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Teilchenbeschleuniger am Cern : Reise zum Ursprung des Kosmos

Ein Blick in die Röhre des neuen Large Hadron Colliders (LHC) am Europäischen Kernforschungszentrum bei Genf Bild: Helmut Fricke

Ring frei für die größten Teilchenbeschleuniger der Welt. An diesem Mittwoch soll der Large Hadron Collider des Forschungszentrums Cern seine Feuertaufe bestehen. Die erzeugten Energien werden an die Verhältnisse heranreichen, die Billionstelsekunden nach dem Urknall herrschten.

          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.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          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.

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