Keine Angst vorm schwarzen Loch Teilchenbeschleuniger LHC: Ring frei

Der riesige neue Teilchenbeschleuniger (LHC: Large Hadron Collider) am Europäischen Kernforschungszentrum bei Genf hat am Mittwoch morgen seinen Betrieb aufgenommen. Auf http://webcast.cern.ch lässt sich live verfolgen, wie die Maschinen hochgefahren werden und Wasserstoffkerne ihre ersten kompletten Bahnen drehen. Noch geht es darum, den Teilchenstrahl im Beschleuniger stabil zu halten. Werden erst einmal Protonen zur Kollision gebracht, wird man für kurze Zeiten Energien erreichen, wie sie für die Entwicklungsphase des Universums Sekundenbruchteile nach dem Urknall charakteristisch waren. Über dabei vielleicht auch entstehende alles verschlingende schwarze Minilöcher muss man sich aber wirklich keine Sorgen machen.

Herr der Ringe

Es ist fast ein Naturgesetz: Je tiefer die Teilchenphysiker in die Struktur der Materie blicken und je mehr Einzelheiten sie ihr entlocken wollen, desto größere und aufwendigere Beschleunigeranlagen benötigen sie. Mit einem Umfang von 27 Kilometern ist der Large Hadron Collider (LHC), der nach einer Bauzeit von fast fünfzehn Jahren am Europäischen Zentrum für Elementarteilchenforschung (Cern) bei Genf fertiggestellt worden ist, der größte und leistungsfähigste Teilchenbeschleuniger und Speicherring der Welt. Mit Kosten von drei Milliarden Euro ist der "Herr der Ringe" der teuerste aller Zeiten obendrein.

An diesem Mittwoch wird man erstmals Wasserstoffkerne in dem unterirdischen Beschleunigertunnel umlaufen lassen - die Elementarteilchenphysiker in der ganzen Welt warten sehnlichst auf diesen Augenblick. Wenn alles gut läuft, sollen Protonen noch in diesem Jahr zur Kollision gebracht werden, zunächst behutsam, später dann mit voller Wucht. Es ist das Ziel des Vorhabens, an dem rund zehntausend Wissenschaftler aus mehr als sechzig Ländern beteiligt sind, die Vorgänge zu simulieren, wie sie sich Billionstelsekunden nach dem Urknall vor 13,7 Milliarden Jahren abgespielt haben. So nah ist man dem Urknall noch mit keinem Teilchenbeschleuniger zuvor gekommen.

Im Teilchenregen

Viele Millionen Mal pro Sekunde sollen die Teilchen aufeinanderprallen. Bei jedem Zusammenstoß wird das Siebenfache der Kollisionsenergie des gegenwärtig leistungsfähigsten Teilchenbeschleunigers erzeugt. Die Physiker des Cern sind sich sicher, dass die Natur unter diesen Bedingungen neue Geheimnisse in Gestalt noch unbekannter Teilchen preisgeben werde: etwa das Higgs-Teilchen, nach dem man schon lange sucht. Der noch fehlende Baustein der Materie soll dafür verantwortlich sein, dass die bekannten Elementarteilchen überhaupt eine Masse besitzen. Oder vielleicht findet man Indizien für einen hypothetischen Effekt namens Supersymmetrie, der die Existenz der "dunklen Materie" erklären könnte, die den überwiegenden Teil der Materie unseres Universums ausmacht, aber im Gegensatz zur bekannten Materie selbst mit den leistungsfähigsten Teleskopen nicht direkt gesichtet werden kann. Vielleicht erfahren die Physiker endlich, warum die Natur die Materie bevorzugt hat und nicht die Antimaterie, was bereits in der extremen frühen Phase nach dem Urknall geschehen sein muss.

Die Erwartungen sind groß. Schließlich soll der LHC auch die Stagnation beenden, in der die Teilchenphysik zu stecken scheint. Denn seit Jahrzehnten scheint es, als seien die Experimentalphysiker nur dazu bestimmt, die Vorhersagen der Theorieabteilung zu bestätigen. Der LHC wird in einen Bereich vordringen, der auch für die Theoretiker Neuland darstellt. Auch dürften die Ergebnisse des Mammutprojekts den Weg für den Bau eines noch stärkeren Teilchenbeschleunigers ebnen, des International Linear Collider.

Bekenntnis zur Grundlagenforschung

Einen messbaren Nutzen wird man aus den Forschungsergebnissen des LHC wohl kaum ziehen können. Das ist das Dilemma jeglicher Grundlagenforschung, auch wenn sie Fragen nachgeht, die unsere Existenz berühren. Ein Projekt wie der LHC wirft zwangsläufig technische Neuerungen ab; unschätzbar ist daneben der Beitrag zur Völkerverständigung: Pakistaner und Inder, Chinesen und Taiwaner, Iraner und Amerikaner arbeiten Seite an Seite für ein gemeinsames Ziel. Das Erkenntnisstreben der Teilchenphysiker des Cern ist den zwanzig europäischen Mitgliedstaaten zumindest jedes Jahr rund 650 Millionen Euro wert. Deutschland ist mit etwa zwanzig Prozent der größte Beitragszahler.

Der technische Aufwand für den Beschleunigerring übertrifft alles Bisherige. Wunderwerke moderner Technik sind die fast sechs Stockwerke hohen Nachweisgeräte, welche die bei den Proton-Proton-Kollisionen entstehenden Myriaden Teilchen registrieren und auf ihre Eigenschaften hin vermessen sollen. Seit 1984 wurden mehr als hunderttausend Tonnen an Material verbaut. Zuerst war das zunächst mit etwa umgerechnet 1,5 Milliarden Euro veranschlagte Projekt lange Zeit aufgrund einer Finanzlücke nicht genehmigt worden. Dann verzögerten zahlreiche technische Hindernisse und finanzielle Engpässe die Inbetriebnahme. Um Kosten zu sparen, musste das Cern ein Drittel der Stellen abbauen, Forschungsaktivitäten vorübergehend stilllegen und zum ersten Mal einen Kredit aufnehmen. Das Schicksal des Superconducting Super Collider (SSC) der Vereinigten Staaten ist dem LHC erspart geblieben: Der Bau des 87 Kilometer langen Speicherrings wurde 1994 wegen zu hoher Kosten vom Kongress gestoppt. In Genf haben die amerikanischen Teilchenphysiker eine zweite Heimat gefunden.

Messergebnisse erst ab 2010

Der Beschleuniger und die Detektoren sind zu komplex, als dass es ein Kinderspiel wäre, sie richtig zum Laufen zu bringen. Die erste Betriebsphase des LHC wird somit auch hauptsächlich dazu dienen, die Protonenstrahlen stabil zu halten, die Detektoren richtig zu verstehen und die Datenaufnahme zu testen. Mit den ersten Messergebnissen werde man nicht vor 2010 rechnen können, schätzen Optimisten. Die moderne Teilchenphysik erfordert Mut, viel Geld und einen langen Atem.