Partikelsuche nahe am Urknall

6. September 2008, 17:32
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Am 10. September ging am CERN der neue Large Hadron Collider in Betrieb - gesucht wird unter anderem nach dem Higgs-Teilchen

Wien/Genf - Es ist die größte Maschine, die jemals gebaut wurde, und gleichzeitig das bislang komplexeste Experiment, das Wissenschafter je realisiert haben: Nach mehr als 20 Jahren Planung und Bau und mit einigen Jahren Verzögerung gegenüber den ursprünglichen Plänen wurde am 10. September im europäischen Kernforschungszentrum CERN bei Genf der Teilchenbeschleuniger LHC (Large Hadron Collider) eingeschaltet.

In einem 27 Kilometer langen und bis zu 150 Meter unter der Erde liegenden Tunnel werden Elementarteilchen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und mit bisher unerreichter Wucht zur Kollision gebracht. Dabei entstehen Energien, wie sie Sekundenbruchteile nach dem Urknall geherrscht haben. Die Wissenschafter - darunter auch zahlreiche Österreicher - erhoffen sich davon neue fundamentale Einblicke, wie die Materie und damit unsere Welt aufgebaut ist.

Monatelange Vorbereitungszeit

Eine Maschine von der Größenordnung des LHC lässt sich nicht einfach durch Umlegen eines Hebels einschalten. Die Vorbereitungen für den ersten Teilchenstrahl, der am 10. September erstmals durch den Beschleuniger kreist, laufen schon seit Monaten. Notwendig waren das Abkühlen der Anlage, umfangreiche Tests, etwa der supraleitenden Magnete, eine Abstimmung der einzelnen Sektoren des Ringes sowie eine Synchronisation mit den Vorbeschleunigern. Doch selbst nach der feierlichen Eröffnung mit den Staatschefs der Mitgliedsländer am 21. Oktober 2008 wird es noch weitere Wochen und Monate dauern bis die ersten Teilchen mit bisher unerreichter Energie zum Zusammenstoß gebracht werden und damit den Forschern ein Fenster zu den Anfängen unserer Welt aufgestoßen wird.

Alleine die Baukosten für den Beschleuniger - ohne Detektoren - betrugen rund drei Milliarden Euro. Dabei hat CERN versucht, das Projekt so kostengünstig wie möglich zu gestalten. So wurde der LHC im selben Tunnel installiert, in dem die Vorgängermaschine LEP (Large Electron-Positron Collider) untergebracht war. Im Gegensatz zu den Elektronen und Positronen am LEP werden am LHC - wie der Name schon sagt - Hadronen beschleunigt, nämlich ein Teilchenstrahl im Uhrzeigersinn, der andere dagegen. Hadronen sind Teilchen, aus denen beispielsweise Atomkerne bestehen: Protonen und Neutronen. Sie sind aus Quarks zusammengesetzt und der sogenannten starken Wechselwirkung unterworfen, eine der vier Grundkräfte der Physik.

Wasserstoff und Blei

Konkret verwendet man am LHC Wasserstoff-Atomkerne, die nur aus einem Proton bestehen, und Kerne von Bleiatomen. Ein Proton ist 1.836 mal so schwer wie die bisher verwendeten Elektronen. Je schwerer ein beschleunigtes Teilchen, desto höher ist die Energie des Zusammenstoßes. Und weil sich Energie nach Einsteins Gleichung E=mc2 in Materie umwandeln kann, können bei so hohen Kollisionsenergien neue schwere Teilchen entstehen - "Partikel wie sie nur Sekundenbruchteile nach dem Urknall gab, als die Energiedichte noch extrem hoch war", wie Manfred Krammer vom Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) erklärte.

Solch schwere Teilchen gibt es schon lange nicht mehr, sie sind schon bald nach dem Urknall zerfallen. Übergeblieben sind nur mehr die vergleichsweise leichten Partikel, die heute unser Universum aufbauen. Mit LHC können sich die Wissenschafter also immer näher an die Bedingungen herantasten, wie sie ein Hundertstel einer Milliardstel Sekunde nach dem Urknall geherrscht haben.

