Die Tiefen des Kosmos und die Welt der Elementarteilchen bergen die größten Rätsel der modernen Physik. Mit einem superstarken Beschleuniger wollen die Forscher die härtesten Nüsse knacken.
Wer sich dem Europäischen Kernforschungszentrum CERN von Genf her nähert, könnte meinen, er habe den Ortsrand einer ganz gewöhnlichen Kleinstadt vor sich. Einige wuchtige fabrikähnliche Hallen, dazwischen verglaste Bürogebäude, Wohnblocks und ein paar kleine, mit Bäumen bestandene Parkflächen prägen das Gelände des Europäischen Kernforschungszentrums. Doch der Schein trügt. Welche gigantischen Forschungsapparaturen sich unter dem auf einem sanft ansteigenden Hügel zwischen dem schweizerischen Ort Meyrin und dem bereits in Frankreich gelegenen Dorf St. Genis gelegenen Areal verbergen, erkennt man, wenn man eine nach außen unscheinbare Halle betritt. Darin öffnet sich ein gähnender Schlund. Rund 100 Meter weit geht es in die Tiefe. Klein wie Ameisen sieht man unten Arbeiter umherwuseln, leise dringt das Rattern und Dröhnen von mächtigen Maschinen nach oben. Die Baustelle von ATLAS – einem von vier gewaltigen Detektoren des neuen Teilchenbeschleunigers LHC, der im Untergrund von CERN errichtet wird – beeindruckt allein durch ihre Dimensionen.
Genauso gewaltig sind die physikalischen Prozesse, die sich bald in der Anlage abspielen werden. Die Abkürzung LHC steht für Large Hadron Collider und damit für die Art von Elementarteilchen, mit denen die Physiker in der Anlage experimentieren wollen: Hadronen – Kernteilchen –, und davon speziell Protonen, werden voraussichtlich ab Herbst 2007 in einem 27 Kilometer langen kreisförmigen Tunnel von superstarken Magneten auf fast Lichtgeschwindigkeit von 299 792,458 Kilometer pro Sekunde beschleunigt, um anschließend mit voller Wucht frontal aufeinander zu rauschen. Bis zu 600 Millionen Zusammenstöße von schnellen Protonen werden sich in jeder Sekunde in den Detektorkammern der Anlage ereignen. Eine Energie von rund 14 Teraelektronenvolt (Billionen Elektronenvolt) setzt jede Kollision frei, bei der die beiden Protonen zerplatzen. Diese Energie konzentriert sich auf einen winzigen Raumbereich und erzeugt dort eine Energiedichte, die bislang in keinem anderen Teilchenbeschleuniger erreicht wurde. Aus dem Energieblitz beim Zerbersten der Protonen entstehen in Sekundenbruchteilen zahlreiche neue Partikel, die in alle Himmelsrichtungen davonfliegen. Detektoren wie ATLAS zeichnen ihre Spuren auf, die die Physiker danach penibel analysieren. Aus der immensen Datenmenge werden sie herauslesen können, welche Teilchen aus dem Energieblitz geboren wurden, wie schnell und wie schwer sie waren.
Hin und wieder, so die Hoffnung der Wissenschaftler, wird dabei auch ein scheuer Gesell entstehen, der sich bisher noch in keinem Experiment dingfest machen ließ: das Higgs-Boson. Das nach dem schottischen Physiker Peter Higgs benannte geheimnisvolle Partikel ist der letzte weiße Fleck im Standardmodell – dem Theoriegebäude, in das die Physiker alle bekannten Elementarteilchen und Naturkräfte einreihen und mit dem sich alle bekannten physikalischen Phänomene im Mikrokosmos erklären lassen. Besser gesagt: fast alle. Denn auf eine entscheidende Frage gibt das Standardmodell der Teilchenphysiker keine Antwort: warum es überhaupt eine Masse gibt und wieso die verschiedenen Elementarteilchen genau die Masse besitzen, die man misst. Um diese Frage beantworten zu können, haben die Physiker ein zusätzliches Teilchen in ihr Modell eingefügt, das Higgs-Boson. Es soll allen anderen Elementarteilchen ihre Masse verleihen. Denn die Bosonen, so die Idee von Higgs, sind von einem Feld umgeben, das wie ein zäher Sirup das ganze Universum erfüllt und durch das sich alle Teilchen ständig bewegen müssen. Das bremst sie ab – und wirkt damit physikalisch gesehen wie eine Masse.
Im LHC, sind viele Forscher überzeugt, werden sich die Higgs-Bosonen erstmals zu erkennen geben. Denn der neue Riesenbeschleuniger setzt genug Energie frei, um die Teilchen zu erzeugen – vorausgesetzt, es gibt sie tatsächlich und sie verhalten sich so, wie die Physiker es vermuten. Um die Energie, die bei den Teilchenkollisionen freigesetzt wird und zur Schaffung neuer Teilchen führt, zunächst einmal in die Protonen hineinzupumpen, ist ein enormer Aufwand erforderlich. Nur durch sehr starke Magnetfelder von über 9 Tesla – etwa das 100 000-Fache des Erdmagnetfelds – lassen sich die Partikel in der Röhre auf Lichttempo beschleunigen und auf der richtigen Bahn halten. 9300 einzelne Magnete – die größten rund 15 Meter lang – sind notwendig, um die starken Felder zu erzeugen. Die Magnetspulen aus einer Niob-Legierung, die speziell für den LHC entwickelt worden sind, werden mit flüssigem Helium ständig auf einer Temperatur von minus 271 Grad Celsius gehalten – nur zwei Grad über dem absoluten Nullpunkt. Dadurch sind die Spulen supraleitend und in der Lage, die zum Erzeugen des Magnetfelds nötigen starken elektrischen Ströme zu transportieren, ohne durchzuschmoren. Der LHC ist die bislang größte technische Anwendung der Supraleitung.
