Physik: Tempel der Teilchen

Der größte Teilchenbeschleuniger der Welt geht in die finale Testphase. Experimentalphysiker wollen damit den Urknall simulieren.

Wenn der Wiener Experimentalphysiker Meinhard Regler von der Maschine seiner Träume erzählt, beginnen seine Augen zu leuchten. „Sie ist einfach gigantisch“, schwärmt Regler. 100 Meter unter der Erdoberfläche erstreckt sich ein 26,6 Kilometer langer Tunnel, bestückt mit hunderten von Präzisionsgeräten: Der Large Hadron Collider (LHC) des europäischen Kernforschungszentrums CERN nahe Genf ist das teuerste und größte „Spielzeug“ der internationalen Physikergemeinde.

Der kürzlich fertig gestellte 3,5 Milliarden Euro teure Teilchenbeschleuniger geht nun in die finale Testphase. Wenn der LHC im September dieses Jahres seinen Betrieb aufnimmt, wird die Anlage pro Sekunde jene Energie verbrauchen, die ein Kraftwerk mit einer Leistung von 120 Megawatt erzeugt. 6000 Physiker aus 85 Ländern, darunter mehrere Nobelpreisträger, werden sich an dem Experiment beteiligen. Die Forscher wollen zwei aus Wasserstoffatomkernen bestehende Hochenergiestrahlen gezielt aufeinanderprallen lassen, um so den Urknall zu simulieren. Sie hoffen, dadurch präzise Aufschlüsse über den Aufbau der Materie und die Entstehung des Universums zu erhalten.

Nachdem die geplante Inbetriebnahme der Großversuchsanlage mehrfach verschoben wurde, läuft „derzeit alles nach Plan“, berichtet Walter Majerotto, Direktor des Instituts für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und Mitglied des CERN-Rates. Die Kernkomponente der Anlage, ein haushoher Teilchendetektor mit dem Gewicht von fünf Jumbojets, wurde dieser Tage in millimetergenauer Arbeit durch einen eigens dafür gebauten Schacht in die Tiefe versenkt und dort mit den übrigen Bauteilen des LHC verbunden. Die Beschleunigungsmotoren – 1232 fünfzehn Meter lange Elektromagneten, die mit flüssigem Helium auf minus 272 Grad Celsius abgekühlt und damit supraleitend werden – durchlaufen gerade letzte Funktionstests. Zusammen mit weiteren 6000 Magneten sollen diese Supraleiter die Teilchenstrahlen auf ihrer vorgesehenen Bahn halten und mithilfe elektromagnetischer Hochfrequenzfelder auf hohe Energie bringen.

Nach erfolgtem Abschluss aller Tests wollen die Forscher aus Wasserstoffgas gewonnene Protonen in genau definierten Paketen und in jeweils entgegengesetzter Richtung durch die zwei Vakuumröhren des LHC schicken. An jenen vier Stellen des Teilchenbeschleunigers, an denen sich die Vakuumröhren kreuzen, werden die durchschnittlich aus 100 Millionen Teilchen bestehenden Protonenpakete aufeinanderprallen. Geht alles nach Plan, werden dabei Teilchen entstehen, die nur für Augenblicke nach dem Urknall existiert haben sollen.

Teilchenfahndung. Die Physiker rechnen mit einer Milliarde Zusammenstöße pro Sekunde. Aber nur ein Bruchteil davon wird sie näher interessieren. Ein spezielles elektronisches „Filtersystem“, an dessen Entwicklung auch österreichische Forscher mitwirkten, soll garantieren, dass nur die interessantesten „Kollisionen“ gespeichert werden, um diese anschließend in einem weltumspannenden Computernetz auszuwerten. Die von den vier Detektoren des LHC produzierte Datenmenge wird 15-mal größer sein als die Summe aller derzeit im gesamten World Wide Web verfügbaren Daten.

Wenn der Teilchenbeschleuniger hält, was er verspricht, müsste in der unvorstellbaren Fülle von Kollisionsdaten auch das letzte, bisher noch experimentell nicht bestätigte Teilchen des so genannten Standardmodells der Teilchenphysik zu finden sein. Der Theorie nach handelt es sich um jenes schon 1964 vom britischen Physiker Peter Higgs postulierte „Higgs-Boson“, das allen anderen Teilchen ihre Masse verleihen soll. „Wenn das Higgs existiert, werden wir es mit dem LHC finden“, sagt Physiker Regler. „Das ist sozusagen die Hausaufgabe der Teilchenphysik, die es noch zu erledigen gilt.“ Falls das Higgs-Teilchen nicht gefunden wird, würde das für die Elementarteilchenphysik eine veritable Krise bedeuten. „Wir müssten unsere gesamte Theorie vom Aufbau der Materie neu überdenken“, sagt Majerotto.

