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Teilchenphysik : Das Cern plant den nächsten großen Beschleuniger

So könnte der Tunnel des FCC aussehen (künstlerische Darstellung). Bild: dpa

Wenn der LHC, der große Teilchenbeschleuniger des Cern, das Ende seiner Laufzeit erreicht hat, wird er viele drängende Fragen der Teilchenphysik offen lassen. Wie geht es dann weiter?

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          Die Europäische Organisation für Kernforschung Cern hat gestern die technischen Details für einen geplanten Nachfolger des derzeit leistungsstärksten Teilchenbeschleunigers LHC (Large Hadron Collider) vorgestellt. Der „Future Circular Collider“ (FCC) soll eine Fortführung der Forschung, die derzeit am LHC betrieben wird, bei höheren Energien ermöglichen. So wird der LHC nach einer weiteren für 2026 geplanten Erhöhung seiner Luminosität – also der Anzahl der Teilchenkollisionen pro Zeitraum -  nach 2035 sein Potential für weitere Entdeckungen erschöpft haben.

          Sibylle Anderl
          Redakteurin im Feuilleton, zuständig für das Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Der LHC, dessen rund 27 Kilometer langer Beschleunigerring sich in der Nähe von Genf befindet, hatte 2012 das Higgs-Boson als letztes noch fehlendes Teilchen des Standardmodells nachweisen können, für dessen theoretische Vorhersage 2013 der Physik-Nobelpreis an Peter Higgs und Francois Englert verliehen wurde. Seitdem waren am LHC allerdings keine neuen Teilchen mehr gesichtet worden – sehr zum Bedauern der Teilchenphysiker, die als eine Motivation für den Bau des LHCs die Suche nach Teilchen jenseits des Standardmodells, wie supersymmetrische Teilchen oder Kandidaten für die bislang noch rätselhafte Dunkle Materie, angeführt hatten.

          Luftbild, auf dem der bestehende Ring des LHC (grau) zusammen mit dem geplanten 100 Kilometer langen Tunnel des geplanten FCC (grün) eingezeichnet sind.
          Luftbild, auf dem der bestehende Ring des LHC (grau) zusammen mit dem geplanten 100 Kilometer langen Tunnel des geplanten FCC (grün) eingezeichnet sind. : Bild: dpa

          Die Hoffnung der Physiker ist nun, dass solche Entdeckungen bei höheren Energien gelingen könnten, um damit offene Fragen in den derzeit etablierten Theorien des Mikro- und des Makrokosmos beantworten zu können. Sofern die Pläne vom Rat des CERN genehmigt werden, könnte das Milliarden-Projekt um das Jahr 2040 seinen Forschungsbetrieb aufnehmen.

          Geplant ist dafür der Bau eines 100 Kilometer langen Tunnels in der Nähe des LHC. Dort sollen verschiedene Arten von Teilchenkollisionen studiert werden: Zunächst würde der FCC – anders als der LHC – Elektronen und Positronen miteinander kollidieren lassen. Dies würde präzisere Messungen ermöglichen, da, anders als in Protonenkollisionen, die gleichzeitige Erzeugung einer unübersichtlichen Vielzahl von Quarks und Gluonen in Kollisionen verhindert würde. Schließlich sollen auch Protonenkollisionen in dem 100 Kilometer langen Tunnel bei Schwerpunktsenergien von bis zu 100 Teraelektronenvolt ermöglicht werden – letzteres Design würde aber erst nach erfolgreicher Implementierung des Elektron-Positron-Beschleunigers in Angriff genommen werden und damit in den späten 2050er Jahren in Betrieb gehen können.

          „Das ultimative Ziel des FCC ist es, einen 100 Kilometer langen supraleitenden Protonenbeschleuniger-Ring bei Energien bis zu 100 Teraelektronenvolt zu bauen – also eine Größenordnung leistungsfähiger als der LHC“, schreibt Frédérick Bordry, Direktor für Beschleuniger und Technologie am Cern. Auch Kollisionen von Ionen in bislang unerreichten Energiebereichen sowie von Elektronen mit Ionen oder Protonen sollen dann möglich sein. Die geplanten Kosten für den Elektron-Positron Beschleuniger werden auf rund neun Milliarden Euro geschätzt, die Erweiterung auf einen Protonenbeschleuniger würde weitere 15 Milliarden Euro kosten. Pläne für die nächste Generation von Teilchenbeschleuniger gibt es derweil auch in anderen Ländern: Während die Aussichten für den Bau eines linearen Beschleunigers (International Linear Collicer, ILC) in Japan derzeit eher schlecht stehen, da dieser keine wesentlich höheren Energien als der LHC erreichen würde, entwickelt China ebenfalls Pläne für einen Beschleuniger, der ähnliche Eigenschaften wie der FCC aufweist. Dass sowohl in China als auch in Europa ein Beschleuniger dieser Größe realisiert werden könnten, scheint allerdings unwahrscheinlich.

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