DIE WELTMASCHINE KOMMT AUF TOUREN

Die wenigsten Touristen, die das Alpenpanorama am Genfer See genießen, ahnen, wie hitzig es nur wenige Kilometer entfernt zugeht: 100 000 Mal heißer als im Zentrum der Sonne. Wenn auch nur punktuell, so doch Schlag auf Schlag. Denn hier, an der Grenze zwischen der Schweiz und Frankreich, rasen Protonen so schnell wie nirgendwo sonst auf der Erde im Kreis: nur wenige Meter pro Sekunde langsamer als das Licht. Immer wieder stoßen sie an ausgewählten Kreuzungspunkten der beiden gegenläufigen Strahlen zusammen und vernichten sich in einem Mini-Urknall. Dabei entstehen zwar keine neuen Universen, doch die physikalischen Bedingungen sind so, wie sie zuletzt weniger als eine Milliardstel Sekunde nach dem Urknall herrschten – freilich überall im Weltraum. Heute, 13,7 Milliarden Jahre später, bedarf es eines gigantischen technischen Aufwands, um dieses Partikel- und Energiegewitter wieder zu entfesseln.

Ort des Geschehens ist der leistungsfähigste und mit 27 Kilometer Umfang auch größte Teilchenbeschleuniger der Welt: der Large Hadron Collider (LHC). Das technologische Flaggschiff des CERN ist das größte und komplexeste Gerät, das Menschen je gebaut haben (bild der wissenschaft 9/2007, „Urknall auf Erden”). CERN steht für „Europäische Organisation für Kernforschung” (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) – doch auf der Agenda des weltweit einzigartigen Laboratoriums für Hochenergie-Teilchenphysik sind inzwischen nicht mehr die Kerne der Atome, sondern ihre kleinsten Bestandteile, die Elementarteilchen. Besonders heiß ist gegenwärtig die Jagd nach dem ominösen Higgs-Teilchen, das anderen Partikeln ihre Masse verleiht. Womöglich steht seine Entdeckung kurz bevor. Denn das CERN-Glanzstück, der LHC, läuft seit nunmehr zwei Jahren tadellos. Mehr noch: Er hat alle Erwartungen übertroffen, wie CERN-Generaldirektor Rolf-Dieter Heuer im Interview mit bild der wissenschaft betont (ab Seite 61).

40 Jahre TEILCHEN-Theorie bestätigt

Dank der fast 1015 Teilchen-Kollisionen 2010 und 2011 haben die riesigen Detektoren am LHC – der größte besitzt das Ausmaß eines Wohnblocks – inzwischen eine gigantische Datenmenge aufgezeichnet. „Die Daten sind sehr robust und stimmen mit den Voraussagen des Standardmodells der Elementarteilchen äußerst gut überein”, sagt Thomas Müller vom Institut für Experimentelle Kernphysik der Universität Karlsruhe. Der Physik-Professor ist einer von vielen Tausend Wissenschaftlern in aller Welt, die mit dem LHC die Bausteine des Mikrokosmos ergründen. Diese internationale Anstrengung und Kooperation macht den LHC zu einer echten Weltmaschine – und was die Welt im Innersten zusammenhält, das soll er auch genauer erkunden, als es jemals zuvor möglich war.

Der mikrokosmische Bauplan wird vom Standardmodell der Elementarteilchen beschrieben, das in den letzten 40 Jahren in der Theorie ausgearbeitet und experimentell Schritt für Schritt bestätigt wurde. Ihm zufolge ist die bekannte Materie aus Quarks und Leptonen aufgebaut. Es gibt sechs verschiedene Quarks (darunter die up- und down-Quarks, aus denen die Protonen und Neutronen bestehen) und sechs verschiedene Leptonen (etwa die Elektronen) sowie die dazu gleichsam spiegelverkehrten Antiteilchen. Hinzu kommen die Bosonen: das Photon, die W- und Z-Bosonen sowie acht verschiedene Gluonen. Sie übertragen die elektromagnetische Kraft sowie die schwache und starke Kernkraft im Atominneren.