Energie von 14 fliegenden Mücken

Während am LEP nur Energien von 200 Giga-Elektronenvolt (GeV) erreicht wurden, erzielt man beim Zusammenstoß von Protonen am LHC 14 Tera-Elektronenvolt (TeV). Das ist die in der Teilchenphysik übliche Energieeinheit, wobei ein Elektronenvolt jener Energie entspricht, die ein Elektron erreicht, wenn es durch ein elektrisches Feld mit einer Spannung von einem Volt beschleunigt wurde. Ein TeV (Billionen Elektronenvolt) entspricht ungefähr der Bewegungsenergie einer fliegenden Mücke. Das klingt nicht viel, allerdings ist diese Energie zusammengepfercht auf ein Volumen, das eine Billion mal kleiner ist als jenes der Insekten. Und noch ein Vergleich: Bei voller Energie besitzt jeder Strahl ungefähr so viel Energie wie ein Auto bei 1.600 km/h. Werden die deutlich schwereren Blei-Ionen beschleunigt, steigt die Energie noch viel weiter auf 1.150 TeV.

In vier Vorbeschleunigern werden die Protonen auf eine Energie von 0,45 TeV gebracht, ehe sie in den LHC eingespeist werden. "Das ist wie bei einem Auto, da braucht man auch einige Gänge, um das Fahrzeug auf hohe Geschwindigkeit zu beschleunigen", so der Österreicher Michael Benedikt, stellvertretender Leiter der für die Beschleuniger sowie die technische Infrastruktur zuständige Operationsgruppe am CERN. Im LHC laufen sie Millionen Mal im Kreis und werden dabei jedes Mal von elektrischen Feldern weiter beschleunigt bis sie ihre endgültige Energie von 7 TeV erreichen. Die Protonen kreisen dann mit 99,9999991 Prozent der Lichtgeschwindigkeit, unvorstellbare 11.000-mal pro Sekunden durchfliegen sie den 27 km langen Ring.

Um die Teilchen bei so hohen Energien auf einer Kreisbahn zu halten, sind 1.232 jeweils 15 Meter lange supraleitende Ablenkmagneten notwendig. Zusätzlich sind noch viele weitere Fokussier- und Korrekturmagnete notwendig, um den Strahl unter Kontrolle zu halten - in Summe sind es 9.600 Magnete. Der größte Teil davon besteht aus supraleitendem Material (Niob-Titan-Legierung), das bei tiefen Temperaturen den Strom ohne Widerstand leitet. Dazu müssen die Magnete auf minus 271 Grad Celsius heruntergekühlt werden, ein Grad kälter als der Weltraum. So lassen sich viel stärkere Magnetfelder erzeugen als mit normalen Elektromagneten. Im LHC erreichen die Magnetfelder rund acht Tesla. Normalleitende Magnete könnten Felder von maximal nur zwei Tesla erzeugen. In diesem Fall müsste der Beschleunigerring einen Umfang von mindestens 120 km haben, um auf die gleiche Kollisionsenergie zu kommen. Außerdem würde er 40-mal mehr Strom brauchen.

Protonen-Pakete

Die Protonen sind nicht gleichmäßig im Strahl verteilt, sondern in Pakete "geschnürt" und wie auf einer Perlenkette aufgereiht. In jedem der beiden Teilchenstrahlen finden sich fast 3.000 Teilchenpakete, die wiederum jeweils aus ungefähr 100 Milliarden Teilchen bestehen. Die Protonen sind so winzig, dass beim Aufeinandertreffen von zwei solchen Paketen nur rund 20 der insgesamt 200 Milliarden Teilchen miteinander tatsächlich kollidieren. Da sich die Pakete aber rund 40 Millionen mal pro Sekunde kreuzen, ereignen sich im LHC bis zu einer Milliarde Kollisionen pro Sekunde.

Was bei diesen Zusammenstößen passiert, wird in vier riesigen Detektoren registriert (ALICE, ATLAS, CMS und LHCb). Das sind hausgroße, extrem komplizierte Nachweisgeräte, in deren Zentrum sich die beiden Teilchenstrahlen kreuzen. Die bei Zusammenstößen entstehenden neuen Teilchen fliegen in allen Richtungen davon und werden dabei genau vermessen. "Wir wollen wissen, in welche Richtung fliegen sie, welchen Impuls und welche Energie haben sie, etc.", so Manfred Krammer. Sein ÖAW-Institut für Hochenergiephysik ist maßgeblich am Detektor CMS (Compact Muon Solenoid) beteiligt, während Forscher des Instituts für Astro- und Teilchenphysik der Uni Innsbruck am ATLAS-Experiment mitarbeiten.

