https://www.faz.net/-gwz-9wvdx

Was kommt nach dem LHC? : Wie Teilchenphysiker einen Hühnerhaufen bändigen

  • -Aktualisiert am

Im unterirdischen Tunnel des 27 Kilometer langen „Large Hadron Collider“ während Reperaturarbeiten. Im größten Teilchenbeschleuninger und Speicherring des europäischen Forschungszentrums Cern bei Genf, kollidieren energiereiche Protonen miteinander. Dabei werden Prozesse ausgelöst, wie sie kurz nach dem Urknall stattgefunden haben. Bild: AFP

Noch ist der LHC, der große Speicherring des Cern, viele Jahre in Betrieb. Wird der Nachfolger ein Collider für Myonen? Die Aussichten sind gut. Denn jetzt ist klar, wie man die instabilen Teilchen zu einem Strahl bündelt.

          4 Min.

          Die Teilchenphysik steht vor einem Scheideweg. Sie hat zwar in den vergangenen Jahren und Jahrzehnten unglaubliche Erfolge gefeiert. Seit dem Nachweis des Higgs-Bosons – als letztes noch ausstehendes Elementarteilchen des Standardmodells – vor nunmehr fast acht Jahren hat es aber keine weiteren bahnbrechenden Entdeckungen auf diesem Gebiet gegeben. Zwar deuten Phänomene wie die Existenz einer mysteriösen Dunklen Materie, die das Universum dominiert, darauf hin, dass es noch mehr Arten von Elementarteilchen geben sollte, als bislang bekannt sind. Aber auch die stärksten Teilchenbeschleuniger konnten bisher nicht den geringsten Hinweis auf solche exotischen Materieformen liefern.

          Deshalb wird der Ruf nach leistungsfähigeren Beschleunigeranlagen immer lauter. Nur sind diese kaum noch zu bezahlen. So hat der derzeit stärkste und mit einem Umfang von 27 Kilometern auch größte Teilchenbeschleuniger, der „Large Hadron Collider“ (LHC) am europäischen Forschungszentrum Cern bei Genf, mehr als fünf Milliarden Euro verschlungen. Auch wenn der LHC noch mindestens fünfzehn Jahre in Betrieb sein dürfte, so wünschen sie viele Forscher bereits eine Maschine mit 100 Kilometer Umfang. Diese dürfte dann allerdings mehr als 20 Milliarden Euro kosten. Ein Konzept, das bislang eher in theoretischen Spekulationen aufgetaucht war, könnte eine günstigere Lösung ermöglichen: Ein Teilchenbeschleuniger für Myonen. Diese schweren Verwandten der Elektronen sind zwar instabil, haben aber ansonsten ideale Eigenschaften, um sie als Projektile in der Teilchenphysik nutzen zu können. Allerdings hat es sich als äußerst schwierig erwiesen, gerichtete Strahlen von Myonen zu erzeugen. Nun ist Physikern der internationalen MICE-Kollaboration (Muon Ionization Cooling Experiment) ein entscheidender Schritt auf dem Weg zum Myonen-Beschleuniger gelungen.

          Das Beste aus zwei Welten

          Die meisten Teilchenbeschleuniger nutzen zur Erzeugung neuer Teilchen Elektronen, Protonen oder Ionen. Diese werden dazu mit Hochfrequenzfeldern beschleunigt und mit starken Magneten auf Kreisbahnen gezwungen, um die für Kollisionsexperimente erforderlichen Energien zu erzeugen. Zwei Faktoren begrenzen allerdings die Energie, die in Speicherringen erreicht werden kann. Bei den leichten Elektronen ist es die sogenannte Synchrotronstrahlung: Ähnlich wie Elektronen in einer Radioantenne Radiowellen aussenden, wenn sie in einem Wechselfeld beschleunigt werden, verlieren auch die Elektronen Energie in Form von energiereicher Strahlung, wenn sie auf Kreisbahnen umlaufen. Und je höher die Energie ist, mit der Elektronen kreisen, desto größer sind die Energieverluste. Diese müssen ständig ersetzt werden. Doch irgendwann sind sie so groß, dass sich Elektronen nicht weiter beschleunigen lassen.

          Die Lage der drei existierenden Speicherringe PS, SPS und LHC des europäischen Forschungszentrums Cern bei Genf. Eingezeichnet ist auch der geplante Teilchenbeschleuniger FCC (grün). In dem 100 Kilometer langen Speicherring könnten Elektronen und deren Antiteilchen, die Positronen, auf Kollisionskurs gebracht werden.
          Die Lage der drei existierenden Speicherringe PS, SPS und LHC des europäischen Forschungszentrums Cern bei Genf. Eingezeichnet ist auch der geplante Teilchenbeschleuniger FCC (grün). In dem 100 Kilometer langen Speicherring könnten Elektronen und deren Antiteilchen, die Positronen, auf Kollisionskurs gebracht werden. : Bild: Cern, dpa

          Bei schweren Teilchen wie Protonen spielen solche Verluste keine große Rolle. Dafür benötigt man allerdings starke Magnete, um Wasserstoffkerne auf ihrer Kreisbahn zu halten. Und je höher die Energie, desto stärkere Magnetfelder sind notwendig. Ab einem Punkt stoßen dann selbst die derzeit stärksten supraleitenden Magnete an ihre Grenzen. Hier hätte ein Myonenstrahl Vorteile. Weil die Masse der Myonen nur rund ein Zehntel der Protonenmasse beträgt, bräuchte man keine so starken Magneten, um sie auch bei hohen Energien auf stabilen Bahnen zu halten. Speicherringe für Myonen könnten dadurch kompakter und günstiger gebaut werden.

          Weitere Themen

          Die soziale Ausstrahlung der Maskenträger

          Covid-19-Pandemie : Die soziale Ausstrahlung der Maskenträger

          Die Frage, ob das Tragen einer Mund-Nasen-Bedeckung in der Öffentlichkeit verpflichtend sein soll, wird immer wieder seit Monaten diskutiert. Eine Studie aus Erfurt liefert nun neue Argumente dafür.

          Topmeldungen

          Der türkische Präsident Recep Tayyip Erdogan Ende November nach einer Kabinettsitzung in Ankara

          Brief aus Istanbul : Weit weg von Demokratie

          Nach Erdogans Reformversprechen hofften viele zumindest auf ein milderes Klima. Nun verhallt es, kaum dass es ausgesprochen ist. Dafür tönt ein Schwerkrimineller, der unverhofft aus dem Gefängnis entlassen wurde.

          Newsletter

          Immer auf dem Laufenden Sie haben Post! Abonnieren Sie unsere FAZ.NET-Newsletter und wir liefern die wichtigsten Nachrichten direkt in Ihre Mailbox. Es ist ein Fehler aufgetreten. Bitte versuchen Sie es erneut.
          Vielen Dank für Ihr Interesse an den F.A.Z.-Newslettern. Sie erhalten in wenigen Minuten eine E-Mail, um Ihre Newsletterbestellung zu bestätigen.