Teilchenphysik Eine Blechtrommel namens Atlas

„Willkommen am Punkt 1 des LHC-Rings.“ Aus 30 Meter Höhe blicken Karl Jakobs und Michael Hauschild auf ein Gewirr aus Röhren, Kästen und Kabeln hinunter - alles in allem ein monströses, blau-silbriges Etwas, das die Kaverne von der Größe eines Kirchenschiffes fast vollständig ausfüllt. Am Boden der Halle sieht man Techniker hantieren. Sie erscheinen wie Zwerge am Fuße eines Gebirges aus Stahl, Kunststoff und Silicium.

Jakobs und Hauschild sind Mitglied der „Atlas-Kollaboration“, zwei aus einem Heer von rund 2000 Physikern und Ingenieuren, die an dem Ungetüm mitarbeiten, das hier, 50 Meter unter der Erde im französisch-schweizerischen Grenzgebiet bei Genf, langsam die Form einer Waschmaschinentrommel für Riesen angenommen hat. Es heißt Atlas, wie der Titanensohn, der in der griechischen Mythologie das Himmelsgewölbe stützt. Auf den Genfer Koloss könnte sich immerhin einmal unser Wissen über die Grundfeste des physikalischen Weltgebäudes stützen. Denn eigentlich ist „Atlas“ ein etwas gedrechseltes Akronym: „A Toroidal LHC ApparatuS“ (ein toroidaler LHC-Apparat). „Toroidal“ bedeutet dabei „von der Form eines Reifens“ - womit die Form eines seiner Magnetfelder gemeint ist -, und „LHC“ steht für „Large Hadron Collider“, was etwa so viel heißt wie „großes Gerät zum Aufeinanderkrachenlassen von Hadronen“. Hadronen wiederum sind eine bestimmte Sorte subatomarer Teilchen.

Crashs im Karussell

Mit dem LHC ist hier am europäischen Kernforschungszentrum Cern der leistungsfähigste Teilchenbeschleuniger der Welt entstanden. Untergebracht ist er in einem kreisförmigen unterirdischen Tunnel von 27 Kilometern Umfang, der auch durch die Atlas-Kaverne läuft. Nach einer Bauzeit von gut fünfzehn Jahren will man am kommenden Mittwoch, dem 10. September, darin erstmals Protonen auf stabilen Bahnen umlaufen lassen und dabei fast bis auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigen.

Verläuft alles nach Plan, könnten dieses Jahr noch die ersten Protonenstrahlen in der Atlas-Kaverne und an drei weiteren Stellen des Beschleunigerrings zur Kollision gebracht werden - zunächst behutsam, dann mit voller Wucht mit einer maximalen Energie von 14 000 Milliarden Elektronenvolt. Denn auf was es bei Teilchenbeschleunigern ankommt, ist nicht die Geschwindigkeit der Partikel - sie kann die Lichtgeschwindigkeit grundsätzlich nicht überschreiten-, sondern die Energie. Die höchste mit dem LHC erreichbare Kollisionsenergie beträgt etwa das Siebenfache dessen, was der derzeit leistungsfähigste Teilchenbeschleuniger schafft, das Tevatron am Fermilab bei Chicago. Zum Vergleich: In der Röhre eines Fernsehschirms prasseln Elektronen mit grade mal 20 000 Elektronenvolt von hinten auf die Mattscheibe, um sie zum Leuchten zu bringen. Umgerechnet besitzen die im LHC kreisenden Protonen zwar nur das Siebenfache der Bewegungsenergie fliegender Mücken, weil diese aber bei der Kollision praktisch auf einen Punkt konzentriert wird, hat ein Crash extreme Auswirkungen: Für einen Augenblick entstehen Bedingungen, wie sie im Kosmos etwa eine billionstel Sekunde nach dem Urknall herrschten.

Die Größe ist es nicht allein

In diesem Inferno sollten sich für kurze Zeit Teilchen bilden, die noch nie ein Mensch zuvor gemessen hat - die es aber geben muss, wenn die physikalische Welt nicht völlig anders geartet ist, als die theoretischen Physiker sie sich heute vorstellen. Wenn nämlich Protonen mit ausreichender Wucht aufeinanderprallen, zerstrahlen sie nach Einsteins berühmter Formel E = mc2 in einem Energieblitz, aus dem sofort eine Wolke neuer, zumeist extrem kurzlebiger Teilchen kondensiert - darunter, so die Hoffnung, auch jene bislang hypothetischen Partikel, welche die Theorie voraussagt. Um sie zu finden, gilt es nun, bei jeder Kollision möglichst alle entstehenden Teilchen zu registrieren und zu identifizieren, um dadurch die interessanten Entstehungs- und Zerfallsereignisse herauszufiltern.

