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Cern-Projekt

Urknall im Beschleuniger

13.08.2008  14:19 Uhr

Cern-Projekt

Urknall im Beschleuniger

Von Hannelore Gießen, Genf

 

Am 10. September 2008 wird die größte Maschine der Welt in Betrieb genommen: Mit dem Teilchenbeschleuniger LHC wollen Physiker im Genfer Forschungszentrum Cern ins Innerste der Materie schauen. Zwanzig Nationen haben sich an der Finanzierung von vier Milliarden Euro beteiligt.

 

Forschung bedeutet heute internationale Teamarbeit. Ein solches Großprojekt ist der Large Hadron Collider (LHC) am Europäischen Laboratorium für Elementarteilchenphysik (Cern) in Genf. In einem 27 Kilometer langen Beschleunigerring, rund einhundert Meter tief unter der Erde, werden ab Sommer 2008 Protonen und später auch Atomkerne beschleunigt und aufeinander geschossen.

 

Die Erwartungen an LHC sind hoch. Ganz oben auf der Wunschliste steht der Nachweis des Higgs-Teilchens. Dass die Materie Masse besitzt, liegt, einer 40 Jahre alten Theorie des britischen Physikers Peter Higgs zufolge, an dem nach ihm benannten Higgs-Teilchen. Physiker hoffen nun, dieses elementare Partikel mit dem LHC nachweisen zu können. Ihren Optimismus begründen sie mit der extrem hohen Energie, mit der dort Protonen gegeneinander geschossen werden. Beim Zusammenprall zertrümmern sich die Teilchen gegenseitig und aus der Kollisionsenergie entstehen neue Teilchen. Man benötigt enorm viel Energie, um Higgs-Teilchen, die vermutlich besonders schwer sind, zu produzieren, da Masse und Energie äquivalent sind. Solche Energien haben Beschleuniger bislang nicht erreicht.

 

Eingebettet ist der riesige Beschleuniger in die Ebene, die sich östlich des französischen Jura bis zum Genfer See erstreckt. Herzstück des LHC sind zwei fünf Zentimeter dicke Edelstahlrohre, durch die Protonen und Atomkerne mit nahezu Lichtgeschwindigkeit in entgegengesetzter Richtung rasen werden. Um sie dabei auf Kurs zu halten, werden starke Magnetfelder benötigt. Berechnungen zeigten, dass es dazu eines Magnetfeldes bedarf, das 180.000-mal so stark ist wie das Magnetfeld der Erde. Mit konventionellen Magneten ist das nicht erreichbar, nur über »Supraleitung«: Bestimmte Materialien verlieren bei tiefen Temperaturen ihren elektrischen Widerstand, sodass der Strom ohne Verluste fließt. Der riesige Magnetring wird mit flüssigem Helium auf ultratiefe Temperatur gekühlt und der Protonenstrahl muss durch die gekühlten Röhren geführt werden, ohne die Wand zu berühren.

 

An vier Kollisionspunkten vereinigen sich die beiden Röhren für eine kurze Strecke, sodass die Partikel aufeinanderprallen können. In riesigen Höhlen, die der Autor Hans Magnus Enzensberger als unterirdische Kathedralen der Physik bezeichnet hat, sammeln Detektoren die bei der Kollision entstehenden Bruchstücke auf und registrieren deren Richtung, Ladung und Energie. Daraus kann die Art der Teilchen bestimmt werden. Während der Experimentierzeit kommt auf das Cern-Rechenzentrum ein Datengau zu: eine unübersehbare Fülle an Informationen. Interessant ist nur ein Bruchteil, der möglichst rasch herausgefiltert werden soll – ein gigantischer Rechenaufwand. Das Cern, an dem auch das World Wide Web erfunden wurde, hat dazu die Initiative Grid gestartet: Sie verteilt die enorme Rechen- und Speicherleistung weltweit auf rund 70 Großrechenzentren.

 

Der Mini-Urknall

 

Nicht nur dem Higgs-Teilchen wollen Physiker am Cern auf die Spur kommen, sondern letztlich dem Ursprung des Universums. Abenteuerlich klingt das physikalische Erklärungsmodell von der Entstehung der Welt: Nach dem Urknall existierte zunächst nur eine dicht gepackte energiereiche Mischung aus Quarks und Gluonen, die explosionsartig auseinanderflog und sich dabei abkühlte. Die Quarks ballten sich zu den unterschiedlichsten Teilchen wie Protonen und Neutronen zusammen. Beim weiteren Abkühlen entwickelten sich Atomkerne und dann die leichtesten Atome Wasserstoff und Helium. So entstand Schritt für Schritt unser Universum.

