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Neustart des LHC : Die Physik auf dem Weg in neue Dimensionen

In dieser Strahlröhre werden die Protonen frontal zusammenprallen. Bild: Cern

Im größten Teilchenbeschleuniger der Welt kreisen bald wieder Wasserstoffkerne. Man will jetzt den Urknall mit mehr Energie denn je simulieren. Jetzt ist in Genf der Zeitplan für die kommenden Wochen vorgestellt worden.

          Am europäischen Forschungszentrum Cern bei Genf wird in Kürze der größte Teilchenbeschleuniger und Speicherring der Welt, der „Large Hadron Collider“ (LHC), nach einer zweijährigen Betriebspause wieder anlaufen. Man hat die Zeit dazu genutzt, dringend notwendige Wartungs- und Reparaturarbeiten an der Maschine und den vier Großexperimenten, Atlas, CMS, Alice und LHCb, vorzunehmen.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Vor allem aber ist der LHC kräftig aufgerüstet worden. Nun können die beiden gegensinnig umlaufenden Protonenstrahlen in dem 27 Kilometer langen Ringbeschleuniger auf Energien von jeweils 6,5 Billionen Elektronenvolt (Teraelektronenvolt, kurz TeV) beschleunigt werden, bevor man sie zur Kollision bringt. Dabei wird eine Energie von 13 TeV freigesetzt. Das ist fast die doppelte Kollisionsenergie, die man bisher zur Verfügung hatte. Zum Vergleich: die Elektronen in einer althergebrachten Elektronenröhre wurden auf 20.000 Elektronenvolt beschleunigt

          „Wir alle hier am Cern sind sehr gespannt auf die kommenden Experimente. Es wird ein aufregendes Jahr“, erklärte der Generaldirektor des Cern, Rolf-Dieter Heuer, am Donnerstag   Nachmittag (12. März 2015) auf einer Pressekonferenz in Genf.

          Rolf-Dieter Heuer auf der Cern-Pressekonferenz am 12.März 2015

          Große Erwartungen an künftige Experimente

          Die Erwartungen sind groß: Der LHC, der hundert Meter unter der Erde in einem Tunnel zwischen dem Genfer See und dem französischen Jura verläuft, soll noch im Frühjahr dieses Jahres mit der bislang unerreichten Kollisionsenergie von 13 TeV ein neues Kapitel der Physik aufschlagen. „Wir wissen nicht, was uns erwartet. Wir betreten mit der anvisierten Kollisionsenergie ein  komplettes Neuland“, sagt Heuer. 

          Vor drei Jahren machten die Forscher des Cern mit dem LHC eine Jahrhundertentdeckung. In den Bruchstücken der Teilchenkollissionen  spürten sie das sogenannte Higgs-Boson auf, das bereits Jahrzehnte auf der Fahndungsliste der Teilchenjäger gestanden hat. Mit dem letzten Baustein des Standardmodells hatte man die Antwort auf die Frage gefunden, wie die bekannten Elementarteilchen ihre Masse erhalten.

          Unbekannte Physik  jenseits des Standardmodells

          Doch handelt es sich bei dem im Jahr 2012 entdeckten Higgs-Boson um das einzige seiner Art, wie es das Standardmodell vorsieht, oder gibt es noch weitere higgsartige Teilchen, von denen sich einige bei der jetzt angestrebten höheren Kollisionsenergie zeigen könnten? Vielleicht lassen sich auch noch weitere exotische elementare Teilchen erzeugen, die vom Standardmodell der Teilchenphysik nicht beschrieben werden?

