Von Manfred Lindinger
30. Juni 2008 Unweit des Genfer Vororts Meyrin am Fuße des französischen Jura existiert eine Parallelwelt. Sie liegt im Verborgenen, tief unter Feldern, Dörfern, Kirchen, Schulen, Cafés und Bauernhöfen. Wer zu ihr hinabsteigt, der glaubt sich in der Kulisse eines Science-Fiction-Films wiederzufinden. Denn was man im Untergrund des schweizerisch-französischen Grenzgebiets zu sehen bekommt, ist die größte Maschine, die sich Physikerhirne je ausgedacht haben – ein Teilchenbeschleuniger und Speicherring der Superlative, ausgestattet mit modernster Technik. Er ist siebenundzwanzig Kilometer lang und in einem kreisrunden Tunnel untergebracht, der hundert Meter unter der Erde zwischen dem Genfer See und dem Jura verläuft.
In wenigen Wochen will man erstmals Wasserstoffkerne in den Ring einspeisen und fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigen. Wenn alles gut läuft, sollen solche Teilchen noch in diesem Jahr zur Kollision gebracht werden, zunächst behutsam, später dann mit voller Wucht. Das ehrgeizige Ziel des Vorhabens, an dem rund zehntausend Wissenschaftler aus mehr als sechzig Nationen beteiligt sind: die Simulation der Vorgänge, wie sie sich Billionstelsekunden nach dem Urknall vor 13,7 Milliarden Jahren abgespielt haben, und das sechshundert Millionen Mal pro Sekunde. Die Maschine dient einem faustischen Zweck: Die Forscher wollen herausfinden, wie die Welt entstanden ist und was sie im Innersten zusammenhält. Doch was tatsächlich passieren wird, weiß niemand so genau, denn so nah wie mit dem Large Hadron Collider (LHC), wie die Teilchenschleuder heißt, sind die Physiker dem Urknall nie zuvor gekommen.
Mekka der Teilchenphysik
Bauherr und Betreiber des rund drei Milliarden Euro teuren LHC ist das europäische Zentrum für Elementarteilchenforschung (Cern), das bei Meyrin seinen Sitz hat und seit seiner Gründung 1954 stetig gewachsen ist. Das Cern beschäftigt etwa 2500 Ingenieure und Techniker, darunter achtzig theoretische und experimentelle Physiker sowie 270 Research Fellows. Dieser harte Kern stellt die Infrastruktur für die Forschung sicher. Doch die Mehrheit der hier forschenden Physiker stammt von externen Instituten und gehört der höchst mobilen „scientific community“ an, die in ständigem Informationsaustausch steht.
Das Mekka für Teilchenphysik ist von Soziologen untersucht und von Schriftstellern beschrieben worden: Friedrich Dürrenmatt hat das Cern bei einem Besuch 1976 zu einer metaphysischen und theologischen Versuchsanstalt erhoben. Hans Magnus Enzensberger nähert sich in seinen „Elixieren der Wissenschaft“ dem „Wallfahrtsort der Physik“ mit Poesie. In Dan Browns „Illuminati“ bedrohen Verschwörer mit einem Gramm Antimaterie aus dem Cern den Vatikan. Und Thomas Lehr lässt in seinem Roman „42“ nach einem Unfall bei einem Experiment die Zeit am Cern stillstehen.
Während die Unterwelt von Hightech dominiert wird, erinnert die Denkburg der Physiker mit ihren zum Teil schmucklosen Gebäuden aus den sechziger Jahren an einen beliebigen Universitätscampus. Uniformierte Sicherheitsbeamte kontrollieren alle Zugänge zu dem Gewirr aus Bürogebäuden, Werkstätten und Experimentierhallen, die vollgepackt sind mit Apparaturen und Messgeräten. Von den Arbeitspferden des Cern, den Teilchenbeschleunigern, sieht man weit und breit nichts. Sie befinden sich in Tunneln tief unter der Erde, zum Teil außerhalb des Geländes wie der LHC. Die Residenz der Teilchenphysiker, die fast so viel Energie verbraucht wie Genf, ist auch eine kleine funktionierende Stadt. Es gibt eine Post, eine Bank, ein Hotel, eine Feuerwehr, einen Kindergarten und sogar ein Reisebüro für die vielen Wissenschaftler, die auf dem Genfer Flughafen täglich an- und abreisen.