 

Tatsächlich beruht dieses Modell auf theoretischen Überlegungen und indirekten Schlussfolgerungen aus dem Zustand des heutigen Universums. In der Physik zählt jedoch das Experiment. Deshalb stellen Physiker seit Jahren die Vorgänge vom Anfang des Universums im Labor nach. Mit einem groß angelegten Experiment hoffen sie nun, am LHC diesen Übergang, das »Kondensieren« der Quarks und Gluonen zu unserer heutigen Materie, beobachten zu können.

 

Die Suche nach Symmetrien

 

Ein anderes großes Rätsel, zu dessen Entschlüsselung der LHC beitragen soll, bringt Nicht-Physiker an die Grenzen ihrer Vorstellungskraft: Warum gibt es in unserer Welt praktisch keine Antimaterie, obwohl doch beim Urknall genauso viel Antimaterie wie Materie erzeugt wurde? Weshalb existiert überhaupt noch Materie im Universum, obwohl sich beide gegenseitig hätten vernichten müssen? Offensichtlich ist die Symmetrie zwischen Materie und Antimaterie gebrochen, der Grund für diesen Bruch ist aber nicht bekannt. Antimaterie ist wohl doch etwas anderes als Materie, bei der einfach alle positiven Ladungen durch negative und alle negativen durch positive ersetzt sind. Diesem Unterschied versucht eines der Großprojekte am LHC auf die Spur zu kommen.

 

Eine neue Symmetrie, eine kurz als Susy bezeichnete Supersymmetrie, könnte der Rettungsanker sein, um das in manchen Punkten unbefriedigende Standardmodell der Physik zu erweitern: Zu jedem Partikel gibt es noch ein Gegenstück mit spiegelbildlichen Eigenschaften. Neben den uns bekannten normalen Teilchen existieren vielleicht die viel schwereren Susy-Partikel, die nicht wie Materie- und Antimaterieteilchen in einem Lichtblitz vergehen. SUSY-Teilchen wären ein Schlüssel für ein Modell, das die heutigen Erkenntnisse der Teilchenphysik unter einen Hut bringt. Viele Physiker hoffen daher, Spuren sogenannter supersymmetrischer Teilchen in den LHC-Detektoren zu finden.

 

Am LHC arbeiten Menschen aus unterschiedlichen Nationen und Kulturen zusammen. Wie sonst wohl nur in der Kunst überwindet hier Wissenschaft die Grenzen. Doch wo liegt das Geheimnis, dass mehr als 2000 Forscher, die noch dazu über die ganze Welt verstreut sind, in einem so komplizierten Projekt zusammenarbeiten? Die Konstanzer Soziologin Karin Knorr Cetina besuchte viele Jahre immer wieder das Cern, sprach mit den Forschern, begleitete sie zu Konferenzen und in die Kantine, wo Projekte beim Menü »Proton« oder »Neutron« diskutiert werden. Was sie dabei fand, bezeichnete sie als »Prinzip der Selbstorganisation«. Ständig diskutieren sie miteinander das Projekt, das Experiment und ihre Überlegungen. Sie fühlen sich einem gemeinsamen Ziel verpflichtet.

 

In der ganzen Welt blicken Teilchenphysiker und Kosmologen mit Spannung nach Genf: Rücken sie doch mit dem LHC noch ein Stückchen näher an den Urknall heran. Die Erwartungen gehen noch weit darüber hinaus. Vielleicht bringt der LHC auch neue Teilchen, die nicht in das bisherige Schema passen. Der LHC könnte für die Teilchenphysik den Beginn eines neuen Zeitalters markieren.