Was für ein Aufwand dazu getrieben werden muss, lassen die Abmessungen des Atlas-Detektors erahnen. Aber die Größe ist es nicht allein. Im Inneren der Riesentrommel gruppieren sich verschiedene Messzonen wie die Schalen einer Zwiebel zylindrisch um das Strahlrohr des Teilchenbeschleunigers herum. Der Kollisionspunkt befindet sich genau im Zentrum. Was in den einzelnen Zonen vor sich geht, ist rechts auf dieser Seite genauer erklärt. So geht es unter anderem darum, die Spuren verschiedener Teilchen zu verfolgen und dabei zugleich zu vermessen. So sind viele der bei einer Kollision entstehenden Teilchen elektrisch geladen. Sie werden daher von Magnetfeldern abgelenkt und verraten viel über sich durch die Art, wie sie sich in solchen Feldern bewegen. Deshalb ist der gesamte Messbereich von starken Magnetfeldern durchsetzt. Die Spulen, die diese Felder erzeugen, tragen nicht unerheblich zur enormen Größe der Apparatur bei.

Doch Atlas ist keineswegs das einzige Gerät, das am LHC neue, bislang unbekannte Teilchen aus den Kollisionstrümmern fischen soll, allen voran das ominöse Higgs-Teilchen. „Wir hoffen, dass wir die ersten sind, die das Higgs nachweisen“, sagt Jakobs, der von der Universität Freiburg kommt, einer von 165 Universitäten und Forschungseinrichtungen aus 35 Nationen, die an dem Projekt beteiligt sind. „Doch nur wenn die Kollegen des CMS-Detektors ebenfalls ein Ereignis sehen, sind wir auf der sicheren Seite.“ CMS, das ist der Compact-Muon-Solenoid-Detektor. Er steht in einer anderen Kaverne auf der gegenüberliegenden Seite des LHC-Rings, etwa sieben Kilometer Luftlinie entfernt. CMS ist fast so schwer wie der Eifelturm. Er ist kleiner und kompakter als Atlas, besteht aber aus fast den gleichen Komponenten. Allerdings ist er anders aufgebaut und für den Nachweis von Myonen optimiert.

Milliarden Partikel

Durch jeden der Detektoren werden beim Betrieb pro Sekunde Milliarden von Sekundärteilchen rauschen. Weil jedes ein Signal erzeugt, werden pro Sekunde mehr Daten entstehen als derzeit jährlich im weltweiten Telefonnetz. Eine ausgeklügelte Elektronik filtert daraus schon an Ort und Stelle die interessanten Daten heraus und leitet sie weiter. Dabei fällt pro Sekunde immer noch eine Datenmenge an, die auf eine normale CD passt. Weil das Rechenzentrum des Cern diese Flut nicht alleine analysieren kann, hat man hier vor einigen Jahren ein System ersonnen, mit dessen Hilfe Wissenschaftler auf der ganzen Welt auf die Daten zugreifen können, um nachzusehen, welche Teilchen sich bei dieser oder jener Kollision gebildet haben - und ob eines der gesuchten dabei ist.

Ganz oben auf der Fahndungsliste steht das schon erwähnte Higgs-Teilchen, dessen Existenz erklären könnte, warum die meisten Elementarteilchen eine eigene, für sie typische Masse besitzen. „Alles, was wir heute vom Aufbau der Materie wissen, ist im Standardmodell der Teilchenphysik zusammengefasst, die am besten überprüfte Theorie der Physik“, sagt Rolf-Dieter Heuer vom Deutschen Elektronensynchrotron (Desy) in Hamburg, der von 2009 an der neue Generaldirektor des Cern sein wird. „Was uns noch fehlt, ist das Higgs. Wir glauben heute, dass das Universum von einem Feld, dem sogenannten Higgs-Feld, ausgefüllt ist. Alle Teilchen nehmen Energie aus dem Feld auf, wodurch sie ihre Masse erhalten.“ Wie man sich das etwa vorzustellen hat, erläutert Heuer an einer Analogie: „Das Higgs-Feld kann man sich wie einen Raum voller Journalisten vorstellen. Sobald eine prominente Person eintritt, scharen sich plötzlich alle Journalisten um diese. Unser VIP gewinnt dadurch an Masse, ähnlich wie ein Teilchen im Higgs-Feld.“ Und wie sich an die Fersen des Promis umso mehr Reporter heften, je berühmter er oder sie ist, so wirkt das Higgs-Feld auf verschiedene Teilchen unterschiedlich stark - und verleiht ihnen so unterschiedlich viel Masse.“ Dabei gibt es auch Teilchen wie die Photonen, die für das Higgs-Feld quasi unsichtbar sind, was dann einen analogen Effekt hat wie bei einem VIP, den keiner der Journalisten erkennt. „Weil Photonen nicht mit dem Feld wechselwirken, tragen sie auch keine Masse.“

Higgs oder Nicht-Higgs

Der Halbleiter-Spurdetektor (Abbildung 7) besteht aus zwei Lagen von Halbleitermodulen ähnlichen Aufbaus: dem Streifendetektor und - als innerste Schicht direkt um den Kollisionsort herum - dem Pixeldetektor. Beide bestehen aus mehreren tausend jeweils einige Zentimeter großen Platinen (links). Auf jeder befinden sich neben elektronischen Schaltkreisen Tausende winziger Kügelchen aus Lötzinn (Mitte). Sie stützen eine Schicht aus Silicium (grau) von einem viertel Millimeter Dicke. Wenn ein geladenes Teilchen durch das Kristallgitter des Siliciums fliegt (rechts), setzt es durch Interaktion mit den Atomen elektrische Ladungen (blau) frei, die über die nächstgelegenen Kügelchen abfließen und damit die augenblickliche Position des Teilchen verraten. So lässt sich die Bahn geladener Teilchen auf ein hundertstel Millimeter genau verfolgen.

