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Der LHC am CERN – eine gigantische Antwortmaschine

Das 25 Meter hohe „Atlas“-Aggregat für die Higgs-Suche. Abb.: CERN

Das 25 Meter hohe „Atlas“-Aggregat für die Higgs-Suche. Abb.: CERN

Higgs-Boson-Suche: Bei Genf entsteht als europäisches Projekt der weltweit größte Teilchenbeschleuniger, der den Ursprung des Universums ergründen soll

Genf, November 2006: Seit über sechs Jahren bauen Wissenschaftler, auch mit Hilfe Dresdner Firmen und Institute aus aller Welt, eine riesige unterirdische „Antwortmaschine“: Der drei Milliarden Euro teure „Large Hadron Collider“ (LHC = „Großer Hadronen-Aufeinanderschleuderer“) soll 2007 seinen Probebetrieb aufnehmen und ab 2008/2009 auf ein paar der fundamentalsten Menschheitsfragen Antworten geben. „Woher kommen wir?“, „Wie entsteht Materie?“. Indem die Forscher mit unvorstellbar hohen Energien Atomkerne aufeinander prallen lassen, wollen sie den „Urknall“, simulieren – und dabei möglicherweise das Tor zu einer neuen Physik aufstoßen. Der Oiger besuchte vorher die neue Wundermaschine.

Wer ein Brot in die Hand nimmt, sich auf einen Stuhl setzt oder an einer Wand abstützt, wundert sich normalerweise nicht, warum er die Schnitte zu fassen bekommt, nicht durch den Stuhl oder die Wand fällt – das sind eben feste Dinge, Materie eben. Doch ist das wirklich selbstverständlich? Woher kommt es eigentlich, dass einige Dinge im Universum überhaupt „Masse“ haben?

Blicken wir einmal rund 13,7 Milliarden Jahre zurück in die Vergangenheit, dann hätte ohnehin alles ganz anders kommen können: Kurz nach dem Urknall, als unser heutiges Universum noch auf Stecknadelkopf-Größe zusammengepresst war, gab es fast ebensoviel Materie wie Antimaterie in der Welt, die sich eigentlich gegenseitig hätten zerstören und restlos in Strahlung aufgehen müssen. Dass das nicht so kam, liegt am Wörtchen „fast“: Zu Bruchteilen eines Prozents gab es einen kleinen Überschuss von Materie, der letztlich von der großen Zerstörungsorgie übrig blieb und für all die Sterne und Planeten unserer Welt verantwortlich ist. Doch woher kam dieser Überschuss, der doch gegen alle Gesetze der Symmetrie verstößt? Was die Sache noch vertrackter macht: Anscheinend ist das Universum schwerer und energiereicher, als es sein sollte, wenn wir alle Sterne auf die Waage legen würden. Gibt es vielleicht eine noch unbekannte Materie-Art, die wir weder sehen noch anfassen können?

Natürlich haben sich die Physiker schon ein paar Antworten darauf zurecht gelegt. Leider passen einige ihrer Thesen (noch) nicht so recht beisammen, zudem fehlt an der einen oder anderen Stelle ein „klitzekleiner“ Beweis. Das „Standardmodell“ der Wissenschaftler besagt nämlich, dass alle Materie und Energie aus wenigen Basisteilchen aufgebaut sind: Zwölf „Quarks“ und „Leptonen“ (zum Beispiel Elektronen), die für die Materie zuständig sind und ihre zwölf „Anti“-Brüder, aus der die Antimaterie besteht. Dazu kommen fünf „Bosonen“, zu denen die Lichtteilchen („Photonen“) gehören, die elektromagnetische Kräfte übertragen und die „Gluonen“, deren starke Wechselwirkung die Atomkerne zusammenhält.