Die großen Fragen
Wer hierherkommt, will die ganz großen Fragen der Teilchenphysik und der Kosmologie ergründen. Warum gibt es Materie, aber kaum Antimaterie im Universum, obwohl beides ursprünglich zu gleichen Teilen aus dem Urknall hervorgegangen ist? Oder warum hat die Materie überhaupt eine Masse, und weshalb ist das Proton beispielsweise 1836 Mal so schwer wie das Elektron? Warum gibt es vier Naturkräfte, und sind sie nicht letztlich die Spielarten einer einzigen Urkraft, die gewirkt hat, als das Universum Bruchteile einer Sekunde alt war? Und wo verbergen sich die Dunkle Materie und die Dunkle Energie, die den überwiegenden Teil des Kosmos ausmachen, aber selbst mit den leistungsfähigsten Teleskopen nicht gesichtet werden können? Das Erkenntnisstreben der Teilchenphysiker ist den zwanzig europäischen Mitgliedstaaten des Cern jedes Jahr rund 650 Millionen Euro wert - ohne nach der Rendite zu fragen, die die Grundlagenforschung vielleicht einmal abwirft. Deutschland ist mit etwa zwanzig Prozent der größte Beitragszahler.
„Alles, was wir heute vom Aufbau der Materie wissen, ist im Standardmodell der Teilchenphysik zusammengefasst. Sie ist 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. Sechs Arten von Quarks, drei von Neutrinos und drei von Leptonen, zu denen die Elektronen und Myonen zählen, bilden das Elementarste, was die Wissenschaftler heute kennen. Jegliche Materie ist aus diesen Teilchen aufgebaut. „Doch wir kennen nur etwa vier Prozent Materie im Universum“, ergänzt der sechzigjährige Physiker, der noch zwischen Hamburg und Genf hin und her pendelt, aber bereits ein einfaches Büro in der Chefetage des Cern-Hauptgebäudes bezogen hat. Der Rest, die sogenannte Dunkle Materie und die Dunkle Energie, ist vollkommen unbekannt.
Warten auf den Auftritt des Higgs-Teilchens
Ein weiteres großes Rätsel, das den Teilchenphysikern keine Ruhe lässt, ist der Ursprung der Masse. „Wir glauben heute, dass das Universum von einem Feld, dem sogenannten Higgs-Feld, ausgefüllt ist. Alle existierenden Teilchen nehmen Energie aus dem Feld auf, wodurch sie ihre Masse erhalten.“ Zur Veranschaulichung bemüht Heuer eine 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.“ Die Crux dabei: Die Physiker kennen viele Eigenschaften dieses Feldes, ob es aber auch tatsächlich existiert, wissen sie nicht.
Bislang hat sich das mit dem Feld verbundene Higgs-Teilchen nämlich jeglicher Beobachtung entzogen, zu gering sind die Kollisionsenergien der bestehenden großen Beschleunigeranlagen der Welt. Den endgültigen Beweis für die Existenz des Higgs-Teilchens soll der Large Hadron Collider erbringen. Wenn die Wasserstoffkerne mit voller Wucht aufeinanderprallen, entsteht eine Energie von 14000 Milliarden Elektronenvolt. Das ist siebenmal so viel wie beim derzeit leistungsfähigsten Teilchenbeschleuniger, dem Tevatron am Fermilab bei Chicago. Umgerechnet besitzen die im LHC kreisenden Partikeln zwar nur das Siebenfache der Bewegungsenergie von fliegenden Mücken, weil diese aber bei der Kollision praktisch auf einen Punkt konzentriert wird, hat sie extreme Auswirkung.