„Der LHC hat schon fast das gesamte Standardmodell bestätigt und präzise vermessen”, sagt Müller. Mit anderen Worten: Ein Großteil der Elementarteilchenphysik der letzten vier Jahrzehnte wurde am LHC quasi im Schnelldurchlauf nachvollzogen. Eine erste Glanzleistung des LHC ist die Erzeugung und Charakterisierung des top-Quarks. Dieses kurzlebige schwerste Quark, das 1995 am Teilchenbeschleuniger Tevatron des Fermilab bei Chicago entdeckt wurde – auch Müller war daran beteiligt –, hat der LHC erstmals außerhalb der USA produziert, und er hat dessen Eigenschaften inzwischen gut vermessen. „Mittlerweile haben wir bereits zehnmal so viele top-Quarks erzeugt wie am Tevatron”, sagt Müller.

Das Tevatron war bis zum 30. November 2010 der Rekordhalter der Teilchenphysiker. Dann wurde seine Kollisionsenergie von zuletzt 0,98 Teraelektronenvolt (1012 Elektronenvolt) vom LHC übertrumpft. Ein Teraelektronenvolt entspricht ungefähr der Bewegungsenergie einer Mücke – allerdings ist ein Proton nur ein Billionstel so groß wie eine Mücke. Am 30. September 2011 wurde das Tevatron nach 28 erfolgreichen Betriebsjahren abgeschaltet, da der LHC nun wesentlich leistungsfähiger ist. Damit hat Europa die Führung der Teilchenphysik übernommen – freilich sind auch viele US-Forscher am LHC beteiligt.

Keine Erkenntnis auf Knopfdruck

Dass der LHC trotz seiner exzellenten Leistungen noch keine nobelpreiswürdigen Erkenntnisse gewonnen hat, ist nicht verwunderlich: Einen Teilchenbeschleuniger kann man nicht einfach einschalten und bekommt dann auf Knopfdruck ein Ergebnis. Die Hochenergie-Teilchenphysik ist eine mühselige und zeitaufwendige Angelegenheit. Nicht nur müssen die Teilchenströme genau justiert und die Detektoren geeicht sowie getestet und – mithilfe aufwendiger Computersimulationen – verstanden, aber auch immer wieder gewartet und verbessert werden. Hinzu kommt die riesige Datenmenge, deren Auswertung eine Kunst für sich ist. Eine weitere Schwierigkeit ist, dass in der Hochenergie-Teilchenphysik eine einzelne Beobachtung in der Regel kein Gewicht hat. Denn es gibt eine Unmenge von Fehlerquellen, etwa durch Zufallsereignisse in den Detektoren und durch den Einfluss radioaktiver und kosmischer Strahlen. Außerdem vollziehen sich die komplexen Reaktionen, Produktionen und Zerfälle der Partikel immer nur mit gewissen Wahrscheinlichkeiten. Doch gegen diese Unwägbarkeiten gibt es ein Patentrezept: Kontrolle und Statistik.

Die Kontrolle erfolgt durch die separaten Messungen und Analysen mehrerer unabhängiger Experimente – im LHC sind das die verschiedenen Detektoranlagen. Und die Statistik gewinnt man durch die Analyse großer Datenmengen. Dabei legen Teilchenphysiker die Messlatte sehr hoch: Um etwas als „ Entdeckung” zu klassifizieren, muss das Signal stärker sein als eine mögliche Fluktuation des Untergrunds um fünf Standardabweichungen. Anders ausgedrückt: Die Wahrscheinlichkeit dafür, dass die Messungen nur zufällig sind, beträgt lediglich 0,000057 Prozent. Diese Rigorosität hat sich bewährt, denn immer wieder sorgten vermeintliche Resultate in der Teilchenphysik für Schlagzeilen, die sich später nicht erhärten ließen. So wurden im April 2011 in einem Detektor am Tevatron Ereignisse gemessen, die manche Forscher und Massenmedien schon als Sensation ansahen – als Hinweis auf eine fünfte Naturkraft oder ein neues Teilchen. Doch wenige Wochen später war das Phänomen bloß noch Schall und Rauch.

Fünf Sigma Standardabweichung wird auch das Maß für das Higgs-Teilchen sein. Es ist der letzte noch fehlende Baustein im Standardmodell der Elementarteilchen, nach dem Physiker nun schon seit Jahrzehnten suchen – und ein besonders wichtiger, denn er verleiht den anderen Partikeln ihre Masse. Das macht das Higgs-Teilchen fast schon zu einem „Heiligen Gral” der Elementarteilchenphysik. Postuliert wurde dieses fundamentale, elektrisch ungeladene schwere Teilchen 1964 aus rein theoretischen Gründen von dem schottischen Physiker Peter Higgs – und unabhängig von ihm auch von fünf weiteren Wissenschaftlern. Ähnlich wie das Photon das elektromagnetische Feld konstituiert, bildet das Higgs-Teilchen das Higgs-Feld, das den gesamten Raum erfüllt.