Fast all diese Teilchen sind experimentell nachgewiesen, nur ein laut Theorie notwendiges Boson ist noch „auf der Flucht“: Das „Higgs-Boson“, benannt nach dem englischen Physiker Peter Higgs. Dabei soll es sich um das entscheidende Teilchen handeln, das überhaupt erst für Masse sorgt. Die Theorie: Im All gibt es ein Hintergrundfeld, übertragen vom Higgs-Boson, das sich an andere Teilchen „dranklebt“ und ihnen – je nach „Klebekraft“ – unterschiedliche Massen verleiht.

Seit Higgs diese Idee 1964 vorstellte, sind die Physiker auf der Suche nach diesem fehlenden Teilchen – und konnten vor reichlich zehn Jahren die Regierungen von 20 Ländern überzeugen, am europäischen Teilchenphysik-Labor CERN („Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire“) eine geeignete Such-Anlage zu errichten, den Großbeschleuniger LHC: Ein Doppelring von Beschleunigern und 9300 Magneten, der die Kerne von Wasserstoff- und Blei-Atomen fast bis auf Lichtgeschwindigkeit bringen und schließlich aufeinander schleudern wird, um einen „Mini-Urknall“ zu erzeugen – und in diesem Zuge das legendäre Higgs-Boson generiert.

„Wenn es das Higgs-Boson gibt, finden wir es hier“
150 Meter tief unter der schweizerisch-französischen Grenze (links der Genfer See, hinten die Alpen) verläuft der 27 Kilometer lange LHC-Beschleuniger. Unterirdisch sind auch die Experimentieranlagen CMS und Atlas (Suche nach dem Higgs-Boson) sowie Alice (untersucht die „Ursuppe“ namens Quark-Gluon-Plasma) und LHCb (spürt Asymmetrien der Teilchenphysik nach, wie dem Überschuss von Materie zur Antimaterie im All).

150 Meter tief unter der schweizerisch-französischen Grenze (links der Genfer See, hinten die Alpen) verläuft der 27 Kilometer lange LHC-Beschleuniger. Unterirdisch sind auch die Experimentieranlagen CMS und Atlas (Suche nach dem Higgs-Boson) sowie Alice (untersucht die „Ursuppe“ namens Quark-Gluon-Plasma) und LHCb (spürt Asymmetrien der Teilchenphysik nach, wie dem Überschuss von Materie zur Antimaterie im All). Abb.: CERN

„Wenn es das Higgs-Boson gibt, werden wir es mit dem LHC finden“, erklärte der Teilchenphysiker Prof. Michael Kobel von der TU Dresden, der an dem Projekt beteiligt ist. „Und wenn es nicht existiert, werden wir etwas anderes finden – aber in jedem Fall wird uns die Anlage die Antwort auf die Frage nach der Masse geben.“ Der Grund für den Optimismus: Durch frühere Versuche und theoretische Berechnungen haben die Wissenschaftler den Energiegehalt des Higgs-Bosons zwischen 114 und 166 Milliarden Elektronenvolt (eV) eingegrenzt – ein Elektronenvolt steht für die Energie, die ein Elektron erhält, wenn es mit einer Spannung von einem Volt im Vakuum beschleunigt wird. Und da der LHC für bis zu 14 Billionen eV (bei Protonen-Kollisionen) ausgelegt ist, dürften der europäischen Großanlage auch die Higgs-Lorbeeren zuteil werden – einen so starken Beschleuniger können die Amerikaner nicht vorweisen.

Installiert wird dieser europäische Ring von knapp 27 Kilometer Umfang seit der Jahrtausendwende in den Tunneln des älteren Elektronenbeschleunigers LEP. Weil selbst die Schwerkraft des Mondes oder ein TGV-Schnellzug die Messungen beeinträchtigen können, und weil laut französischem Gesetz aller Grund und Boden ab zehn Metern Tiefe dem Staat gehört, liegt dieses Tunnelsystem zwischen 60 und 140 Meter tief unter der Erdoberfläche. Inklusive der Experimentieranlagen „Atlas“, Alice“, „CMS“ und „LHCb“ wird der Beschleuniger rund drei Milliarden Euro kosten.

