelektronik verhindert, dröhnt in den Ohren. Nervt das nicht? "Wir sind eh schon alle verrückt!" ruft der Netzwerkexperte Andreas Hirstius. "Da ist das egal!"

Gewöhnliche PC bändigen Datenflut

In der Farm stehen handelsübliche PC. Allerdings wurde jedem ein zweiter Prozessor eingebaut. "Daß wir gewöhnliche PCs anschaffen, war eine pragmatische Entscheidung!" ruft Hirstius gegen den Lärm. "Die sind billig, und bei Störungen gehen nicht zu viele Daten verloren." Speicherplatz gibt es hier für über fünf Millionen Gigabyte. Doch selbst die reichen nicht für die Datenlawine aus dem LHC, sagt Hirstius. Daher habe man sich bereits mit zwölf weiteren PC-Farmen in aller Welt zusammengetan, die Rechen- und Speicherkapazität zur Verfügung stellen. Als Hirstius nun erläutert, wie diese Datentransfers genauer ablaufen, versteht man nur noch "Gigamegagigasuprabyte".

Die Menschen in Cernland lieben nun mal ihr Fachgebiet. Einmal soll ein allzu fanatischer Cern-Physiker an seinem Arbeitsplatz an Skorbut erkrankt sein. Dabei gibt es doch das Cern-Restaurant. Als "Menü Proton" werden dort heute Pastetli mit Champignons serviert und als "Menü Neutron" Gulasch.

Am Nachmittag geht es mit Hans Peter Beck und Peter Jenni unter die Erde. Ihr Atlas-Detektor entsteht in einem gigantischen, 100 Meter tiefen Schacht - dort, wo die Protonen im Ringbeschleuniger vorbeiflitzen werden. Einzelteile für den Detektor werden seit Jahren aus aller Welt geliefert und hier zusammengebaut: Lego für Erwachsene. Das Fundament, auf dem der Atlas steht, ist aus fünf Meter dickem Beton. Wenn er endlich fertig ist, wird der Detektor 46 Meter lang und 25 hoch sein. "Und so schwer wie der Eiffelturm", schwärmt Herr Jenni. Es herrsche eine Art Konkurrenzsituation zwischen ihrem Atlas und dem CMS-Detektor, erklären die beiden Physiker. "Der CMS ist noch schwerer", sagt Jenni: Es sei aber völlig richtig, daß beide Großdetektoren gebaut werden. Schon aus Kontrollgründen: Die Wahrscheinlichkeit, daß in beiden die gleichen Meßfehler passieren, sei sehr gering.

Wo ist die Antimaterie geblieben

Rolf Landua dagegen arbeitet in einem ganz anderen Winkel von Cernland. Er ist Experte für Antimaterie. Ein Team von 30 Wissenschaftlern hat unter seiner Leitung Hunderttausende von Antiwasserstoffatomen gebastelt. Was ist überhaupt Antimaterie? "Wenn sich, wie etwa beim Urknall geschehen, Energie in Masse verwandelt, entsteht mit jedem Teilchen gleichzeitig auch sein spiegelbildliches Teilchen mit entgegengesetzter elektrischer Ladung", erklärt Landua. Leider sei die Antimaterie keine Freundin der Materie. "Materie und Antimaterie annihilieren sich gegenseitig", sagt Landua. Sie bringen einander um. Übrig bleibt lediglich Strahlungsenergie.

Warum haben sich Materie und Antimaterie dann nach dem Urknall nicht sofort gegenseitig vernichtet? "Das ist genau die Frage", sagt Landua: "Es muß da eine Art Knacks gegeben haben. Und wir versuchen dieses Rätsel nun im Labor zu entschlüsseln." Lange glaubten die Physiker, wenn man Materie durch Antimaterie ersetze und das Ergebnis im Spiegel betrachte, lasse sich kein Unterschied feststellen, erzählt Landua. Inzwischen werde immer klarer, daß es doch minimale Differenzen geben muß. Das könnte die Vorliebe der Natur für die Materie erklären, hofft der Physiker. Und damit die Existenz unserer Welt.