WANDERER IM SCHNEE

Der britische Physiker John Ellis, langjähriger Leiter der Theorie-Abteilung am CERN, hat das Higgs-Feld mit einer glatten, unberührten Schneefläche in der winterlichen arktischen Tundra verglichen. Könnte man mit Skiern über sie flitzen, ohne einen Abdruck zu hinterlassen, wäre das wie wenn ein masseloses Teilchen, etwa ein Photon, lichtschnell durchs Higgs-Feld saust, mit dem es nicht interagiert. Langsame Teilchen wie Quarks und Elektronen dagegen stehen mit dem Feld in Wechselwirkung und gewinnen dadurch erst ihre Masse – vergleichbar mit einem Wanderer, der mit seinen Stiefeln tief in den Schnee einsinkt. „ In dieser Analogie sind die einzelnen Schneeflocken die Higgs-Teilchen”, sagt Ellis. „Eine wichtige Frage ist, ob es nur ein Art von Higgs-Teilchen gibt oder mehrere verschiedene, und ob diese elementar sind oder sich aus fundamentaleren Bestandteilen zusammensetzen wie eine Schneeflocke aus Eiskristallen.”

Dem Standardmodell zufolge muss das Higgs-Teilchen elementar sein und im Energiebereich des LHC liegen. „Alles weist auf eine leichte Higgs-Masse hin”, sagt Thomas Müller. Wie Rolf-Dieter Heuer ist er deshalb überzeugt, dass eine Entdeckung nur noch eine Frage der Zeit ist: „2012 ist das Higgs-Jahr!” Denn Ende 2012 werden, wenn nichts dazwischen kommt, die Messungen ausreichen, um das Higgs-Teilchen des Standardmodells eindeutig nachzuweisen. Natürlich nur, wenn es existiert. Doch auch eine Widerlegung wäre möglich. Dann käme das Standardmodell in ernste Schwierigkeiten, und die Physiker müssten ihre lieb gewonnene Theorie grundsätzlich überdenken. Insofern wäre das sogar die spannendere Alternative, denn damit hätten sie nach Jahrzehnten, in denen es immer neue Bestätigungen gab, endlich wieder etwas Unerwartetes entdeckt. So oder so ist es daher eine „ Win-win-Situation”, wie sie in dieser Tragweite nur sehr selten in der Wissenschaft vorkommt, denn der LHC kann definitiv zwischen zwei Alternativen entscheiden („Experimentum Crucis” ).

Es wird eng für das Higgs

Die momentan besten Higgs-Grenzwerte sind Mitte November 2011 auf der „Hadron Collider Physics”-Konferenz in Paris vorgestellt worden – erstmals als Kombination der ATLAS- und CMS-Ergebnisse, sodass eine doppelte Zahl von Kollisionen in die Rechnungen einging. Werden auch die Daten vom Tevatron und vom Large Electron-Positron Collider (LEP), dem Vorgänger im LHC-Tunnel, berücksichtigt, dann gilt ziemlich sicher: Wenn das Higgs-Teilchen existiert, muss seine Masse zwischen 114 und 141 Gigaelektronenvolt betragen – oder mehr als 480 GeV, was aber schwer mit dem Standardmodell-Higgs zu vereinbaren wäre. (Gemäß Albert Einsteins Formel E = mc² sind Masse und Energie nur zwei Seiten einer Medaille, und daher werden Teilchenmassen auch oft in der Einheit Elektronenvolt angegeben.) Zum Vergleich: Das Proton, das aus zwei up-Quarks und einem down-Quark besteht, hat eine Masse von knapp 1 GeV, das top-Quark „wiegt” dagegen 173 GeV.

„Durch die Kombination beider Experimente ist bereits ein weiter Bereich möglicher Higgs-Massen ausgeschlossen worden – deutlicher als durch ATLAS oder CMS allein”, sagt Ken Bloom von der University of Nebraska-Lincoln, der zum CMS-Team gehört. „Die Auswertung dauerte mehrere Monate und erforderte viel Koordination. Jedes Team musste die Messungen des anderen im Detail verstehen, damit die Daten richtig kombiniert werden konnten.”