Verantwortlich für diese Kosten ist der enorme Aufwand, um einen Mini-Urknall zu erzeugen: Um Atomkerne zu beschleunigen und den Partikelstrahl zu bündeln, bedarf es superstarker Magneten, die ein Feld von bis zu 8 Tesla erzeugen – 8000 Mal so stark wie das eines Hufeisenmagnets. An kritischen Stellen müssen Supraleiter eingesetzt werden. Denn nur solche durch flüssiges Helium auf Weltraumtemperaturen um minus 271 Grad Celsius heruntergekühlte Magnetspulen halten die dafür nötigen Stromstärken von 13 000 Ampere aus. Zudem muss das Helium im ganzen Ring in einem „superflüssigen“ Zustand gehalten werden, damit es in alle Ecken kriecht und durch Unebenheiten nicht aufgehalten wird.

Beschleunigt werden die Protonenbündel durch ein Hochfrequenzmodul, das seine Wellen in den Teilchenstrahl hineinschickt und die Atomkerne wie auf einem Surfbrett zu Wellenreitern macht – damit sie sich mit jeder Runde immer mehr und mehr der Lichtgeschwindigkeit annähern.

Alice kocht Ursuppe nach Art der Neutronensterne
Blick durch die noch geöffneten Riesenmagnet-Tore des „Alice“-Aggregats. Im Innern werden schon bald Bleiatome mit Fast-Lichtgeschwindigkeit aufeinanderprallen und eine „Ursuppe“ kochen: Ein „Quark-Gluon-Plasma“ wie zu Zeiten des Urknalls. Heutzutage treten Quarks und Gluon-Kraftteilchen – außer in Neutronensternen – nur noch vereinigt auf, in der Ursuppe hingegen koexistierten sie. Alice ist 16 Meter hoch und 26 Meter lang.

Blick durch die noch geöffneten Riesenmagnet-Tore des „Alice“-Aggregats. Im Innern werden schon bald Bleiatome mit Fast-Lichtgeschwindigkeit aufeinanderprallen und eine „Ursuppe“ kochen: Ein „Quark-Gluon-Plasma“ wie zu Zeiten des Urknalls. Heutzutage treten Quarks und Gluon-Kraftteilchen – außer in Neutronensternen – nur noch vereinigt auf, in der Ursuppe hingegen koexistierten sie. Alice ist 16 Meter hoch und 26 Meter lang. Abb.: CERN

Die Kollisionen selbst erfolgen in vier großen unterirdischen Experimentieranlagen, in welche die Partikelstrahlen hineingeleitet werden können: Die Anlagen „Atlas“ und „CMS“ zum Beispiel sollen durch den Zusammenstoß von Protonen die Higgs-Bosonen erzeugen. Derweil prallen in der Anlage „Alice“ Bleiatomkerne aufeinander, um eine „kosmische Ursuppe“ zu kochen: Ein Gemisch aus Quarks und Gluonen, wie es zu Urknallzeiten herrschte – heute treten beide Teilchenarten normalerweise nicht mehr getrennt auf, außer in superdichten Neutronensternen. In der kleineren „LHCb“-Anordnung wollen die Wissenschaftler der „Symmetrieverletzung“ nachgehen – dem erwähnten Überschuss von Materie gegenüber der Antimaterie im uns bekannten Universum zum Beispiel.

All diese Anlagen sind wie riesige Zwiebeln aufgebaut. „Atlas“ zum Beispiel ist ein 6000 Tonnen schwerer und 45 Meter langer Koloss, in dessen Innern Protonen aufeinander geschossen werden. Die Teilchen, die aus den zermalmenden Atomkernen entstehen, werden dann in mehreren Schichten ringsum registriert: Pixeldetektoren machen Fotos vom Mini-Urknall, darum sind „Kalorimeter“ gepackt, welche die Energie der auseinander spritzenden Teilchen aufzeichnen – ein Hochfrequenzteil dafür wird übrigens von einer Rossendorfer Firma zugeliefert.

