Ein kleines Teilchen für die Physiker, ein großer Schritt für die Menschheit
Auf diesen Tag haben Tausende Physiker weltweit gewartet, ja im Grunde ihrer Seelen sogar die gesamte Menschheit: Am Dienstagmorgen sind im neuen Teilchenbeschleuniger des europäischen Forschungszentrums Cern bei Genf zwei gegensinnig umlaufende Protonenstrahlen erstmals mit einer Energie kollidiert, die kein Teilchenbeschleuniger jemals vorher annähernd erreicht hat. Dabei entstehen Bedingungen, wie sie Billonstel Sekunden nach dem Urknall vor 13,7 Milliarden Jahren geherrscht haben. Die beiden energiereichen Teilchenstrahlen zusammenzuführen ist für die Betreiber des 27 Kilometer langen „Large Hadron Collider“ (LHC), der hundert Meter tief unter der Erde in einem Tunnel zwischen dem Genfer See und dem französischen Jura verläuft, offenkundig eine Herausforderung. „Es ist so, als wenn sich zwei Stecknadeln auf halbem Weg durch den Atlantik exakt an einem Punkt treffen sollen“, sagt Steve Myers, Leiter der Beschleunigergruppe am Cern. Heute sollen auch offiziell die umfangreichen Experimente mit dem LHC beginnen. Die Forscher hoffen in den kommenden Jahren, eine Reihe bislang unbekannter Teilchen zu entdecken und neue Einblicke in die Entstehung des Universums zu erhalten.
Ende des vergangenen Jahres hat man schon einmal testweise Wasserstoffkerne im LHC aufeinandergeschossen – allerdings war das vergleichsweise „sanft“ bei einer moderaten Energie erfolgt. Nach wochenlanger Vorbereitungsarbeiten war man nun für den nächsten Schritt bereit. Die Teilchenstrahlen wurden zunächst auf eine Energie von 3500 Milliarden Elektronenvolt (Gigaelektronenvolt, GeV) beschleunigt, bevor man sie zunächst an einer Stelle – später dann an vier Stellen – zusammenführte. Wenn die zwei Protonen kollidieren, wird eine Energie von 7000 GeV freigesetzt, das ist die Hälfte der maximalen Kollisionsenergie, für die der LHC ausgelegt ist. Zum Vergleich: Eine Elektronenröhre eines althergebrachten Fernsehers bringt es auf gerade mal 20.000 Elektronenvolt. Bis zum Herbst 2011 soll der LHC diese Kollisionsenergie nicht überschreiten. Danach soll er aufgerüstet werden, sodass von Frühjahr 2012 an zwei Protonenstrahlen mit der doppelten Energie umlaufen werden.
Umgerechnet besitzen die heute im LHC kreisenden Partikeln zwar nur das Siebenfache der Bewegungsenergie von fliegenden Mücken, weil diese aber bei der Kollision praktisch an einem Punkt konzentriert wird, hat sie extreme Auswirkungen. So entstehen gemäß der berühmten Energie-Masse-Beziehung von Albert Einstein Myriaden von Sekundärteilchen, deren Eigenschaften die Forscher des Cern in der nun anstehenden Messphase detailliert vermessen werden. Denn nur so können die Forscher herausfinden, was sich bei den Teilchenkollisionen tatsächlich abgspielt hat. Die Fragmente werden von vier gewaltigen Detektoren registriert, die in unterirdischen Hallen stehen und jeweils einen Kollisionspunkt umgeben.
Die Forscher hoffen, bei der nun erreichten Energie zahlreiche unbekannte Teilchen zu erzeugen, 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 und warum etwa das Proton 1836 Mal so schwer ist wie das Elektron. Peter Higgs von der University Edinburgh hat dieses Teilchen vor mehr als vierzig Jahren vorausgesagt. Bislang war die Energie der bestehenden Teilchenbeschleuniger offenkundig zu niedrig, um das Higgs-Teilchen erzeugen zu können – vorausgesetzt, es existiert tatsächlich. Für die meisten Physiker wäre es aber eine Enttäuschung, wenn es nur bei dieser Entdeckung bliebe. Denn es sind noch viele Fragen offen, auf die die Teilchenphysiker bislang keine zufriedenstellende Antworten haben. 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 besteht die dunkle Materie, die den überwiegenden Teil der Materie des Kosmos ausmacht, aber selbst mit den leistungsfähigsten Teleskopen nicht gesichtet werden kann?
Eine Sensation wäre es für die Forscher, wenn sich bei den Teilchenkollisionen auch Hinweise auf sogenannte Extradimensionen zeigen würden – also zusätzliche Raumdimensionen, die sich normalerweise nicht wahrnehmen lassen, aber einigen ernstzunehmenden physikalischen Theorien zufolge durchaus denkbar sind. Dann ließen sich die Quanten- und die Gravitationstheorie endlich unter einen physikalischen Hut bringen. Für einen kurzen Moment könnten sich bei der Kollision zweier Protonen sogar winzige Schwarze Löcher bilden, die nach den Berechnungen der Physiker allerdings sofort wieder zerstrahlen würden und daher ungefährlich wären. Was für die Physiker ein Meilenstein wäre, ist für einige Zeitgenossen eine Gefahr für die Erde, da sich nach ihrer Ansicht die Minilöcher zu alles verschlingenden Ungeheuern entwickeln können. Für Experten auf dem Gebiet der Quantengravitation beruhen die Befürchtungen aber auf einer falschen Interpretation der Relativitätstheorie und sind daher unberechtigt.
Die Physiker des Cern rechnen damit, dass schon dieses Jahr einige der Fragen beantwortet werden können. Die wichtigste Voraussetzung dafür wurde heute geschaffen. Was nun zu tun bleibt, ist, die Intensität, genauer die Luminosität der Teilchenstrahlen zu erhöhen, damit die Rate der Kollisionen möglichst groß ist.
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 noch die Möglichkeit, die Inbetriebnahme live im Internet zu verfolgen. Neun Stunden lang werden alle Aktivitäten übertragen; Liveschaltungen zu den verschiedenen Forschungsinstituten in aller Welt kommen hinzu.
Text: F.A.Z.
Bildmaterial: AFP, ddp, dpa
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