Dipolmagnete für die Kreisbahn
Obendrein arbeitet der LHC mit einem hohen Teilchenstrom. In dem Beschleuniger laufen etwa dreitausend Pakete aus jeweils einhundert Milliarden Protonen auf gegenläufigen Bahnen um. „Wir rechnen mit bis zu sechshundert Millionen Proton-Proton-Kollisionen pro Sekunde“, erklärt Rüdiger Schmidt, der seit 23 Jahren am Cern arbeitet und für die Sicherheit am LHC-Beschleuniger verantwortlich ist. „Wir wollen sicherstellen, dass wir auch seltene Ereignisse wie das Higgs-Teilchen sehen können.“ Während er spricht, reicht Schmidt weiße Sicherheitshelme und klobige Messgeräte, sogenannte Biocells mit Atemmasken, an die Besucher weiter. „Die Biocells warnen uns, wenn der Sauerstoff unten im Tunnel knapp wird, weil beispielsweise Helium, das Kühlmittel des LHC, aus einem kleinen Leck entweicht“, ergänzt der Physiker, passiert eine Sicherheitsschleuse und steigt in den Aufzug.
Es geht abwärts – zehn, fünfzig, hundert Meter tief. Unten angekommen, führt der Weg durch ein Labyrinth aus weißgetünchten Gängen, erhellt von Leuchtstofflampen. Plötzlich steht man inmitten des LHC-Tunnels, der irgendwo in der Ferne zu enden scheint, in Wirklichkeit aber einem riesigen Kreisbogen folgt. Etwas seitlich stehen hintereinander aufgereiht zylinderförmige blaue Rohre – die Dipolmagnete. Jeder ist fünfzehn Meter lang, einen Meter dick und 35 Tonnen schwer. „Das sind die komplexesten Komponenten der Anlage. Sie zwingen die Protonenpakete auf ihre Kreisbahn“, sagt Schmidt, der den LHC wie seine Westentasche kennt. Die Dipolmagnete beherbergen die beiden armdicken Vakuumrohre für die umlaufenden Protonenstrahlen und die supraleitenden Spulen aus Niobtitan. Letztere erzeugen ein Magnetfeld, das dem 160000-Fachen des Erdmagnetfeldes entspricht – vorausgesetzt, man kühlt sie mit supraflüssigem Helium auf minus 271 Grad.
Aufwendige Kühlung
„Würden wir normale Elektromagnete verwenden, müsste der Umfang des LHC rund hundertzwanzig Kilometer betragen.“ Den Vorteil erkauft man sich allerdings mit der größten Kühlanlage der Welt, die alle Teile des LHC mit 120 Tonnen supraflüssigem Helium versorgt und in einem Tunnelsystem untergebracht ist, das parallel zum LHC-Tunnel verläuft. Einmal eingespeist, können die Protonen – sie entstammen einer Flasche mit Wasserstoffgas, dem man die Elektronen entrissen hat – einen Tag lang ununterbrochen im LHC zirkulieren. Jede Schwankung ihrer Bahnen wird sofort korrigiert. So ändern die Gezeitenkräfte periodisch die Länge des Speicherrings um Bruchteile von einem Millimeter. Auch das Schmelzwasser, das im Frühjahr vom Juramassiv in den Genfer See fließt, und der TGV, der zwischen Genf und Lyon verkehrt, stören die Teilchen.
