Ein Blick in die Röhre des neuen Large Hadron Colliders (LHC) am Europäischen Kernforschungszentrum bei Genf
09. September 2008 Auf den heutigen Tag haben die Teilchenphysiker in aller Welt lange gewartet. Pünktlich um 9 Uhr mitteleuropäischer Zeit werden erstmals Wasserstoffkernen in den Large Hadron Collider (LHC) eingespeist und auf einer stabilen Kreisbahn im 27 Kilometer langen Beschleuniger umlaufen. 15 Jahre hat es gedauert, bis das größte technische Bauwerk, das Physiker jemals ersonnen haben, am Europäischen Zentrum für Elementarteilchenforschung (Cern) bei Genf fertiggestellt wurde. Die Erwatungen sind groß, soll der LHC, der hundert Meter unter der Erde in einem Tunnel zwischen dem Genfer See und dem französischen Jura verläuft und bislang unerreichte Kollisionsenergien erzeugen kann, doch ein neues Kapitel der Physik aufstoßen.
Die Protonen durchlaufen zunächst vier Beschleunigungsstufen, bevor sie den LHC erreichen. Diese müssen exakt mit dem LHC getaktet sein, damit jedes Protonenpaket zur richtigen Zeit in den 27 Kilometer langen Speicherring eingespeist wird. Die vergangenen Wochen hat man dazu genutzt, das Einkoppeln zu optimieren. Nun muss sich weisen, ob alle Systeme der überaus komplexen Maschine, die drei Milliarden Euro verschlungen hat, zuverlässig arbeiten. Acht supraleitende Beschleunigungssegmente verpassen den Protonen den gewünschten Schub. Mehr als 1600 supraleitende Magnete halten die Teilchen exakt auf Kurs. Monitore überwachen die Position der Teilchenstrahlen, die pro Sekunde den Beschleunigerring mehrere tausend Mal umkreisen werden. Jede noch so geringe Abweichung von der idealen Teilchenbahn wird sofort korrigiert.
Jagd auf das Higgs-Teilchen
Die Protonen werden am heutigen Tag noch mit einer recht moderaten Energie zirkulieren, mit 450 Gigaelektronenvolt (Milliarden Elektronenvolt) statt der maximal möglichen 7000 Gigaelektronenvolt. Zum Vergleich: Die Elektronenröhre eines Fernsehgeräts bringt es auf rund 20 000 Elektronenvolt. Läuft alles nach Plan, wird man in den kommenden Wochen die Energie schrittweise erhöhen und noch am Ende dieses Jahres die gegensinnig umlaufenden Protonenpakete an vier Stellen miteinander zur Kollision bringen. 600 Millionen Mal pro Sekunde werden die aus hundert Milliarden Wasserstoffkernen bestehenden Pakete aufeinanderprallen. Die höchste erreichbare Kollisionsenergie beträgt etwa das Siebenfache dessen, was der derzeit leistungsfähigste Teilchenbeschleuniger schafft, das Tevatron am Fermilab.
Wenn zwei Protonen im LHC mit voller Wucht miteinander kollidieren, entstehen für einen Augenblick Bedingungen, wie sie eine Billionstelsekunde nach dem Urknall vor 13,7 Milliarden Jahren geherrscht haben. In dem Inferno, das sich auf kleinstem Raum abspielt, bilden sich bekannte, aber – so die Erwartung der Physiker – auch noch unbekannte Teilchen, die bisher in keinem existierenden Teilchenbeschleuniger gesichtet worden sind. Ganz oben auf der Fahndungsliste steht das sogenannte Higgs-Teilchen, dessen Existenz erklären könnte, warum die bekannten Elementarteilchen eine eigene für sie typische Masse besitzen. Peter Higgs von der University Edinburgh hat dieses Teilchens vor mehr als 40 Jahren vorausgesagt. Nach seiner Theorie sollte es ein Feld geben, das den gesamten Raum durchdringt. Alle Elementarteilchen würden mit dem Feld wechselwirken und dadurch ihre träge Masse erhalten. Das Higgs-Teilchen wäre der Träger dieses Feldes, ähnlich wie das Photon der Träger des elektromagnetischen Feldes ist.
Die Stecknadel im Heuhaufen
Das Higgs-Teilchen ist ein notwendiges Element im Standardmodell der Teilchenphysik, dem Modell das den Aufbau der Materie durch die sechs Quarks und sechs Leptonen erfolgreich erklären kann. Ohne den Higgs-Mechanismus müssten die Elementarteilchen laut Theorie alle masselos sein – was nicht der Wirklichkeit entspricht. Deshalb hoffen die Physiker, das Higgs-Teilchen – seine Masse wird auf mehr als etwa 150 Gigaelektronenvolt geschätzt – endlich mit dem LHC zu finden. Sollte es existieren, würde es für einen kurzen Augenblick erzeugt und auf charakteristische Weise in weitere Teilchen zerfallen. Allerdings ist das Ereignis äußerst selten, so dass die Forscher sprichwörtlich nach der Stecknadel im Heuhaufen suchen müssen.