Teilchen im Überblick

Dass die Atomhülle aus Elektronen und die Atomkerne aus Protonen und Neutronen aufgebaut sind, ist bereits Thema der Sekundarstufe. Betrachtet man Elementarteilchen genauer, gehört das Elektron, zusammen mit dem Neutrino und anderen wenig bekannten Teilchen, zur »Familie« der Leptonen. Im Kern geht die Differenzierung noch weiter: Quarks sind es, die die massehaltigen Protonen und Neutronen aufbauen. Zusammengefasst werden Protonen, Neutronen und andere aus Quarks bestehende Teilchen als Hadronen. Der Large Hadron Collider trägt seinen Namen, weil in ihm Protonen und ebenfalls aus Hadronen bestehende Kerne von Blei-Atomen kollidieren. Daneben gibt es noch die »Trägerteilchen« der Kräfte, zum Beispiel das Photon für die elektromagnetische Kraft und das Gluon für die starke Kernkraft. Aus diesen Teilchen besteht die gesamte Materie der Welt, wie wir sie kennen.

Tatsächlich beruht dieses Modell auf theoretischen Überlegungen und indirekten Schlussfolgerungen aus dem Zustand des heutigen Universums. In der Physik zählt jedoch das Experiment. Deshalb stellen Physiker seit Jahren die Vorgänge vom Anfang des Universums im Labor nach. Mit einem groß angelegten Experiment hoffen sie nun, am LHC diesen Übergang, das »Kondensieren« der Quarks und Gluonen zu unserer heutigen Materie, beobachten zu können.

 

Die Suche nach Symmetrien

 

Ein anderes großes Rätsel, zu dessen Entschlüsselung der LHC beitragen soll, bringt Nicht-Physiker an die Grenzen ihrer Vorstellungskraft: Warum gibt es in unserer Welt praktisch keine Antimaterie, obwohl doch beim Urknall genauso viel Antimaterie wie Materie erzeugt wurde? Weshalb existiert überhaupt noch Materie im Universum, obwohl sich beide gegenseitig hätten vernichten müssen? Offensichtlich ist die Symmetrie zwischen Materie und Antimaterie gebrochen, der Grund für diesen Bruch ist aber nicht bekannt. Antimaterie ist wohl doch etwas anderes als Materie, bei der einfach alle positiven Ladungen durch negative und alle negativen durch positive ersetzt sind. Diesem Unterschied versucht eines der Großprojekte am LHC auf die Spur zu kommen.

 

Eine neue Symmetrie, eine kurz als Susy bezeichnete Supersymmetrie, könnte der Rettungsanker sein, um das in manchen Punkten unbefriedigende Standardmodell der Physik zu erweitern: Zu jedem Partikel gibt es noch ein Gegenstück mit spiegelbildlichen Eigenschaften. Neben den uns bekannten normalen Teilchen existieren vielleicht die viel schwereren Susy-Partikel, die nicht wie Materie- und Antimaterieteilchen in einem Lichtblitz vergehen. SUSY-Teilchen wären ein Schlüssel für ein Modell, das die heutigen Erkenntnisse der Teilchenphysik unter einen Hut bringt. Viele Physiker hoffen daher, Spuren sogenannter supersymmetrischer Teilchen in den LHC-Detektoren zu finden.

 

Am LHC arbeiten Menschen aus unterschiedlichen Nationen und Kulturen zusammen. Wie sonst wohl nur in der Kunst überwindet hier Wissenschaft die Grenzen. Doch wo liegt das Geheimnis, dass mehr als 2000 Forscher, die noch dazu über die ganze Welt verstreut sind, in einem so komplizierten Projekt zusammenarbeiten? Die Konstanzer Soziologin Karin Knorr Cetina besuchte viele Jahre immer wieder das Cern, sprach mit den Forschern, begleitete sie zu Konferenzen und in die Kantine, wo Projekte beim Menü »Proton« oder »Neutron« diskutiert werden. Was sie dabei fand, bezeichnete sie als »Prinzip der Selbstorganisation«. Ständig diskutieren sie miteinander das Projekt, das Experiment und ihre Überlegungen. Sie fühlen sich einem gemeinsamen Ziel verpflichtet.

 

In der ganzen Welt blicken Teilchenphysiker und Kosmologen mit Spannung nach Genf: Rücken sie doch mit dem LHC noch ein Stückchen näher an den Urknall heran. Die Erwartungen gehen noch weit darüber hinaus. Vielleicht bringt der LHC auch neue Teilchen, die nicht in das bisherige Schema passen. Der LHC könnte für die Teilchenphysik den Beginn eines neuen Zeitalters markieren.

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