Zwei französische Techniker schweißen an einer wassergekühlten elektrischen Hochspannungsleitung, die 13 000 Ampere über Spezialdurchführungen an die supraleitenden Spulen liefern soll. Dabei ist größte Sorgfalt geboten. Jede nicht perfekte Schweißnaht erhöht den elektrischen Widerstand, was bei diesen Stromstärken zu Wärmeentwicklung führt und erhöhte Kühlleistung erfordert: Eine Arbeit für Spezialisten wie den Franzosen Roland Nabille, der seit drei Jahren hier unten im Tunnel bei künstlicher Beleuchtung sein tägliches Brot verdient. Die widrigen Bedingungen haben seiner guten Laune keinen Abbruch getan. Das liegt an dem einmaligen Arbeitsplatz und daran, dass er, wie er lachend erzählt, mit seinem Kollegen die allerletzten Installationsarbeiten an der Anlage ausführt.
Vier riesige Teilchendetektoren
„Nun können wir auch die restlichen Segmente des LHC-Rings kühlen und die Magnete langsam hochfahren“, ergänzt Rüdiger Schmidt. Dann steht nichts mehr im Weg, auch die ersten Protonenstrahlen durch den Beschleuniger zu jagen und schrittweise bis auf 99,9999991 Prozent der Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen. Dass nicht immer alles glatt läuft, mussten Schmidt und seine Kollegen vor einem Jahr erleben. Bei einem Drucktest von acht supraleitenden Magneten, die die beiden Protonenstrahlen aufeinanderlenken sollen, kam es zu einem Unfall, bei dem zwar niemand verletzt wurde, der aber dazu führte, dass der für Ende 2007 geplante Starttermin verschoben werden musste.
Die Protonenstrahlen auf Kurs zu halten und aufeinanderzulenken ist nur eine Seite der Medaille. Es müssen die Myriaden von Partikeln, die bei jeder Kollision entstehen, registriert und auf ihre Eigenschaften hin vermessen werden. Das ist die Aufgabe der vier riesigen Teilchendetektoren, die an den vier Orten der Teilchenkollisionen in unterirdischen Kavernen entlang des Tunnels stehen. So sollen CMS und Atlas, wie die größten der vier Detektoren heißen, primär das Higgs-Teilchen aufspüren. LHCb soll der Asymmetrie von Materie und Antimaterie auf den Grund gehen. Und im Inneren von Alice werden einmal im Jahr einen Monat lang Kerne von Bleiatomen aufeinanderprallen und so einen Materiezustand erzeugen, der eine millionstel Sekunde nach dem Urknall geherrscht hat, als das Universum hunderttausendmal so heiß war wie das Zentrum der Sonne.
Kollisionsbilder
Die Detektoren, vergleichbar mit gigantischen Digitalkameras, sind bestückt mit empfindlichen Nachweisgeräten, extrem schneller Ausleseelektronik und Tonnen von Eisen und Stahl. Sie sind 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 die Energie der Teilchen schließen und rekonstruieren, was während der Kollisionen geschah.
„Die härteste Zeit liegt hinter uns.“ Mit diesen Worten empfängt Michael Eppard die Besucher in der unterirdischen Halle am Punkt fünf des LHC-Rings, wo der Compact Muon Solenoid (CMS) steht. Der Detektor wirkt wie ein rot-silbriges, zylindrisches „Monstrum“, das aus sechs mehrere Meter dicken und fünfzehn Meter hohen zwölfeckigen Scheiben zusammengesetzt ist. Aus dem Inneren quellen blaue Kabelstränge hervor. Auf einer gelben Plattform arbeiten Physiker und Techniker in sieben Meter Höhe am Innenleben des CMS. An einen goldenen Tempelschrein erinnern die unzähligen Sensoren, die sich wie Zwiebelschalen um den Kollisionspunkt im Zentrum des Detektors gruppieren.
