Der riesige Magnet soll kleinste Teilchen auf gekrümmte Bahnen lenken
06. März 2007 Das winterliche Panorama am Ufer des Genfer Sees könnte nicht einladender wirken: Im Nordwesten locken die schneebedeckten Berge des französischen Jura, im Südosten die Schweizer Alpen mit den weißen Gipfeln des Montblanc-Massivs.
Doch wer wie Thomas Müller als Wissenschaftler in diesen Tagen ins schweizerisch-französische Grenzgebiet reist, hat andere Dinge im Sinn als die Schönheiten der Natur. Schließlich bleibt dem Physiker von der Universität Karlsruhe und seinen vielen Kollegen nur noch wenig Zeit, soll Ende dieses Jahres die größte technische Installation in Betrieb gehen, die jemals von Menschenhand ersonnen wurde - der neue Teilchenbeschleuniger und Speicherring des europäischen Zentrums für Elementarteilchenphysik (Cern), das im Genfer Vorort Meyrin seinen Sitz hat.
In der Teilchenkanone fliegen Wasserstoffkerne fast mit Lichtgeschwindigkeit
Verläuft alles nach Plan, werden in dem „Large Hadron Collider“, kurz LHC, von November an Pakete von Wasserstoffkernen nahezu mit Lichtgeschwindigkeit auf gegenläufige Bahnen umlaufen und an vier Stellen des LHC-Rings mit solcher Wucht zusammenprallen, dass Bedingungen entstehen, wie sie Sekundenbruchteile nach dem Urknall vor 13,7 Milliarden Jahren geherrscht haben.
Pro Sekunde dreißig Millionen Kollisionen
Zügig fährt Müller, der seit gut zehn Jahren am LHC-Projekt mitarbeitet, mit seinem schwarzen Kombi an verschneiten Dörfern, Feldern und kleineren Wäldern vorbei. Doch vom Teilchenbeschleuniger ist weit und breit nichts zu sehen: „Der LHC ist in einem 27 Kilometer langen Tunnel untergebracht, der sich vom Genfer See bis zum französischen Jura erstreckt.“
Nach einer halben Stunde Autofahrt ist das Ziel erreicht: Punkt fünf. Hier auf französischer Seite befinden sich einer der Zugänge zum LHC-Tunnel und eine Stelle, an der die gut 3000 Pakete aus jeweils hundert Milliarden Protonen aufeinanderprallen werden. Pro Sekunde kommt es zu dreißig Millionen Kollisionen.
Die größte Kühlanlage der Welt
Mit dem Lastenaufzug geht es abwärts - 25, 50, 75, 100 Meter. Unten angekommen, führt der Weg durch ein Labyrinth aus weißgetünchten Gängen. Zur Sicherheit muss man Helme tragen. Plötzlich steht man inmitten des LHC-Tunnels. Hintereinander aufgereiht, stehen darin zylinderförmige Magnete, jeder 15 Meter lang und 30 Tonnen schwer. „Die Dipolmagnete sind die komplexesten Komponenten der gesamten Beschleunigeranlage. Sie sorgen dafür, dass die Protonenpakete ihren Kurs halten“, sagt Müller und klopft auf eines der blauen, rund einen Meter dicken Druckrohre.
Diese beherbergen die Vakuumrohre für die umlaufenden Protonen und die supraleitenden Spulen aus Niobtitan. Letztere erzeugen ein Magnetfeld, das rund dem 200.000fachen des Erdmagnetfeldes entspricht - vorausgesetzt, man kühlt sie mit flüssigem Helium auf minus 271 Grad. In den Spulen fließt dann ein Strom von 12.000 Ampere.
Ungetüme aus Eisen, Aluminium und Kupfer, die an große Schaufelräder erinnern
„Würden wir normale Elektromagnete verwenden, müsste der Umfang des LHC rund 120 Kilometer betragen, wollte man die gleiche Kollisionsenergie erreichen.“ Den Vorteil erkaufen sich die Forscher mit der größten Kühlanlage der Welt, die den LHC mit 700.000 Litern flüssigem Helium versorgt. Vor kurzem ist der letzte der insgesamt rund 1700 Magnete fertiggestellt und in den Tunnel befördert worden. Derzeit werden alle Komponenten mit Laserstrahlen auf 0,1 Millimeter genau ausgerichtet und an die Heliumversorgung angeschlossen.