Errichtet wird der LHC in einem bereits vorhandenen Tunnel. Dort drehten bis Ende 2000 Elektronen und ihre Antiteilchen, die Positronen, ihre Runden. Der 27 Kilometer lange, ringförmige Tunnel des ehemaligen Large Electron Positron Collider (LEP) verläuft zwischen 50 und 150 Meter unter der Erde. Seit 2001 wird dort an der neuen Anlage gebaut, die von den 20 Mitgliedsländern des CERN finanziert wird. Auch Forschergruppen aus vielen weiteren Nationen, darunter die USA, Kanada, Japan, Russland, Indien und Israel, haben sich an Planung und Bau des rund 3,9 Milliarden Euro teuren Geräts beteiligt. Nach seiner Fertigstellung wird es das Flaggschiff unter den Forschungsmaschinen der Teilchenphysiker sein.
Die Experimente in den vier riesigen Detektoren, die in dem Tunnel errichtet wurden – der größte Detektor ATLAS ist 45 Meter lang, 22 Meter hoch und wiegt rund 7000 Tonnen – sollen jedoch nicht nur Fingerabdrücke des Higgs-Partikels zu Tage fördern. Die Physiker, die für ihre Versuche am LHC aus aller Welt zum CERN reisen werden, wollen mithilfe des neuen Riesenbeschleunigers auch andere Probleme der Physik anpacken. So könnte der LHC wichtige Hinweise geben, ob und wie sich eine „Weltformel” finden lässt. Zahlreiche Physiker sind von der Existenz einer solchen universellen Theorie überzeugt, die alle vier heute bekannten Naturkräfte erklären kann: die elektromagnetische Kraft, die Schwache und die Starke Wechselwirkung sowie die Gravitation.
Einig sind sich die Wissenschaftler: Unmittelbar nach dem Urknall waren diese vier Kräfte identisch, auch wenn sie heute völlig verschiedene Wirkungen und eine extrem unterschiedliche Stärke haben. Erst während der Ausdehnung des Universums sollen sich Schritt für Schritt die vier heute wirkenden Kräfte aus der Urkraft entwickelt haben. Da demnach die verschiedenen Wechselwirkungen einen gemeinsamen Ursprung haben, folgern viele Physiker, muss es auch eine Theorie geben, die alle elementaren Kräfte gemeinsam beschreibt – eben die Weltformel oder die „ Theorie für Alles”. Eine der unter den Physikern populärsten Vorstellungen, wie man zu dieser Theorie gelangen könnte, ist die Idee der Supersymmetrie. Danach existiert zu jedem bekannten Elementarteilchen ein supersymmetrischer Partner. Insbesondere die Partnerteilchen der Neutrinos, die so genannten Neutralinos, gelten als Kandidaten für die Dunkle Materie. Diese geheimnisvolle Materieform trägt etwa ein Viertel zur gesamten Masse im Universum bei – doch sie ist mit Teleskopen nicht zu erkennen. Nur die Wirkung ihrer Schwerkraft zeugt von ihrer Existenz. Was sich hinter der Dunklen Materie verbirgt, können die Physiker bisher nur mutmaßen. Gibt es die Neutralinos, könnten sie einen großen Teil der geheimnisvollen Materieform stellen. Falls die supersymmetrischen Teilchen existieren, sollte sie der Large Hadron Collider aufspüren können.
Dasselbe müsste auch für zusätzliche versteckte Raumdimensionen gelten, die manche Theorien vorhersagen. Und für das rätselhafte Fehlen von Antimaterie im Universum: Dort scheint es nur gewöhnliche Materie zu geben, obwohl im Urknall auch Antimaterie entstanden sein muss. Beide Materieformen vernichteten sich nach der Geburt des Universums überall, wo sie aufeinander trafen. Materie und Antimaterie gingen dabei in Blitzen aus elektromagnetischer Strahlung auf. Doch irgendein physikalischer Effekt muss dafür gesorgt haben, dass ein Teil der normalen Materie übrig blieb, während die Antimaterie komplett verschwand. Der LHC soll eine Erklärung dafür finden.
Die Wissenschaftler in Genf sind auf alles vorbereitet – auch auf Überraschungen. Dass der LHC ihr Verständnis vom Universum wesentlich bereichern wird, davon sind sie fest überzeugt. Auch wenn die neue Riesenmaschine keines der erhofften Partikel aufspüren kann, wäre das eine Sensation: Dann müssten die Physiker viele bisher für verlässlich gehaltene Theorien über Bord werfen und sich auf die Suche nach einer neuen Beschreibung des Universums und seiner Bestandteile machen. ■
Ohne Titel
Anlage: Ringförmiger Beschleuniger vor allem für Protonen Ziele: Suche nach Higgs-Partikel, supersymmetrischen Teilchen, Symmetrieverletzungen von Materie und Antimaterie
Ort: CERN, Genf (Schweiz)
Dimension: 27 Kilometer Umfang, 50 bis 150 Meter tief
Besonderheit: größter Teilchenbeschleuniger der Welt
Inbetriebnahme: Herbst 2007
Baukosten: 3,9 Milliarden Euro
beteiligt: Belgien, Bulgarien, Dänemark, Deutschland, Finnland, Frankreich, Griechenland, Großbritannien, Italien, Niederlande, Norwegen, Österreich, Polen, Portugal, Schweden, Schweiz, Slowakei, Spanien, Tschechien, Ungarn