Außen sind schließlich noch große Spezialschalen angeordnet, die schwere Elektronen (so genannte „Myonen“) auffangen und identifizieren. Und ähnlich komplizierte Apparaturen sind auch an anderen Stellen des Ringbeschleunigers zu finden.

Und weil der LHC damit in die Energieregionen vordringt, die bisher unerreichbar waren, schließt Professor Kobel neben dem Nachweis des Higgs-Bosons auch weitere Entdeckungen nicht aus: Möglicherweise könnten bei den Experimenten, so vermutet er, „Schwarze Löcher“ entstehen, ähnlich den superdichten Sternen im Kosmos, die eine so starke Schwerkraft haben, dass nicht einmal Licht sie verlassen kann – nur wären die „Schwarzen Löcher“ im LHC mikroskopisch klein.

Vielleicht stoße man gar auf die theoretisch vorhergesagten Gravitonen und könne damit endlich die vierte Elementarkraft im Universum, die Schwerkraft, ins Standardmodell einfügen. „Daran schließt sich eine andere Frage an“, so Kobel: „Warum die Gravitation im Vergleich zu den anderen Elementarkräften so schwach ist. Eine Theorie besagt, dass die Gravitation nicht nur in unser Universum wirkt, sondern auch in andere Dimensionen, jenseits unseres dreidimensionalen Raums. Wer weiß, vielleicht stoßen wir mit dem LHC das Tor zu parallelen Universen auf…“ Heiko Weckbrodt

GLOSSAR
Ein Abschnitt des LHC-Tunnels mit supraleitenden Magnetrohren, die bis zu 8 Tesla erreichen. Diese hohen Feldstärken sind nötig, um künftig zwei Protonenstrahlen bei knapp 300 000 Kilometer je Sekunde in eine Kreisbahn zu zwingen. Abb.: CERN

Ein Abschnitt des LHC-Tunnels mit supraleitenden Magnetrohren, die bis zu 8 Tesla erreichen. Diese hohen Feldstärken sind nötig, um künftig zwei Protonenstrahlen bei knapp 300 000 Kilometer je Sekunde in eine Kreisbahn zu zwingen. Abb.: CERN

CERN: 1954 als Europäisches Kernphysiklabor gegründet, ist das CERN heute eine ganze Forschungsstadt bei Genf mit 2600 festangestellten Mitarbeitern und über 7000 Gastwissenschaftlern aus 85 Ländern, die sich mit Teilchenphysik und Kosmologie beschäftigen.

LHC: „Large Hadron Collider“ – drei Milliarden Euro teurer Ringbeschleuniger, ist nach seiner Fertigstellung im kommenden Jahr die weltweit größte Anlage ihrer Art. Umfang: 27 Kilometer, Tiefe: zwischen 50 und 150 Meter, Betriebstemperatur: 1,9 Kelvin (-271,25 Grad Celsius), Energie: zwei Protonenstrahlen zu je 7 Terra-Elektronenvolt beziehungsweise 350 Megajoule – das reicht aus, um augenblicklich eine halbe Tonne Kupfer zu schmelzen

Higgs-Boson: Vom englischen Physiker Peter Higgs prophezeites Elementarteilchen, dass vermutlich der Materie erst Masse verleiht. Seine Masse liegt vermutlich zwischen 117 und 251 Giga-Elektronenvolt (der LHC kommt auf 28 Mal soviel Energie)