Warten auf die ersten Protonen
Eppard, der als Research Fellow des Cern den Aufbau des Detektors mitkoordiniert, zeigt auf das Loch im Zentrum des CMS, in dessen Innerem man das Vakuumrohr sieht: Hier werden die Protonen aufeinanderprallen und die Trümmerteilchen nach allen Seiten ungebremst entweichen können. In das Loch kommt die letzte Komponente, ein meterlanger Spurendetektor aus mehreren Millionen Siliziumplättchen für den Nachweis von geladenen kurzlebigen Sekundärteilchen. „Danach schieben wir den ganzen Detektor über Luftkissen zusammen und koppeln ihn an das Strahlrohr des Beschleunigers.“ Dann ist der 12500 Tonnen schwere und 22 Meter lange CMSDetektor fertig, und es kann losgehen. Man spürt, wie der junge Physiker den Augenblick herbeisehnt, wenn am Punkt fünf erstmals ein kleiner Urknall gezündet wird und der CMS seine Feuertaufe bestehen kann. „Wir warten darauf, dass die Kollegen endlich Protonen durch den LHC schicken.“
Ähnlich ungeduldig sind Karl Jacobs und Michael Hauschild, die seit vielen Jahren am Bau des Detektors Atlas mitarbeiten. Sie stehen auf einem blauen Balkon in der Kaverne am Punkt eins, neun Kilometer entfernt auf der gegenüberliegenden Seite des Beschleunigerrings, und blicken auf ein Gewirr aus Leitungen, Röhren, Metallverstrebungen und verschachtelten Nachweismodulen sowie einem Dickicht von Kabeln. Atlas - ein Akronym für A Toroidal LHC ApparatuS - trägt seinen Namen zu Recht. Er übertrifft mit 44 Meter Länge und 25 Meter Höhe alles bisher Dagewesene im Detektorbau und füllt die Kaverne fast vollständig aus. Enzensberger fühlte sich angesichts der Ausmaße an eine gotische Kathedrale erinnert, nach wie vor Sinnbild technischer Spitzenleistung.
Detektoren und ihre Mannschaften
Der Detektor, der kürzlich mit dem Strahlrohr des LHC verbunden wurde, besteht aus fast den gleichen Komponenten wie der CMS. Die Unterschiede liegen im Detail. Derzeit werden die verschiedenen Sensoren getestet. Die Signale erzeugen die geladenen Teilchen aus der Höhenstrahlung, die permanent durch Atlas rauschen. Zwischen den Forschern von Punkt eins und Punkt fünf besteht eine freundschaftliche Konkurrenz. Jeder glaubt, den besseren Detektor zu besitzen, und hofft, zuerst das Higgs-Teilchen nachzuweisen. „Doch nur wenn die Kollegen vom CMS ebenfalls ein Ereignis sehen, sind wir auf der sicheren Seite“, sagt Jacobs, der von der Universität Freiburg kommt und seit vorigem Jahr die Zusammenarbeit der Atlas-Wissenschaftler koordiniert.
Keine leichte Aufgabe, schließlich sind an Atlas wie auch am CMS rund zweitausend Wissenschaftler aus 35 Ländern beteiligt: finanziell - die Materialkosten von CMS und Atlas belaufen sich auf etwa siebenhundert Millionen Euro - oder mit ihrem Knowhow im Detektorbau. Weniger zahlungskräftige Länder helfen mit „Naturalien“. Russland etwa hat ungezählte Granathülsen aus Messing der ehemaligen baltischen Flotte geliefert, die in einem Nachweisgerät des CMS verwendet werden: ein leuchtendes Beispiel für die Losung „Schwerter zu Pflugscharen“.
Orientierung in den Datenlawinen
Das LHC-Projekt ist in jeder Hinsicht eine Herausforderung: Pro Sekunde rauschen Milliarden von Sekundärteilchen durch die Detektoren. Dabei entstehen mehr Daten als derzeit jährlich im weltweiten Telefonnetz. Eine ausgeklügelte Elektronik filtert schon vor Ort die brauchbaren Messdaten heraus und leitet diese weiter, während bereits die Signale der nachfolgenden Protonen-Protonen-Kollisionen durch die Glasfaserkabel rasen. Übrig bleibt pro Sekunde etwa 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 1989 am Cern erfunden wurde. 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 im Endausbau 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 Recheneinheiten in 3500 mannshohen Boxen stehen“, schwärmt Markus Schulz von 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.