          Wartungsarbeiten im Tunnel des LHC

          Die Wissenschaftler spekulieren auf unbekannte Teilchen, die sich beispielsweise als Bestandteile der rätselhaften „Dunklen Materie“ entpuppen könnten, also von jenem Stoff, der den überwiegenden Teil der Materie des Kosmos bildet, aber selbst mit den leistungsfähigsten Teleskopen nicht beobachtet werden kann. „85 Prozent der Materie und der Energie des Universums sind noch unbekannt“, erklärt Heuer. Noch rätselhaft ist auch, warum das Universum fast ausschließlich aus Materie besteht, aber nicht aus Antimaterie, obwohl beides ursprünglich zu gleichen Teilen aus dem Urknall hervorgegangen war. Es werden phantastische Ergebnisse, ist sich Heuer sicher. „Wir wissen nur nicht wann und was auf uns zukommt.“

          Die Vorbereitungen laufen mit Hochdruck

          In zwei Wochen, so sieht es der Zeitplan vor, will man erstmals Wasserstoffkerne im Ringbeschleuniger kreisen lassen und dann aufeinander lenken. Das wird zunächst mit einer vergleichsweise geringen Energie erfolgen. Geschehen keine ernsten Zwischenfälle, und laufen alle Systeme reibungslos, könnten die Wasserstoffkerne erstmals Ende Mai oder Anfang Juni mit voller Wucht aufeinanderprallen.

          Detektor CMS während der Wartungsarbeiten

          Am vergangenen Wochenende hat man begonnen, erstmals vorbeschleunigte Protonen einzuspeisen. An den Stellen, an denen sich die Detektoren Alice und LHCb befinden, wird der Protonenstrahl derzeit noch an einem Hindernis gestoppt. Spezielle Monitore entlang der Strecke überwachen den Verlauf der beiden Teilchenstrahlen.  Die Prozedur, die auf die anderen Sektoren des LHC ausgedehnt werden soll, hat den Vorteil, dass man die beiden Strahlen nicht auf einmal durch die 27 Kilometer langen Strahlröhren des Beschleunigers führen muss. Zudem kann man alle Komponenten des LHC und der vier Detektoren nacheinander testen und optimieren. Erst wenn alle Systeme funktionieren, sollen die Protonenstrahlen gegensinnig im kompletten Ringbeschleuniger umlaufen.

          Bald Licht im Dunkeln?

          „Wir gehen jetzt Schritt für Schritt vor, um jedes Risiko zu vermeiden“, sagt Heuer.  Den Physikern des Cern ist die Panne im September 2009 noch gut in Erinnerung. Damals war es beim Hochfahren der supraleitenden Magnete, die die umlaufenden  Protonenstrahlen auf eine stabile Kreisbahn zwingen,  zu einem Kurzschluss in einigen elektrischen Kontakten gekommen, worauf sich Magnete plötzlich erwärmten und Helium austrat. Die erforderlichen Reparaturarbeiten legten den LHC einige Monate lahm. Ähnliches will man natürlich vermeiden, wenn man die Magnete nun auf die maximale Stärke hochfährt. Dann fließen in den Kabeln Ströme von bis zu 11.000 Ampere.  Aus diesem Grund wurde die Mehrheit der elektrischen Kontakte des LHC erneuert.

          Die im Beschleuniger kreisenden Wasserstoffkerne dürfen nicht vom Kurs abkommen und die Wand der Magnete streifen. „Die Strahlen haben bei 6,5 TeV so viel Energie, um eine Tonne Kupfer zum Schmelzen zu bringen“, erklärt Heuer. Da darf kein Fehler auftreten.

          Der LHC soll bis zum Jahr 2035  in Betrieb bleiben. Dabei wird es immer wieder Pausen für Wartungsarbeiten und Upgrades geben. Regelmäßig will man die Leistungsfähigkeit der Maschine steigern, um noch tiefer in die Struktur der Materie vordringen zu können und der Natur neue Geheimnisse zu entlocken. „Ich habe eine Vision“, so sagte Heuer in Anbetracht der kommenden Experimente in Genf. „Ich möchte das erste Licht im  Dunkeln sehen. Dann weiß ich, dass die Natur freundlich gestimmt ist.“ 

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