Bei all dem Sinnieren über die letzten Dinge der Physik kommt zuweilen auch etwas recht Praktisches heraus. So stand am Cern etwa die Wiege des Internet, so wie wir es kennen. Dem britischen Physiker Tim Berners-Lee kam Ende der achtziger Jahre - beim Blättern in einem Universallexikon - diese bahnbrechende Idee. Damals gab es erst krude Vorläufer des Netzes der Netze, bei denen man lediglich zwischen einzelnen Rechnern Daten austauschen konnte. Wie in einem Lexikon müsse man in einem "World Wide Web" über Hyperlinks von Begriff zu Begriff springen können, dachte sich Berners-Lee. Der Wissenschaftler und seine Kollegen setzten diese Vision um, erst für die Physikergemeinde, dann für die ganze Welt.

Das World Wide Grid kommt

Tim Berners-Lee hat Cernland mittlerweile den Rücken gekehrt. Doch noch immer sind die Bewohner von Cernland Pioniere der Technik. Sie träumen von einem "Grid" (zu Deutsch: Verteilernetz). Wenn sich die Vision umsetzen läßt, wird man sich in absehbarer Zeit auch mit Computern aus längst vergangenen Zeiten an die stärksten Rechner der Welt andocken können. Nach dem World Wide Web könnte das World Wide Grid der nächsten Quantensprung aus dem Cern werden, sagen die Physiker. Die Speicher- und Rechenkräfte unzähliger EDV-Netzwerke von Forschungszentren sollen zu einem einzigen Supercomputer zusammengeschlossen werden. Wieder erst für die Physikergemeinde, dann für die Welt. "Das Grid wird eines Tages so simpel wie das Elektrizitätsnetz funktionieren", schwärmt Herr Hirstius. Auch kleine User werden sich für ihr Laptop dann etwa problemlos Rechen- und Speicherkapazität aus dem Cern leihen können.

Und wie steht es sonst um die Zukunft von Cernland? Wenn eines Tages das Higgs-Teilchen gefunden sein wird, das Rätsel der Antimaterie gelöst ist und die Dunkle Energie entzaubert - ist dann Feierabend?

Tatsuya Nakada schüttelt den Kopf. "Wir Physiker glauben, daß das Standardmodell der Teilchenphysik unvollkommen ist", sagt der Japaner. "Und wir hoffen insgeheim, daß lediglich eine einzige Kraft die Wurzel dieser Welt ist." Also doch Metaphysik?

Mit der Stringtheorie zur Weltformel?

Wie man's nimmt. Herr Nakada spielt auf die Stringtheorie an. "Stringtheoretiker gehen von winzigen Saiten aus, die die Grundlage allen Seins bilden", erklärt Nakada. Alle Teilchen seien lediglich Schwingungen dieser Saiten. "Aber derzeit kann diese Theorie durch kein Experiment der Welt bewiesen oder widerlegt werden." Sie sei erst eine "theoretische Theorie".

Trotzdem glauben viele Menschen in Cernland, daß eine solche Weltformel, die alles vereint, tatsächlich existiert. Die Stringtheorie haben sie bereits weiterentwickelt. "Momentan liegt die M-Theorie gut im Rennen", sagt Rolf Landua. Die M-Theorie sei der ambitionierte Versuch, die unterschiedlichen Varianten der Stringtheorie unter einen Hut zu bringen: "Sie beschreibt alle Teilchen der Welt als hauchdünne, schwingende Membranen eines elfdimensionalen Raum-Zeit-Gefüges." Die M-Theorie zu beweisen wird noch ein weiter Weg, selbst für die Bewohner von Cernland. Doch Herr Landua und Herr Nakada freuen sich bereits wie Kinder darauf, daß der Monsterbeschleuniger LHC endlich ans Netz geht und die gigantische Datenlawine in Schwung bringt.

Hat mal als Cern-Physiker auch manchmal Zweifel oder Ängste? Die Wissenschaftler schweigen. "Der Alptraum wäre, wenn wir überhaupt nichts Neues finden mit dem LHC", sagt Tatsuya Nakada nach einer Weile: "Und wirklich ausgeschlossen ist das ja leider nicht."