Extrem starke Magnete als Detektoren
Den Physikern des Cern steht aber noch eine weitaus größere Aufgabe bevor als die, im LHC Protonen auf Kurs zu halten und zur Kollision zu bringen. Sie müssen die ungezählten Partikel, die bei jeder Kollision entstehen, registrieren und ihre Eigenschaften präzise vermessen. Zu diesem Zweck haben sie riesige Teilchendetektoren ersonnen.
Viel Aufwand um Antworten auf die letzten Fragen der Physik und Kosmologie zu finden
Jeder ist bestückt mit empfindlichen Nachweisgeräten, extrem schneller Ausleseelektronik und Tonnen von Eisen. Denn die Detektoren sind auch gleichzeitig extrem starke Magnete. Ihre Felder sollen die geladenen Teilchen auf gekrümmte Bahnen lenken. Aus der Krümmung der Flugbahnen können die Forscher auf die Ladung, die Geschwindigkeit und Energie der Teilchen schließen.
Weniger zahlungskräftige Länder helfen mit Naturalien
Der sogenannte „Compact Muon Solenoid“ (CMS) ist mit einem Gewicht von 12.000 Tonnen der schwerste und kompakteste der vier Detektoren, mit einer Länge von 22 Metern und einer Höhe von 15 Metern gleichzeitig auch der größte Magnet der Welt. Eine supraleitende Spule, dreizehn Meter lang und sechs Meter im Durchmesser, erzeugt in seinem Inneren ein Magnetfeld, das es mit dem Feld eines leistungsfähigen Kernspintomographen locker aufnehmen kann.
Wie die Schalen einer Zwiebel gruppieren sich die verschiedenen Messbereiche des Detektors um den Kollisionspunkt im Zentrum des CMS. Rund 2000 Forscher aus 32 Ländern sind allein am CMS-Experiment beteiligt. Finanziell und mit ihrem Knowhow im Detektorbau wie die Forscher aus Karlsruhe oder ihre Kollegen von der RWTH Aachen und der Universität Hamburg.
Weniger zahlungskräftige Länder helfen mit Naturalien. So hat Russland ungezählte Munitionskartuschen aus Messing der ehemaligen baltischen Flotte geliefert. Eingeschmolzen und zu dünnen Plättchen gepresst, hat das Material Verwendung in einem Nachweisgerät des CMS gefunden.
Rote Ungetüme aus Eisen, Aluminium und Kupfer
Die Arbeiten an Detektoren laufen auf Hochtouren. In den oberirdischen Montagehallen, wo die einzelnen Komponenten zunächst getestet werden, und in der darunter liegenden unterirdischen Kaverne, in der man die Detektoren schließlich montiert und an den Strahlengang des LHC anpasst, geht es zu wie in einer Werft.
Jeden Tag werden neue Einzelteile fertiggestellt. Mit Deckenkränen werden sie durch Schächte nach unten befördert und montiert. „Für die großen Teile des CMS brauchen wir elf Stunden, bis sie hier unten sind“, sagt Andreas Eppert, der seinen Kollegen Thomas Müller unweit vom LHC-Tunnel am Punkt fünf erwartet. Eppert ist für die Installation des Silizium- Spurendetektors verantwortlich - ein empfindliches Nachweisgerät aus 25.000 Siliziumscheibchen.
In der riesigen unterirdische Halle des Detektors würde bequem ein fünfstöckiges Haus Platz finden. Darin stehen bereits die ersten Teile des Detektors - drei rote Ungetüme aus Eisen, Aluminium und Kupfer, die an große Schaufelräder erinnern. Mit ihren Durchmessern von 15 Metern reichen sie fast bis an die Decke. Ein Dickicht von Kabelsträngen quillt von beiden Seiten heraus.
