Mit neuem Riesen-Linearbeschleuniger zur Basis aller Materie

22. November 2005, 15:30
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In Wien wird derzeit am Konzept für den "ILC" gearbeitet - "Large Hadron Collider" in CERN soll ab 2007 Higgs-Teilchen nachweisen

Wien - Der neue Teilchenbeschleuniger "Large Hadron Collider (LHC)" am europäischen Forschungszentrum (CERN) ist noch nicht in Betrieb, dennoch plant ein Physiker-Konsortium aus Europa, den USA und Japan im Rahmen eines noch bis Donnerstag in Wien stattfindenden Symposiums schon den nächsten Coup. Sobald der LHC in Betrieb ist und - hoffentlich - das lange gesuchte Higgs-Teilchen nachgewiesen hat, soll ein neuer, riesiger Linear-Beschleuniger angegangen werden. Damit wollen die Wissenschafter endgültig klären "warum es die Welt überhaupt gibt". Im Unterschied zum kreisförmigen LHC soll der ILC in einer rund 40 Kilometer langen Röhre untergebracht werden.

Synchrotrone nicht das "Gelbe vom Ei"

Bis vor Kurzem galten kreisförmige Beschleuniger - so genannte Synchrotrone wie jene in CERN - als die effektivsten Energiepumpen. Die Teilchen können darin bei jedem Umlauf weiter beschleunigt werden. Allerdings hat die Sache auch einen Nachteil: Sausen Elektronen oder Protonen nämlich auf gekrümmten Bahnen dahin, geben sie so genannte Synchrotron-Strahlung ab. Mit zunehmender Geschwindigkeit steigt diese Strahlung überproportional an, bis eine weitere Beschleunigung sinnlos wird, weil jede zusätzliche Energie praktisch vollständig wieder abgestrahlt wird.

Suche nach dem Higgs-Teilchen

Beim LHC, der 2007 am CERN in Betrieb gehen soll, helfen sich die Physiker damit, dass sie nicht Elektronen, sondern die wesentlich massereichen Protonen - Wasserstoffkerne - beschleunigen. Durch die höhere Masse werden bei der Kollision auch größere Energien frei. Damit wollen die Wissenschafter endlich in Bereiche vordringen, bei denen sie den letzten noch fehlenden Baustein der gängigen Theorien, das so genannte Higgs-Teilchen experimentell nachweisen können. Dieses Teilchen, so es existiert, wäre dafür verantwortlich, dass andere Partikel überhaupt Masse besitzen. Mit dem bis zum Jahr 2000 in Betrieb befindlichen CERN-Beschleuniger LEP kratzten die Physiker gerade an der untersten Grenze an Energien, bei der sich das Higgs zeigen sollte. Hinweise wurden auch gefunden, für einen wissenschaftlichen Nachweis reichen diese nach einhelliger Meinung nicht aus.

Einig sind sich Theoretiker und Experimentatoren auch, dass das Higgs nun mit dem LHC unbedingt gefunden werden muss. Wenn nicht, so stimmen die Theorien über den Aufbau der Materien nicht. "Dann haben wir ein Problem", so Walter Marjerotto, Direktor des Instituts für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) gegenüber der APA.

Nachteile des LHC: Die Nadel im Heuhaufen

Die Arbeit mit dem LHC (Large Hadron Collider) hat aber auch Nachteile. Protonen sind im Gegensatz zu Elektronen keine Elementarteilchen. Sie bestehen aus weiteren Bausteinen, den so genannten Quarks. Dadurch entsteht bei den Kollisionen ein schier unüberschaubarer Wust an Trümmern.

Die Forscher erwarten eine Milliarde Zusammenstöße pro Sekunde, bei jeder entstehen an die 100 Teilchen. Dennoch sollte nach den Vorhersagen der Theoretiker nur alle paar Stunden ein Higgs dabei sein. Die Suche nach der sprichwörtlichen Nadel im Heuhaufen ist wahrscheinlich ein Kinderspiel dagegen. Damit das Ganze nicht zu einem riesigen Daten-Friedhof wird, werden Filter entwickelt, welche nur auf die interessanten Reaktionen ansprechen.

ILC in einer 40 Kilometer lange Röhre

Mit dem Linearbeschleuniger ILC verfolgen die Wissenschafter nun auch wieder eine ganz andere Linie - wörtlich genommen. Die Beschleunigerröhre soll in einen schnurgeraden Tunnel von 40 Kilometern Länge untergebracht werden. Am einen Ende wird ein Elektron gestartet, zum gleichen Zeitpunkt am anderen Ende das so genannte Anti-Teilchen des Elektrons, nämlich ein Positron. Durch die Fortschritte der Ingenieurstechnik reicht mittlerweile diese Strecke für genügend Energiezufuhr. Nach der Beschleunigung im Tunnel treffen die Teilchen einander in der Mitte, übrig bleibt ein Energieblitz, jede Menge Daten für die Detektoren und Messgeräte, und sonst nichts.

"Im Gegensatz zu Kollisionen etwa zwischen Protonen und ihren Antiteilchen ist eine Elektron-Positron-Kollision eine sehr saubere Sache, es entstehen keine unerwünschten Trümmer", so Meinhard Regler, stellvertretender Leiter des Instituts für Hochenergiephysik. Der LHC soll das Higgs finden, die Feinarbeit der weitern Forschung würde dann unter anderem mit dem ILC erledigt.

Bis zur Basis aller Materie

Das ILC-Konsortium hat sich mittlerweile auf das für und in Deutschland entwickelte Konzept, der so genannten Tesla-Technologie, eines Linear-Beschleunigers geeinigt. Rolf-Dieter Heuer vom Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) hat entscheidend daran mitgearbeitet. Er ist überzeugt, dass es für die weitere Erforschung der Materie auf jeden Fall mehrere Hochleistungsgeräte geben muss.

Über die Kosten des ILC will der Experte bisher nicht wirklich spekulieren. Es gibt ein Konzept für einen 30 Kilometer-Tunnel und dieser wurde mit 3,2 Milliarden Euro veranschlagt. ILC dürfe also teurer werden. "Es ist auf jeden Fall ein Projekt das weder ein Land noch einen Weltregion alleine in Angriff nehmen kann", ist der Deutsche überzeugt. Dass neben Europa auch die USA und Japan an Bord sind, stimme zuversichtlich.

Baubeginn möglichwerweise 2010

Die Konzepte für den ILC sollen nun fertig ausgearbeitet und dann erst einmal auf Eis gelegt werden. "Erst wenn der LHC arbeitet und erste sichere Ergebnisse vorliegen, soll dann der ILC forciert werden", so Winfried Mitaroff vom Institut für Hochenergiephysik und Fachbereichsleiter vom ILC-Projekt. Mitaroff schätzt, dass der Baubeginn für den Linear-Beschleuniger etwa 2010 sein könne. (APA/Red)

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    Werden hochenergetische Partikel im Teilchenbeschleuniger auf ein Ziel geschossen oder gegen einander gelenkt, zerplatzen sie gleichsam wie reife Früchte in ihre Bestandteile und diese hinterlassen messbare Spuren.

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    Supraleitfähige Magneten vor dem Einbau in den LHC-Tunnel im CERN.

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    90 Meter unter der Erdoberfläche liegt diese rund 50 Meter hohe Halle. Sie ist Teil des LHC, der in etwa zwei Jahren in Betrieb gehen soll.

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