Manche Teilchen lassen sich gar nicht direkt nachweisen, auch nicht mit diesen gewaltigen Detektoren. Entweder weil sie kaum mit anderer Materie wechselwirken, wie Neutrinos. Sie können nur durch den Energieverlust berechnet werden. Oder weil sie so kurzlebig sind, dass sie - kaum bei einer Kollision entstanden - schon wieder zerfallen und gar nicht die nur wenige Zentimeter entfernten ersten Detektorelemente erreichen. Auf diese Teilchen kann man nur aufgrund der Zerfallsprodukte rückschließen. "Aus der Zusammensetzung der Partikel können wir schlussfolgern, aus welchem Teilchen sie entstanden sind", sagte Krammer.

"Das Higgs selbst wird nie gesehen"

Das prominenteste dieser rasch zerfallenden Partikel ist das "Higgs-Teilchen" oder "Higgs-Boson" - dessen Entdeckung eines der Hauptziele vom LHC ist. "Das Higgs selbst werden wir nie sehen, das lebt viel zu kurz", so die für Laien ernüchternde Feststellung Krammers. Die Wissenschafter wissen nicht einmal genau, in welche Teilchen es zerfallen wird - das hängt davon ab, welche Masse es tatsächlich hat. Klar ist nur, dass mit dem LHC jene Energien erreicht werden, bei denen es sichtbar werden müsste.

Das in den 1960er-Jahren vom britischen Physiker Peter Higgs vorhergesagte Teilchen ist praktisch der letzte Puzzle-Stein, der für die Bestätigung des weitgehend anerkannten, sogenannten Standardmodell der Teilchenphysik noch fehlt. In diesem, bisher vielfach bestätigten Standardmodell werden die bekannten Elementarteilchen und die Kräfte, die zwischen ihnen wirken, beschrieben. Das Higgs ist, so die Theorie, dafür verantwortlich, dass die Grundbausteine der Materie Masse besitzen. Sollten die Wissenschafter das Higgs nicht finden, "dann hat das Standardmodell ein Problem", betonte Claudia Wulz vom Institut für Hochenergiephysik. Dann müssten die Theoretiker ihre bisherigen Modelle über den Aufbau der Materie völlig neu überdenken.

Supersymmetrie

Am LHC soll aber nicht nur nach dem Higgs geforscht werden. Auch wenn das Standardmodell bisher weitgehend bestätigt wurde, gibt es doch einige "Inkonsistenzen, die eine endgültige Theorie der Elementarteilchen einfach nicht haben darf", so die an der ETH Zürich und am CERN arbeitende österreichische Physikerin Felicitas Pauss. Eine Möglichkeit zur Lösung dieser Probleme ist die sogenannte "Supersymmetrie", eine von den Physikern vermutete "Spiegelwelt" zu der uns bekannten Welt von Elementarteilchen. "Das ist eine sehr elegante und faszinierende Theorie", so Pauss, wonach es zu jedem bekannten Teilchen einen supersymmetrischen Partner geben sollte. Mit LHC hoffen die Forscher, erstmals solche supersymmetrische Teilchen zu entdecken.

Es wäre nicht die Teilchenphysik, würde eine Bestätigung dieser Theorie nicht gleichzeitig auch neue Fragen aufwerfen bzw. neue Antworten auf alte Fragen geben. So sagt die Supersymmetrie etwa gleich fünf Higgs-Teilchen vorher, im Gegensatz zum Standardmodell mit nur einem Higgs. Die Supersymmetrie könnte auch eine mögliche Erklärung für die immer noch mysteriöse Dunkle Materie im Weltall liefern. Denn das leichteste dieser neuen Partnerteilchen gilt heute als der beste Kandidat für die sogenannte Dunkle Materie, aus der das Universum zu rund einem Viertel bestehen soll. "Mit dem LHC können wir dieses Konzept der Supersymmetrie experimentell nachweisen", sagte Pauss. (APA/red)

  • Vor rund 14 Milliarden Jahren ging das Universum aus dem Big Bang hervor. Mit dem LHC wollen die Forscher so nahe wie möglich an den Moment der Entstehung heranzoomen.
    Foto: REUTERS/NASA

    Vor rund 14 Milliarden Jahren ging das Universum aus dem Big Bang hervor. Mit dem LHC wollen die Forscher so nahe wie möglich an den Moment der Entstehung heranzoomen.

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    Die LHC-Röhre im Besucherzentrum des CERN.

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