Neustart der Weltmaschine für Teilchenkrach

19. März 2015, 05:30
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Dieser Tage wird der LHC am Cern wieder hochgefahren – Physiker erwarten völlig neue Erkenntnisse

Frage: Warum war der Large Hadron Collider (LHC) am Kernforschungszentrum Cern bei Genf längere Zeit nicht in Betrieb?

Antwort: Solange der Teilchenbeschleuniger, der sich in einer 27 Kilometer langen, unterirdischen Vakuumröhre befindet, in Betrieb ist, darf niemand den Schacht betreten. Wartungsarbeiten und Umbauten können also nur außerhalb des laufenden Betriebs vorgenommen werden. In den letzten zwei Jahren seines Shutdowns wurde der LHC generalerneuert – vom Austausch der Magnete, die die Teilchen beschleunigen und auf ihrer Bahn im Tunnel halten, bis hin zur Überarbeitung der Systeme für die Datenauswertung.

Frage: Was ändert sich durch den Neustart des LHC?

Antwort: Verglichen mit der ersten Saison gibt es vor allem zwei große Neuerungen: Die Energie, mit der die Teilchen aufeinanderkrachen, steigert sich von acht auf 13 Teraelektronenvolt. Das ist vier Billionen mal so viel wie die Energie eines Teilchens violetten Lichts. Außerdem wird die Anzahl an Kollisionen gesteigert – und damit die Wahrscheinlichkeit, neue Teilchen zu erzeugen. Kollisionen mit maximaler Energie werden im Mai erwartet, die ersten Ergebnisse im Sommer.

Frage: Was ist die Physik hinter den Experimenten am Cern?

Antwort: Das Cern ist für die Erforschung der kleinsten Bausteine der Materie ausgerichtet – die Elementarteilchen. Das Standardmodell der Teilchenphysik beschreibt alle bekannten Elementarteilchen und die Wechselwirkungen zwischen ihnen. Darin werden grob zwei Typen von Elementarteilchen unterschieden: Fermionen und Bosonen. Erstere sind die Teilchen, aus denen die Materie besteht: sechs Quarks und sechs Leptonen. Letztere sind für die Kräfte zwischen den Fermionen zuständig. Dazu zählen etwa Lichtteilchen und Higgs-Teilchen.

Frage: Was ist die Besonderheit des Higgs-Teilchens und warum dauerte es so lange, bis es entdeckt wurde?

Antwort: Nach dem Standardmodell erhalten Elementarteilchen ihre Masse durch die Wechselwirkung mit dem zugehörigen Feld des Higgs-Teilchens: dem Higgs-Feld. Ohne Higgs-Teilchen würde die Materie daher auseinanderfallen. Das Teilchen war der letzte fehlende Puzzlestein des Standardmodells. Umso schwerer ein Teilchen ist, desto schwieriger ist seine Erzeugung – sehr hohe Energien sind notwendig. Da es sich beim Higgs-Teilchen um ein extrem schweres Teilchen handelt, war sein Nachweis erst im LHC möglich. Für die Entdeckung 2012 erhielt Peter Higgs zusammen mit François Englert den Nobelpreis für Physik. Schon in den 1960er-Jahren prognostizierten sie die Existenz des Teilchens und lieferten den theoretischen Unterbau. Auf den experimentellen Nachweis mussten sie 50 Jahre warten.

Frage: Was erwarten sich die Physiker vom Neustart am Cern?

Antwort: Im Gegensatz zum ersten LHC-Durchlauf, der ganz auf die Detektion des Higgs-Teilchens ausgerichtet war, ist diesmal viel unklarer, was bei den Experimenten gefunden werden kann. Als relativ sicher gilt, dass weitere Higgs-Teilchen produziert werden und dieses somit noch genauer studiert werden kann. Dadurch wird sich vermutlich die Frage beantworten lassen, ob es ein oder mehrere Higgs-Teilchen gibt – was momentan völlig unklar ist. Laut der Theorie der Supersymmetrie werden fünf Higgs-Teilchen erwartet. Darüber hinaus erhoffen sich die Physiker experimentelle Befunde, die über das Standardmodell hinausgehen, etwa zu Dunkler Materie oder Supersymmetrie. Durch die höhere Energie könnten möglicherweise Teilchen erzeugt werden, die mit Dunkler Materie im Zusammenhang stehen. Bei einer Pressekonferenz zum Neustart sagte Cern-Generaldirektor Rolf-Dieter Heuer letzte Woche: "Ich habe einen Traum: Ich will das erste Licht im dunklen Universum sehen. Wenn das geschieht, ist die Natur freundlich zu uns."