Und wenn der ganze Aufwand umsonst war und 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 berichtet von hypothetischen supersymmetrischen Teilchen, die für viele Physiker die plausibelste Möglichkeit sind, die Elementarteilchen und die Naturkräfte unter einen Hut zu bringen. Eines von ihnen wird als Kandidat für die Dunkle Materie gehandelt. Andere Forscher glauben, dass sich bei den Teilchenkollisionen auch sogenannte Extradimensionen zeigen könnten - also zusätzliche hypothetische Raumdimensionen, die sich allerdings nicht wahrnehmen lassen, aber physikalisch durchaus möglich sind. Dann könnte es sogar sein, dass sich bei der Kollision von Protonen kleine schwarze Löcher im Beschleuniger bilden, worin einige Zeitgenossen ein Risiko für die Erde sehen.
Schnitzeljagd
„Von diesen Minilöchern droht keinerlei Gefahr, da sie sofort verdampfen würden und viel zu klein wären, als dass sich daraus gefräßige Ungetüme entwickeln könnten“, beruhigt Rolf Landua, der kürzlich ein Buch über den LHC und die Experimente geschrieben hat. Der Cernianer, der einer der führenden Köpfe war, als 2002 am Cern eine Million kalter Antiwasserstoffatome erzeugt wurde, engagiert sich für die Erneuerung des naturwissenschaftlichen Schulunterrichts und die Verbesserung der Ausbildung von Physiklehrern. Zur Veranschaulichung komplexer Materie greift er auch schon mal die fiktive Schnitzeljagd in Dan Browns „Illuminati“ auf.
Das Phantastische, Hochspekulative, zum Teil geradezu irrwitzig Anmutende der modernen theoretischen Physik mit ihren Multiversen, Supersymmetrien, Stringtheorien liefert für den Schriftsteller Thomas Lehr geradezu „eine Steilvorlage für einen phantastischen und spekulativen Roman“. Er ist auf den nächsten Schachzug Gottes gespannt, „wenn der LHC mit seinem gesteigerten Sehvermögen die Kerne der Kerne einsieht und glaubt, den Grund der Gründe gefunden zu haben“
Zuerst das Higgs-Teilchen - und dann?
„Wir wären fast enttäuscht, wenn wir nur das Higgs-Teilchen finden würden“, sagt Heuer, der von der internationalen Atmosphäre im schweizerischen-französischen Grenzgebiet schwärmt, die durch den LHC noch größere Ausstrahlung bekommen hat. Seite an Seite arbeiten hier Pakistaner und Inder, Araber und Israelis, Chinesen aus der Volksrepublik und aus Taiwan, ja sogar Iraner mit Amerikanern. Man verständigt sich mühelos in einer Sprache, die zwar englisch klingt, aber für Außenstehende meist unverständlich sein dürfte.
Die offene Atmosphäre des Cern lässt sich am besten in der Cafeteria erfahren. Man diskutiert in Grüppchen oder zu zweit bei einem Kaffee, drinnen oder bei schönem Wetter draußen auf der Terrasse, wo man bei guter Sicht den Blick auf die Alpen mit dem schneebedeckten Montblanc-Massiv genießen kann. Nicht selten begegnet man einem Nobelpreisträger in Jeans oder Bermudashorts. Überraschend ist die große Zahl an jungen Leuten, die ihr hier erworbenes Wissen in ihre Länder tragen. Versunken in ein Thema, vergessen die Physiker die Zeit und kehren der Welt den Rücken. Selbst spät am Abend hockt noch eine verschworene Gemeinschaft irgendwo und findet keinen Feierabend. Und fast immer geht es um Physik.
Text: F.A.Z.
Bildmaterial: Helmut Fricke
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