„Speicherplatz für fünfzehn Millionen Gigabytes“
Das LHC-Projekt ist in jeder Hinsicht eine Herausforderung: Pro Sekunde rauschen 100 Milliarden von Sekundärteilchen durch die Detektoren. Weil jedes ein Signal in einem Nachweisgerät erzeugt, werden pro Sekunde mehr Daten entstehen als derzeit jährlich im weltweiten Telefonnetz. Eine ausgeklügelte Elektronik filtert daraus schon vor Ort die brauchbaren Messdaten und leitet diese weiter, während bereits die Signale der nachfolgenden Protonen-Protonen-Kollisionen durch die Glasfaserkabel rasen.
Übrig bleibt pro Sekunde eine Datenmenge, die auf eine normale CD passt. Weil das Rechenzentrum des Cern diesen Datenstrom nicht alleine bewältigen kann, hat man hier vor einigen Jahren das Data-Grid ersonnen, eine Art Nachfolger des World Wide Web. Das Grid soll es ermöglichen, dass Wissenschaftler auf der ganzen Welt auf die Daten zugreifen können und sie an ihrem Standort auswerten. Dem Grid werden bis Ende des Jahres Tausende von Computern in rund 30 Ländern angehören. Sie sind über extrem schnelle Datenleitungen mit dem Cern verbunden.
Derzeit wird das Rechenzentrum des Cern mächtig aufgerüstet. „Wenn alles fertig ist, werden hier insgesamt 8500 miteinander vernetzte zentrale Recheneinheiten in 3500 mannshohen Boxen stehen“, schwärmt Wolfgang von Rüden, einer der Chefs der IT-Abteilung des Cern. „Wir haben dann auch Speicherplatz für insgesamt fünfzehn Millionen Gigabytes. Das reicht gerade mal für ein Jahr Messzeit.“ Die Daten werden deshalb auf Bänder geschrieben, die in staubfreien Zellen aufbewahrt und von Roboterarmen verwaltet werden.
Suche nach den Higgs-Teilchen
Und wozu der ganze Aufwand? Die Physiker erhoffen sich Antworten auf die letzten Fragen der Physik und Kosmologie: Warum gibt es fast ausschließlich Materie, aber kaum Antimaterie im Universum? Aus was besteht die dunkle Materie, die den überwiegenden Teil des Kosmos ausmacht, aber selbst mit den leistungsfähigsten Teleskopen nicht gesichtet werden kann?
Ganz oben auf der Liste steht die Suche nach dem Ursprung der Masse. Die Physiker glauben, dass das Universum in seiner Anfangsphase vom sogenannten Higgs-Feld ausgefüllt war. Alle bereits damals existierenden Teilchen nahmen Energie daraus auf, wodurch sie ihre Masse erhielten. Bislang hat sich das mit dem Feld verbundene Higgs-Teilchen allerdings jeglichem Nachweis entzogen, zu gering waren die Kollisionsenergien. Die Wissenschaftler des Cern wollen nun den endgültigen Beweis für die Existenz des Higgs-Teilchens mit dem LHC erbringen.
„Wir haben noch so viele Fragen“
Der technische Aufwand hat seinen Preis: Auf rund 1,9 Milliarden Euro belaufen sich die Kosten allein für den Beschleuniger, noch einmal so viel werden die vier Nachweisgeräte kosten. Um Kosten zu sparen, sind vor zwei Jahren fast alle Forschungsaktivitäten vorübergehend eingestellt worden. Der Beschleuniger kostet rund 20 Prozent mehr als ursprünglich kalkuliert.
Deshalb musste man bei Cern erstmals sogar einen Kredit aufnehmen. Zudem wurden Stellen abgebaut und die Gehälter gekürzt. Und wenn das Higgs-Teilchen nicht mit dem LHC gefunden wird? „Dann waren all unsere Berechnungen falsch“, lacht John Ellis, der prominente Theoretiker des Cern. „Aber keine Sorge, wir haben noch so viele Fragen.“
Text: F.A.Z.
Bildmaterial: AFP, dpa, REUTERS
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