Konkurrenz und Kontrolle

Dieser Aufwand ist nötig, denn letztlich wird man das Higgs-Teilchen nur durch die gegenseitige Kontrolle und wechselseitige Kombination von ATLAS und CMS finden können. „ Wissenschaft braucht Konkurrenz und eine unabhängige Bestätigung” , betont Thomas Müller, der zum CMS-Team gehört. Wie die meisten seiner Kollegen ist er überzeugt, dass das Higgs-Teilchen existiert und hat sogar Wetten darauf laufen. „Wenn allerdings nur ein Detektor das Higgs-Teilchen fände, der andere aber nicht, dann hätten wir ein Problem”, meint Müller. Deshalb ist es wichtig, dass die einzelnen Detektor-Teams ihre Daten zunächst unabhängig voneinander auswerten, um sich nicht zu beeinflussen. Andererseits sollte auch niemand vorpreschen, obwohl eine gewisse Konkurrenzsituation besteht. „Es kommt auf eine Balance an zwischen der Eigenständigkeit der Experimente sowie der Forschergruppen einerseits und der Notwendigkeit andererseits, das Labor so zu führen, dass es keine negativen Schlagzeilen macht”, sagt Rolf-Dieter Heuer. „Also weder Zensur noch zu große Freizügigkeit. Es gibt klare Absprachen zwischen den Leitern der Forschergruppen und dem CERN-Management: Wer etwas Spannendes entdeckt, kommt zuerst zu uns, damit wir Bescheid wissen, uns vorbereiten und Fragen stellen können und vor allem die Möglichkeit haben, zu dem konkurrierenden Experiment Kontakt aufzunehmen, um zu sehen, ob dort auch etwas gefunden wurde. Da haben wir klare Regeln, und das hat sich bisher auch gut bewährt.”

Dies gilt natürlich nicht nur für die Higgs-Suche, sondern auch für alle anderen Entdeckungen. Die Theoretiker haben eine lange Liste von mehr oder weniger exotischen Hypothesen, die der LHC testen wird. Ganz oben steht das Prinzip der Supersymmetrie (SUSY), die für eine Vereinheitlichung der Naturkräfte wichtig wäre, die Dunkle Materie erklären und einige offene Fragen des Standardmodells beantworten könnte (bild der wissenschaft 5/2004, „SUSY, Higgs und Technicolor”). SUSY postuliert zu jedem bekannten Teilchen ein supersymmetrisches Pendant. Davon haben die LHC-Detektoren allerdings noch nichts bemerkt.

SUSY kommt erst später

„Es gibt natürlich Forscher, die voller Euphorie waren und dachten, die Supersymmetrie wäre direkt um die Ecke. Die waren schon etwas enttäuscht. Aber die Supersymmetrie ist ein weites Feld, da gibt es eine Menge unterschiedlicher Modelle, einen riesigen Parameterbereich. Etliche werden jetzt nach und nach ausgeschlossen”, sagt Heuer, betont aber auch, er sei zuversichtlich, weil es noch genug Modelle gäbe und man einfach mehr Daten brauche. „Da ist noch vieles möglich. Allerdings wohl erst nach meiner Amtszeit. Doch es geht nach der Natur und nicht nach der Amtszeit des Generaldirektors.” Thomas Müller sieht es ähnlich: „SUSY ist eine ernsthafte und gute Idee – nicht nur ein Modell, sondern eine handfeste Theorie.” Er schätzt ihren Stellenwert weit höher ein als etwa den von Spekulationen über zusätzliche Raumdimensionen oder über eine Quark-Unterstruktur.

Die LHC-Resultate werden nicht nur den Wissensstand der Teilchenphysiker beträchtlich erweitern, sondern auch die künftige Forschungsrichtung prägen: Von den Ergebnissen, besonders zum Higgs-Teilchen, wird es abhängen, wie es an der Beschleuniger-Front weitergeht. Das betrifft zum einen den LHC selbst. Am CERN werden bereits Pläne geschmiedet, ihn nach 2020 aufzurüsten, um seine Energie zu verdoppeln oder seine Strahlintensität zu verzehnfachen und die Detektoren zu verfeinern und zu erweitern.