Für den Nachweis des Higgs-Teilchen haben die Physiker deshalb zwei gewaltige, zylinderförmige Nachweisgeräte gebaut, die in unterirdischen Kavernen von der Größe einer Kathedrale im LHC-Tunnel installiert wurden. Die Detektoren mit Namen Atlas und CMS sollen die unzähligen Sekundärteilchen, die bei den Teilchenkollisionen entstehen, registrieren und auf ihre Eigenschaften hin vermessen. Aus der Analyse der Daten lässt sich rekonstruieren, was während der Kollisionen geschah und ob dabei etwa ein Higgs-Teilchen erzeugt wurde.
Mit dem Nachweis des Higgs-Teilchens wäre ein wichtiges Ziel erreicht und den Entdeckern der Nobelpreis sicher. Für die meisten Physiker wäre es aber eine Enttäuschung, wenn es nur bei dieser Entdeckung bliebe. Tatsächlich sind noch viele Fragen offen, auf die das Standardmodell keine Antwort bietet. So ist noch immer unklar, warum es im Universum Materie gibt, aber keine Antimaterie, obwohl doch beides ursprünglich zu gleichen Teilen aus dem Urknall hervorgegangen ist. Warum gibt es vier Naturkräfte? Und woraus bestehen die dunkle Materie und die dunkle Energie, die den überwiegenden Teil des Kosmos ausmachen – der Anteil der bekannten Materie beläuft sich auf nur vier Prozent –, aber selbst mit den leistungsfähigsten Teleskopen nicht gesichtet werden können?
Zwischen Supersymmetrie und Stringtheorie
Auf die letzten beiden Fragen könnte möglicherweise die Theorie der Supersymmetrie eine Antwort geben, die Materie und Kräfte in einen engen Zusammenhang bringt. Dabei nimmt man an, dass eine Symmetrie besteht zwischen den Materiebausteinen und den Feldquanten wie dem Photon, das die elektromagnetische Kraft vermitteln. Danach sollte es zu jedem „normalen“ Teilchen einen supersymmetrischen Partner geben, der sich nur durch seinen Spin unterscheidet. Beispielsweise sollte für das Elektron das S-Elektron existieren und für das Photon das Photino. Mit dem LHC hofft man, zumindest das leichteste der supersymmetrischen Teilchen habhaft zu werden. Es wäre ein Hinweis auf eine neue Physik und ein Kandidat für die dunkle Materie.
Auch die sogenannte Stringtheorie, die Gravitationskraft und Quantentheorie unter einen Hut zu bringen versucht, macht experimentell überprüfbare Vorhersagen. Ihr zufolge sollte es im Mikrokosmos mehr als drei Dimensionen geben, die sich allerdings nicht wahrnehmen lassen, aber innerhalb der Stringtheorie durchaus denkbar sind. Womöglich könnte man Anzeichen für diese Extradimensionen finden. Dann könnten für einen kurzen Moment sogar winzige Schwarze Löcher entstehen, die sofort wieder zerstrahlen würden. Was für die Physiker einen Meilenstein wäre, ist für einige Zeitgenossen eine Gefahr für die Erde, da sich nach ihrer Ansicht die Minilöcher zu alles verschlingende Ungeheuer entwickeln können. Für Experten auf dem Gebiet der Quantengravitation wie dem Cern-Theoretiker John Ellis oder dem Direktor des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik in Potsdam, Herrmann Nicolai, schüren solche Befüchtungen Ängste, die jeglicher Vernunft entbehren, da sie auf einer falsche Interpretation der Relativitätstheorie beruhen.
Das Hochfahren live im Internet
Doch die rund zehntausend an den Experimenten beteiligten Forscher werden sich noch ein wenig gedulden müssen, bis die ersten Protonen im Zentrum ihrer Detektoren kollidieren können. Zunächst gilt es, den Teilchenstrahl im Beschleuniger stabil zu halten und die Energie und die Intensität schrittweise zu erhöhen. Die Verantwortlichen des Cern werden das heutige Ereignis auch medial gut in Szene setzen. Wer nicht vor Ort im Kontrollzentrum des Large Hadron Colliders sein kann, hat die Möglichkeit, die Inbetriebnahme live im Internet unter http://webcast.cern.ch zu verfolgen. Neun Stunden lang werden alle Aktivitäten übertragen. Liveschaltungen nach Chicago zum Fermilab sind geplant. Weil es dort noch tiefste Nacht ist, wenn die Protonen zirkulieren, wird der eine oder andere Forscher noch im Schlafanzug die Ereignisse in Europa verfolgen.
Text: F.A.Z.
Bildmaterial: Helmut Fricke
F.A.Z. Electronic Media GmbH 2001 - 2009 Medienpartner: NZZ Online
