Was die Welt zusammenhält

13. Februar 2007, 18:49
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Am europäischen Kernforschungszentrum Cern startet Ende des Jahres das bisher aufwändigste Experiment der Wissenschaftsgeschichte

Am europäischen Kernforschungszentrum Cern startet Ende des Jahres das bisher aufwändigste Experiment der Wissenschaftsgeschichte. Mithilfe eines riesigen Teilchenbeschleunigers stellen Physiker den Urknall nach und wollen so die kleinsten, noch unbekannten Bestandteile der Materie finden.

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Für manche Forscher sind das die Kathedralen der Neuzeit: Tief unter der schweizerisch-französischen Grenze bauen Techniker derzeit in großen Hallen und langen Tunneln die Bestandteile für das größte Experiment der Welt zusammen: Der Large Hadron Collider (LHC), an dem hier seit fast zehn Jahren gearbeitet wird, nimmt langsam Gestalt an. Mit dieser Maschine will die Weltgemeinschaft der Teilchenphysiker herausbekommen, was die Welt im Innersten zusammenhält. Sie suchen nach den letzten noch unbekannten Bestandteilen der Materie.

Dass es sie geben muss, wissen die Forscher aus ihren Modellrechnungen. Doch wie es aussieht, das konnte bisher noch niemand nachmessen. Weil es so wichtig ist und doch so schwer zu fassen, haben ihm launige Wissenschafter den Namen "God particle" gegeben. Nüchternere Kollegen nennen es Higgs-Teilchen - nach jenem irischen Theoretiker, der seine Existenz als Erster postuliert hat.

Supersymmetrie

Sind die schwer fassbaren Teilchen erst einmal dingfest gemacht, könnten die Forscher endlich ihre Theorie der "Supersymmetrie" überprüfen. Die besagt, dass es unter bestimmten Bedingungen zu einem Rollentausch unter den subatomaren Teilchen kommen könnte: Jene Teilchen, die normalerweise als Träger der Masse gelten, übernehmen die Aufgaben ihrer Cousins, die für die Kräfte zuständig sind - und umgekehrt. Auf ungefähr diese Weise könnte auch die rätselhafte "Dunkle Materie" zustande kommen, die einen großteils des Universums füllt, bisher aber lediglich indirekt von Astrophysikern, nie jedoch im Labor nachgewiesen werden konnte.

Am Cern wurde deshalb ein ringförmiger Tunnel gegraben, insgesamt 24 Kilometer lang. In diesem Ring steht der Beschleuniger, der die Teilchen mit riesigen, auf Minus 270 Grad gekühlten Magneten so lange im Kreis jagt, bis sie annähernd Lichtgeschwindigkeit erreicht haben. Einige fliegen im Uhrzeigersinn, andere in die Gegenrichtung.

Spannend wird es, wenn zwei Partikeln frontal zusammenstoßen. Für den Bruchteil einer Sekunde herrschen dann Bedingungen wie beim Urknall. Und dabei entstehen auch Teilchen, die es seit damals nicht mehr gegeben hat.

Ein zentraler Ort im Beschleunigerring ist "Atlas". Dieser Detektor ist rund 25 Meter hoch, er soll exakt vermessen, was bei den Teilchenkollisionen passiert. In ihm steckt einiges an österreichischer Technik, etwa der so genannte innere Kern. Hier entscheiden Prozessoren welche Sensor-Signale sie zur weiteren Analyse weiter leiten und was gleich verworfen wird.

Lohnt sich dieser Aufwand? Wären die 3,9 Milliarden, die das Experiment kostet, nicht in ganz anderen Bereichen wesentlich produktiver einzusetzen? Meinhard Regler vom Institut für Hochenergiephysik der Akademie der Wissenschaften gesteht zu, dass die Suche nach Higgs-Teilchen Hardcore-Grundlagenforschung ist, deren einziger Antrieb der Forscherdrang des Menschen sei. Allerdings, so der Forscher, seien in der Vergangenheit schon viele überraschende Innovationen gelungen: Die Technologie der Teilchenbeschleuniger ermöglichte den Kernspintomografen; auch das World Wide Web, wie es heute besteht, wurde im Cern erfunden.

Spin-off

Auch der Large Hadron Collider könnte einen technologischen Spin-off mit beachtlichem ökonomischem Potenzial liefern: Weil der LHC pro Jahr 15 Millionen Gigabyte an Messdaten produzieren wird, müssen die Forscher Computer in aller Welt zusammenschalten, um diese Monster-Analyse zu bewältigen. Der auf Österreich entfallende Daten-Anteil soll in einem neuen Computerzentrum an der Wiener TU abgearbeitet werden. Die Technologie, das Grid Computing, sie könnte in Zukunft für andere rechenintensive Aufgaben genutzt werden, etwa zur Berechnung von Klimamodellen oder zur Konstruktion von Medikamenten.

Experten schätzen, dass das Experiment zehn bis zwölf Jahre laufen wird. Was kommt danach? Mit der Technologie des ringförmigen Beschleunigers wird man bei der Suche nach weiteren Bausteinen der Materie nicht weiterkommen - und das liegt in der Natur der Sache: Im LHC werden Protonen aufeinandergeschossen. Diese wiederum bestehen aus verschiedenen Quarks und Gluonen. Schwer zu interpretieren sind auch die Reaktionsprodukte, die beim Zusammenprall entstehen. Viel "sauberere" Resultate lassen sich dagegen erzielen, wenn statt Protonen Elektronen und Positronen kollidieren würden.

Doch die haben den Nachteil, dass sie sich selbst durch die stärksten Magnete nicht in eine ringförmige Flugbahn zwingen lassen. Also wird der nächste Beschleuniger im Grundriss einer langen Geraden ähneln. Von beiden Enden des Beschleunigers wird dann die jeweilige Teilchenspezies zum Treffpunkt losgejagt. Die Teilchen begegnen einander dabei einmal. Wenn sie da nicht aufeinanderstoßen, war alles umsonst. Im LHC schwirren die Teilchen so lange in entgegengesetzten Richtungen im Kreis, bis es zum Zusammenprall kommt.

Um auch in einem Linearbeschleuniger zu verwertbaren Kollisionen zu kommen, müssen diese Anlagen ganze Teilchen-Geschwader aufeinander losjagen. Und das ist eine Technologie, die derzeit noch nicht beherrscht wird. Noch. Denn heuer startete eine Arbeitsgruppe, die sich intensiv mit dieser Frage befasst. (Gottfried Derka/DER STANDARD, Printausgabe, 14. Februar)

Veranstaltung
Die "Vienna Conference on Instrumentation", die weltgrößte Konferenz über Teilchendetektoren, organisiert vom Institut für Hochenergiephysik der Akademie der Wissenschaften und vom Atominstitut, findet von 19. bis 24. 2. an der TU Wien statt.
  • Die kleinsten Bausteine der Materie, die Higgs-Bosonen, sollen unmittelbar nach dem Urknall entstanden sein. Sie waren sehr kurzlebig. Da man die Teilchen nun wieder finden will, produziert man kleine "Urknalle".
    foto: der standard/cern; bildbearbeitung: lux

    Die kleinsten Bausteine der Materie, die Higgs-Bosonen, sollen unmittelbar nach dem Urknall entstanden sein. Sie waren sehr kurzlebig. Da man die Teilchen nun wieder finden will, produziert man kleine "Urknalle".

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