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Teilchenbeschleuniger 3.0: : Das nächste große Ding

Im Tunnel des Large Hadron Colliders. Bild: AFP

Wie geht es weiter nach dem LHC? Die Physiker des europäischen Forschungszentrums Cern schmieden bereits Pläne für einen noch leistungsfähigeren und größeren Teilchenbeschleuniger. Doch es fehlt noch die Technologie und das nötige Geld.

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          Kilometerlange Beschleuniger für die allerkleinsten Elementarteilchen sind das Markenzeichen der Teilchenphysik – und gleichzeitig ihr Dilemma. Denn je tiefer die Forscher in die Struktur der Materie blicken wollen, desto stärkere Anlagen benötigen sie. Und kaum ist ein Teilchenbeschleuniger in Betrieb gegangen, liegen schon die Pläne für eine neue, noch leistungsfähigere Maschine vor. Und so sucht die Community der Teilchenphysiker schon nach einem gebührenden Nachfolger für die derzeit weltweit stärkste und größte Maschine, den 27 Kilometer langen „Large Hadron Collider“ am europäischen Forschungszentrum Cern bei Genf.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Zwar soll der Large Hadron Collider, der derzeit aufgerüstet wird, noch mindestens zwanzig Jahre laufen. Aber schon jetzt ist klar, dass seine Leistung nicht ausreichen wird, um bestimmte Fragen beantworten zu können. Was ist die Natur der dunklen Materie, was steckt hinter der  dunklen Energie?

          Eckdaten eines Giganten

          „Die Zeit sei reif, die Vorbereitungen für ein Nachfolgeprojekt voranzutreiben“, teilte das Forschungzentrum in Genf mit, wo man sich seit diesem Mittwoch trifft, um detaillierte Fragen zur Planung des Großprojekts zu erörtern. Die Studie zum „Future Circular Collider“ (FCC), wie der künftige Superbeschleuniger vorläufig heißt, wird frühestens in etwa fünf Jahren vorliegen. Bis dahin sollen vor allem technische Fragen geklärt, aber erste Antworten zu den zu erwartenden Kosten geliefert werden.

          Größenvergleich LHC (27 Kilometer Umfang und FCC (100 Kilometer Umfang)

          Im FCC sollen wie im LHC Wasserstoffkerne, also Protonen, zur Kollision gebracht werden, mit einer unvorstellbaren Energie von hundert Tera-Elektronenvolt (TeV). Das wäre das etwa Siebenfache an Energie, die der Large Hadron Collider erzeugen wird, wenn er nach seinem Umbau im Frühjahr 2015 wieder an den Start geht. Auch das Ausmaß wird alles bisher Dagewesene in den Schatten stellen. So müsste der Ringbeschleuniger FCC für die anvisierte Kollisionsenergie einen Umfang von 80 bis 100 Kilometern besitzen. Damit wäre er drei Mal so groß wie der LHC, der in einem unterirdischen Tunnel zwischen dem französischen Jura  und dem Genfer See untergebracht ist.

          Eines ist den Physikern bereits klar. Mit der bisherigen Technik, die man beim LHC verwendet, wird man den FCC wohl nicht verwirklichen können. Die supraleitenden Magnete, die die Protonen im Large Hadron Collider auf eine Kreisbahn zwingen, erzeugen Magnetfelder von acht Tesla. Für einen Speicherring von 80 Kilometern Umfang benötigt  man ein zwanzig Mal so starkes Magnetfeld. Mit den heutigen supraleitenden Magneten ist nicht zu realisieren. Eine der vorrangigen Aufgaben der kommenden Jahre wird es deshalb sein, neue Technologien für Magnete zu entwickeln.

          ILC oder Clic?

          Der FCC ist allerdings nur eine der vielen möglichen Varianten eines LHC-Nachfolgers, wie es der  europäischen Teilchenphysik-Strategie vorschwebt. So liegen seit einem Jahr die Pläne für einen großen Linearbeschleuniger auf dem Tisch. In diesem 31 Kilometer langen International Linear Collider (ILC) sollen Elektronen und deren Antiteilchen, die Positronen, aufeinanderprallen, und zwar mit einer Energie von 0,5 TeV. Die Energie, bei der die Teilchen kollidieren, fällt deutlich geringer aus als beim  FCC, weil es sich bei Elektronen und Positronen anders als bei Protonen um punktförmige Elementarteilchen handelt und die Kollisionsenergie deshalb auf einen Punkt konzentriert wird. Japan hat bereits Interesse bekundet, den Beschleuniger auf seinem Territorium bauen zu wollen. Allerdings hat der japanische Wissenschaftsrat noch einige zu klärende Punkte aufgelistet, so dass noch nichts entschieden ist. Strittig ist etwa die Frage, wie die Kosten auf den beteiligten Partnerländern aufgeteilt werden sollen.

          Und das Forschungszentrum Cern verfolgt außerdem sein eigenes Projekt für einen Elektron-Positronen-Collider. Der kompakte Beschleuniger Clic (Akronym für Compact Linear Collider) wäre aufgrund seiner besonderen Bauweise und je nach Ausbaustufe zwischen 11 und 48 Kilometer lang und könnte eine Kollisionsenergie von 0,5 bis drei TeV erzeugen.

          Die letzte ihrer Art?

          Welches der drei Projekte die besten Perspektiven hat, ist noch offen,  so wie die Frage nach den Kosten,  wer von den Projektpartnern wie viel tragen würde. Entscheidend wird sein, ob mit dem Large Hadron Collider weitere bahnbrechende Entdeckungen - vor zwei Jahren wurde bekanntlich das Higgs-Teilchen aufgespürt - gemacht werden, wenn dieser im kommenden Jahr mit einer Maximalenergie von 14 TeV läuft. Die Wissenschaftler des Cern hoffen auf neue physikalische Effekte und bislang unbekannte Teilchen zu stoßen, die bei den energiereichen Protonen-Kollisionen zeigen sollten. Vielleicht wird das Rätsel um die  dunklen Materie, die den Großteil der Materie im Universum formt, endlich gelüftet. Dann stünden die Chancen recht gut für eine Weltmaschine. Diese wäre aber wahrscheinlich dann aber wirklich die Letzte ihrer Art.

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