Doch auch das Schicksal und Design des nächsten Riesenbeschleunigers hängt davon ab, ob und bei welcher Masse das Higgs-Boson gefunden wird. Der LHC ist eine Entdeckungsmaschine. Sein Nachfolger wird dagegen zunächst das Ziel haben, die LHC-Funde präzise auszumessen – also beispielsweise die Eigenschaften des Higgs-Teilchens genauer zu charakterisieren. Dafür sind Protonen-Collider nicht gut geeignet, weil Protonen eine komplizierte Binnenstruktur haben und bei ihren Kollisionen viele unübersichtliche Reaktionen stattfinden. Der LHC-Nachfolger wird deshalb Elektronen auf Positronen schießen. Diese Teilchen haben – so weit man heute experimentell überprüfen kann – keine Unterstruktur und bringen die gesamte Energie „auf den Punkt”. Die Signale des Mikrokosmos aus diesem reinen Energiepunkt sind sehr viel leichter zu deuten. Entsprechende Energiedichten lassen sich nur mit ausgedehnten Linearbeschleunigern realisieren, weil fast lichtschnelle Elektronen auf Kreisbahnen ihre Energie sehr schnell abstrahlen würden. So wird am CERN gegenwärtig ein Konzept für einen Beschleuniger namens CLIC (Compact Linear Collider) entwickelt.

30 Kilometer LANGE Rennstrecke

Der ausgereifteste Plan einer solchen Anlage ist der des Internationalen Linearbeschleunigers (ILC). Dieses 2004 vom International Technology Recommendation Panel ausgewählte Konzept beruht auf den Plänen des Teraelectronvolt Energy Superconducting Linear Accelerator TESLA, dessen Bau bereits 2001 vorgeschlagen wurde und der aus Kostengründen auf eine internationale Basis gestellt werden sollte. Supraleitende Hochfrequenzresonatoren sollen dort die Elektronen beschleunigen. Diese Spitzentechnologie wurde für TESLA bis zur Anwendungsreife entwickelt. Mehr noch: In einer abgespeckten Form existiert sie bereits im Testbeschleuniger FLASH und wird im Röntgenlaser European XFEL (X-Ray Free-Electron Laser) zum Einsatz kommen. Dieser wird zurzeit am Deutschen Elektronensynchrotron (DESY) in Hamburg gebaut und soll 2014 fertiggestellt sein.

„Obwohl bei XFEL die Elektronen nur auf 17 Gigaelektronenvolt beschleunigt werden, ist es die gleiche Technologie wie beim ILC, für den wir 500 oder vielleicht sogar 1000 GeV Schwerpunktsenergie anpeilen”, sagt Eckhard Elsen. Der Physiker arbeitet mit seinen Kollegen am DESY und in vielen anderen Institutionen mit Hochdruck am ILC-Design. „2012 werden wir den technischen Bericht vorlegen, dann könnte der ILC aus wissenschaftlicher Sicht gebaut werden.” Die nötige Investition: rund sechs Milliarden Euro. Die beiden Elektronenrennbahnen, die als Beschleunigungsstrecke notwendig sind, wären zusammen rund 30 Kilometer lang. Dagegen ist der bislang leistungsfähigste Linearbeschleuniger am SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) in Kalifornien mit seinen drei Kilometern ein Winzling. Mit einer Schwerpunktsenergie von etwa 91 GeV ist er zu schwach für Higgs-Studien. „Je nach Higgs-Masse könn-te zuerst auch eine kleine ILC-Version bis300 GeV genügen”, sagt Elsen. „Dann würde ein kürzerer Beschleuniger ausreichen, der sich später an den Enden verlängern ließe.” Als Standort ist Japan im Gespräch und in Europa CERN. Am CERN könnte der ILC sogar mit dem LHC kooperieren. „Würde man den ILC tangential an den LHC bauen, hätten wir eine eierlegende Wollmilchsau für die Hochenergiephysik und könnten dann auch Elektronen auf Protonen schießen”, sagt Elsen.

Wie die Ernte aussehen wird, die der LHC und seine Nachfolger in naher und fernerer Zukunft einfahren, ist natürlich ungewiss. Doch die harte Arbeit hat sich auf jeden Fall schon heute gelohnt: „Es ist eine großartige Erfahrung, dabei zu sein – gerade auch für junge Physikerinnen und Physiker”, sagt Thomas Müller. „Für guten wissenschaftlichen Nachwuchs wirkt der LHC wie ein Kristallisationskeim. Auch wenn später nur etwa fünf Prozent jener, die hier ihre Doktorarbeit machen, eine feste Anstellung in der Elementarteilchenforschung bekommen, werden alle, die wir hier in Karlsruhe und anderswo ausbilden, ihre Kompetenzen irgendwo einbringen können, etwa in der Industrie. Der Nachwuchs ist unser größ-ter Erfolg.” ■

von Rüdiger Vaas