COMPUTERNETZ GRID

Ist der LHC in Betrieb, wird er pro Sekunde eine Milliarde Fotos und andere Daten erzeugen. Nach einer automatischen Vorauswahl bleibt immer noch eine Datenmenge, die eine CD-ROM pro Sekunde füllt – zehn bis 15 Billiarden Zeichen (= Petabyte) jährlich. Um diese Datenlawine nach dem Higgs-Boson zu durchsuchen, hat das CERN Computerfarmen mit 5000 Prozessoren installiert – ein Teil davon basiert auf Opteron-Chips aus Dresden. Doch auch dies wird für die Auswertung nicht reichen, daher haben Informatiker ein Internet der Zukunft eingerichtet: Das Grid-Netzwerk verbindet den Beschleuniger mit 40 000 PCs in aller Welt, im Endausbau sollen es 90 000 sein. Das Prinzip: CERN sendet die Detektordaten über schnelle Internetleitungen zu den Kooperationspartnern wie Universitäten und Firmen, diese rekonstruieren aus den Rohdaten, welche Teilchen bei den Experimenten entstanden sind und was sich daraus wissenschaftlich ableiten lässt und senden diese Daten dann zurück. hw

„Wissen, was die Welt im Innersten zusammenhält“

Prof. Michael Kobel von der TU Dresden über die Suche nach dem Higgs-Boson und sächsische Beiträge dazu

Prof. Michael Kobel

Prof. Michael Kobel. Abb.: hw

Prof. Michael Kobel vom Institut für Kern- und Teilchenphysik der TU Dresden begleitet am CERN den Bau des LHC-Beschleunigers. Der Oiger quetschte ihn darüber aus

Inwieweit beteiligen sich Dresdner Institutionen am LHC?

Zum Beispiel liefert die Rossendorfer Firma Iseg Hochspannungsmodule für das Experiment Atlas. Unser Institut ist seit einem dreiviertel Jahr dabei und half, neue Lösungen für die Module zu finden. Zudem werden wir ab 2008 Experimentaldaten von ,Atlas“ auswerten.

Könnte der Dresdner Beitrag am LHC künftig noch steigen?

Das Dresdner TU-Zentrum für Hochleistungsrechnen hat uns kürzlich 80 Prozessoren für die ,Atlas“-Datenauswertung zur Verfügung gestellt. Da die Informatiker dort bereits früher an Grid-Projekten gearbeitet haben, ist eine Beteiligung am LHC-Grid geplant.

Drei Milliarden Euro sind viel Geld – was hat Otto Normalverbraucher von der Higgs-Boson-Suche?

Erstens steckt hinter dem LHC menschliche Neugier: Wir wollen wissen, was die Welt im Innersten zusammenhält. Die Frage „Wo kommen wir her?“ stellen sich alle Menschen. Auf sie gab es bereits religiöse, philosophische und andere Antworten. Wir wollen die physikalische Antwort finden.

Zweitens ist Grundlagenforschung ein fruchtbarer Boden, auf dem neue Technologien wachsen. Als Heinrich Hertz die Theorien für elektromagnetische Wellen ausarbeitete, konnte er sich keine praktische Anwendung dafür vorstellen – doch ohne dieses Fundament wären aber Fernsehen oder Mobilfunk undenkbar.

Drittens entstehen schon durch den LHC-Bau neue Technologien. Was wir hier konstruieren, kann man in keinem Baumarkt kaufen – unsere Ideen geben der Industrie Impulse für neue Produkte. Bildgebende Medizin-Verfahren wie die Positronen-Emissions-Tompografie wären ohne die Nachweismethoden der Physik für Antimaterie nicht möglich.

In Ihrem CERN-Vortrag am CERN erwähnten Sie die Möglichkeit, der LHC könne kleine „Schwarze Löcher“ oder interdimensionale Tore öffnen – klingt nach Science Fiction. Müssen wir Angst haben, dass der Beschleuniger einen kosmischen Schlund auftut, der von Genf aus die Erde verschlingt?

(Lächelt) Aber nein. Falls sie auftreten, würden diese Löcher Milliarden Jahre brauchen, um so zu wachsen. Dazu wird es aber nicht kommen: Wie die großen Schwarzen Löcher im All würden sie Hawking-Strahlung aussenden. Bei solch kleinen Löchern würde diese Strahlung ihre Masse in kürzester Zeit ,verbrauchen’. Und: Was an kosmischer Strahlung auf den Mond niederprasselt, ist viel energiereicher als der LHC-Strahl – trotzdem gibt es ihn noch.

 

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