Nach der Theorie, die Peter Higgs von der University of Edinburgh in den sechziger Jahren entwickelt hat, ist dem Higgs-Feld immer vorhanden und wie alle Quantenfelder mit einem Teilchen verknüpft, eben das Higgs-Teilchen. „Wenn man genügend Energie aufwendet, kann man es aus dem Vakuum heraus erzeugen“, sagt Heuer. Damit wäre dann die Theorie experimentell abgesichert. Bis dahin aber ist keineswegs klar, ob dieses Teilchen (und damit das zugehörige Feld) wirklich existiert. Bislang hat es sich nämlich jeglicher Beobachtung entzogen, zu gering sind die Kollisionsenergien und die Intensitäten der bestehenden großen Beschleunigeranlagen. Das soll sich mit LHC, in dem pro Sekunde 600 Millionen Kollisionen stattfinden werden, endlich ändern.

Und wenn das Higgs-Teilchen mit dem LHC nicht gefunden wird? „Dann wissen wir definitiv, dass unsere bisherige Vorstellung vom Aufbau der Materie nicht richtig war“, sagt Heuer und lässt durchblicken, dass es fast noch spannender wäre, das Higgs nicht zu finden. „Wir kennen nur etwa vier Prozent der Materie im Universum“, ergänzt der sechzigjährige Physiker, der noch zwischen Hamburg und Genf pendelt, aber bereits ein kleines Büro im Cern-Hauptgebäude bezogen hat. „Der Rest, die sogenannte Dunkle Materie und die Dunkle Energie, sind vollkommen unbekannt.“ Bei der Dunklen Materie könnte es sich um sogenannte supersymmetrische Teilchen handeln, die für viele Physiker die plausibelste Möglichkeit sind, um die Elementarteilchen und die Naturkräfte unter einen Hut zu bringen.

Ein weiteres großes Rätsel, das den Teilchenphysikern keine Ruhe lässt und das der LHC endlich lösen soll, ist die Frage, warum es im Universum Materie, aber kaum Antimaterie gibt, obwohl beides ursprünglich zu gleichen Teilen aus dem Urknall hervorgegangen sein müsste. Insgesamt wird vom LHC erwartet, die Phase der Stagnation zu beenden, in der viele Teilchenforscher ihr Fach feststecken sehen. Denn seit Jahrzehnten scheint es, als seien die Experimentalphysiker nur noch dazu da, die Vorhersagen zu bestätigen, die ihre Kollegen aus der Theorieabteilung aus dem Standardmodell ableiten. Der LHC wird endlich in einen Energiebereich vordringen, der auch für die Theoretiker Neuland ist.

Schwarze Löcher? Schön wär's!

So halten es einige Forscher für möglich, dass sich bei den Teilchencrashs sogenannte Extradimensionen zeigen könnten, hypothetische zusätzliche Raumdimensionen, die sich allerdings nicht wahrnehmen lassen, aber etwa im Rahmen der Stringtheorie durchaus denkbar sind. Dann wäre es sogar möglich, dass sich für einen kurzen Augenblick Schwarze Löcher im Miniformat bilden. Was für die Physiker eine echte Sensation wäre, hat einige Zeitgenossen, darunter den als Chaosforscher bekannt gewordenen Biochemiker Otto Rössler von der Universität Tübingen, dazu bewogen, vor einem drohenden Weltuntergang zu warnen - obwohl die Minilöcher nach Einschätzung aller Experten auf dem Gebiet viel zu klein und zu kurzlebig wären, als dass sich daraus gefräßige Ungetüme entwickeln könnten. Herrmann Nicolai vom Max Planck Institut für Gravitationsphysik in Golm bei Potsdam, ein angesehener Experte auf dem Gebiet der Quantengravitation, wirft Rössler vor, Formeln der Allgemeinen Relativitätstheorie falsch zu interpretieren und so falsche Schlüsse zu ziehen.

Derweil laufen die Vorbereitungen für den Startbeginn am LHC und an den Detektoren auf Hochtouren. Solange noch keine Protonen im Inneren der beiden Detektoren miteinander kollidieren, testen die Forscher die Geräte mit Teilchen aus der Höhenstrahlung, die permanent durch die Detektoren rauschen. In den Kontrollräumen von Atlas und CMS herrscht schon jetzt Hochbetrieb. Über Computermonitore gebeugt stehen Grüppchen von Physikern aus allen Herren Ländern und interpretieren die aus den Testmessungen gewonnenen Daten oder diskutieren die Ergebnisse ihrer Computersimulationen. Auf großen Flachbildschirmen an der Wand erscheinen die Teilchenspuren der simulierten Kollisionen. Gefräßige Schwarze Löcher haben sich in den Simulationen jedenfalls noch nicht gezeigt.