Frage: Welche Rolle spielt Österreich am Cern?

Antwort: Österreich ist eines von 21 Mitgliedstaaten des Cern und stellt 2015 mit knapp 23 Millionen Euro rund 2,2 Prozent des Cern-Budgets. Rund 200 Österreicher sind am Cern tätig – gemessen an der Größe des Landes ein recht hoher Anteil. In den letzten Jahren hat sich Österreich besonders in den Bereichen Beschleunigertechnologie, Detektion und Datenauswertung einen Namen gemacht. Vor allem das Institut für Hochenergiephysik und das Stefan-Meyer-Institut der Akademie der Wissenschaften, die TU Wien und die Universitäten Graz, Innsbruck und Wien zählen zu den wissenschaftlichen Kooperationspartnern des Cern in Österreich.

Frage: Bis wann wird der LHC laufen und was kommt danach?

Antwort: Geplant ist, dass der LHC nun für zwei bis drei Jahre läuft, bevor ihm die nächste ein- bis zweijährige Erneuerung bevorsteht. In einer weiteren Phase soll der LHC mit 14 Elektronenvolt betreiben werden, und eine Generalerneuerung der Fokussierelemente soll bis zu zehnmal mehr Kollisionen bringen. Vermutlich wird der LHC bis 2035 die Experimente am Cern dominieren, schon jetzt wird aber auch über zukünftige Bauten nachgedacht: Möglicherweise könnte der nächste Beschleuniger ein Linearbeschleuniger sein, in dem die Teilchen nicht auf einer Kreisbahn beschleunigt werden, sondern auf einer geraden Strecke von 30 bis 50 Kilometern Länge. Dabei könnten Elektronen mit Positronen aufeinandergeschossen werden. Eine andere Idee ist, einen weiteren kreisförmigen Beschleuniger zu bauen, einen Mega-LHC mit einer Länge von 80 bis 100 Kilometern.

Frage: Warum wurde beim erstmaligen Start des LHC von manchen der Weltuntergang befürchtet und welche Gefahren birgt der Neustart?

Antwort: Als der LHC 2008 erstmals seinen Betrieb aufnahm, war die Kollisionsenergie der Teilchen siebenmal höher als beim bis dahin größten Collider. Das rief Apokalyptiker auf den Plan: Etwa wurde die Produktion eines Schwarzen Loches, das die Erde verschlingt, befürchtet. Im ersten Durchlauf des LHC hat sich der Weltuntergang nicht bewahrheitet, und zum Neustart blieben apokalyptische Zwischenrufe aus. Realistisch gesprochen birgt der Neustart mit doppelter Energie nur für das Cern selbst Gefahren. Zwar nicht für die Mitarbeiter, sie dürfen, sobald der Teilchenstrahl in den Beschleuniger geführt wird, den Tunnel nicht mehr betreten. Je größer die Energie, umso größer ist jedoch das Risiko für Beschädigungen der Maschine. Der 13-Elektronenvolt-Strahl ist stark genug, um einige Hunderte Tonnen Kupfer zu schmelzen. Wenn er nicht entsprechend justiert wird, könnten die Magnete beschädigt werden. Zur Reparatur müsste der LHC wieder heruntergefahren werden. So legte eine defekte elektrische Schaltverbindung den LHC 2008 nur zehn Tage nach dem Start wieder lahm. (Tanja Traxler, DER STANDARD, 18.3.2015)

  • Diese Simulation zeigt die Produktion des Higgs-Teilchens am Cern. Die Entdeckung des Teilchens brachte seinem geistigen Vater Peter Higgs 2012 den Nobelpreis für Physik ein.
    illu.: picturedesk/cern

    Diese Simulation zeigt die Produktion des Higgs-Teilchens am Cern. Die Entdeckung des Teilchens brachte seinem geistigen Vater Peter Higgs 2012 den Nobelpreis für Physik ein.

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