Indizien für die Existenz des Higgs-Teilchens hatten die Physiker am CERN bereits 1999 gefunden – kurz bevor damit begonnen wurde, den alten, weit leistungsschwächeren Teilchenbeschleuniger Large Electron-Positron Collider (LEP) abzubauen, um Platz für den LHC zu schaffen. Auch das nahe Chicago beheimatete Fermilab, das den größten Teilchenbeschleuniger der USA beherbergt, meldete erst vor Kurzem, man habe Hinweise auf das Higgs-Boson gefunden. „Es läuft derzeit ein wissenschaftlicher Konkurrenzkampf, bei dem offen ist, wer der Sieger sein wird“, so Majerotto. Aber wer immer das Higgs-Boson findet, den Nobelpreis dafür würde Higgs selbst bekommen. Der 77-jährige in Großbritannien lebende Physiker beobachtet denn Wettlauf mit Gelassenheit. Seine Biografie betitelte er mit „My life as a Boson“.

Aber auch wenn das Higgs-Boson gefunden werden sollte, wäre damit nur ein kleiner Teil des physikalischen Weltbildes experimentell bestätigt. Denn gerade die Astrophysik hat in den vergangenen Jahren und Jahrzehnten Daten zusammengetragen, die das bisherige Verständnis vom Aufbau der Materie und des Universums nachhaltig infrage stellen. Genaue Messungen der Rotationsgeschwindigkeiten von Galaxien zeigen etwa, dass sich die äußeren Äste der Sternenhaufen mit einer derart hohen Geschwindigkeit drehen, dass sie eigentlich auseinanderfliegen müssten, sagt die Kosmologin Sabine Schindler vom Institut für Astro- und Teilchenphysik der Universität Innsbruck: „Was die großen Strukturen zusammenhält, wissen wir eigentlich noch nicht. Jedenfalls muss es sich um ein unsichtbares, die Anziehungskraft verstärkendes Etwas handeln, das wir derzeit nur dunkle Materie nennen können.“

Ähnliche Rätsel geben Astrophysikern auch Messdaten von ältesten und jüngeren Galaxien auf. Seit der von dem US-Astronomen Edwin Hubble (1889–1953) im Jahr 1923 gemachten Entdeckung, dass sich Sterne unentwegt von der Erde wegbewegen, gehen Physiker davon aus, dass das Universum, wenn man diese Bewegung in die Vergangenheit zurückverfolgt, vor rund 14 Milliarden Jahren aus einem „Big Bang“ entstanden sein muss. Rechnet man diese Ausdehnungsbewegung in die Zukunft, müsste diese mit der Zeit langsam, aber stetig abnehmen, weil die Schwerkraft der Sterne diese Bewegung „bremsen“ müsste.

Seit zirka zehn Jahren allerdings wissen die Astronomen, dass das Universum den Theoretikern diesen Gefallen nicht tut. „Das Universum driftet immer schneller auseinander“, sagt Schindler. „Irgendeine noch unbekannte Kraft muss im Universum wirken, welche die Bremswirkung der Gravitation überwindet.“ Was diese als „dunkle Energie“ bezeichnete Kraft eigentlich ist und wie sie ins Bild der gängigen Teilchenphysik passt, wird unter Theoretikern derzeit genauso heftig debattiert wie die „dunkle Materie“. Auf der Grundlage von Beobachtungsdaten des NASA-Satelliten WMAP, der Unregelmäßigkeiten in der kosmischen Hintergrundstrahlung vermessen hat, versuchen die Forscher, zumindest ein Mengenverhältnis aufzustellen, mit dem sich Beobachtungen und Theorie halbwegs in Einklang bringen ließen: Vier Prozent des Universums bestehen demnach aus sichtbarer Materie, 23 Prozent aus dunkler Materie und 73 Prozent aus dunkler Energie.

Supersymmetrie. Während der einstige Hubble-Mitarbeiter und Urknall-Skeptiker Halton Arp schon seit Jahren einen „Paradigmenwechsel“ in der Physik fordert (siehe Kasten links), setzt der große Rest der Forscher auf die Experimente mit dem neuen Teilchenbeschleuniger. „Wenn unsere Theorien stimmig sind, hätten wir durchaus Anwärter, welche die dunkle Materie erklären könnten“, sagt Majerotto. Eines der großen Theorieschlagwörter dazu heißt „Supersymmetrie“. Mit diesem kurz „SUSY“ genannten Gedankengebäude nehmen die Theoretiker eine „Gegenwelt“ zur bisher untersuchten Teilchenwelt an, in der sich zu jedem bislang bekannten Elementarteilchen ein bislang unentdeckter Partner finden lassen müsste.

So gesehen müsste der LHC in der geplanten Laufzeit bis 2020 einen wahren Teilchenzoo aufspüren. Aussichtsreichste Kandidaten für die Erklärung der dunklen Materie wären dabei die so genannten „Neutralinos“. Das leichteste unter diesen Teilchen soll aufgrund fehlender elektrischer Ladung nur eine geringe Wechselwirkung mit der Materie haben und daher quasi unsichtbar, aber in großen Mengen im Universum vorhanden sein. „Gelingt der Nachweis von Neutralinos am LHC, hätten wir eine plausible Erklärung, woraus die dunkle Materie besteht“, sagt Astrophysikerin Schindler.

Gespannt warten die Physiker zudem darauf, ob sich durch LHC-Experimente auch die so genannte „Superstring“-Theorie bestätigen wird. Sie klingt noch eine Spur abenteuerlicher als das SUSY-Konzept. Nach Brian Green, einem der führenden Superstring-Theoretiker, zeichnet sich dieses Modell vor allem durch die „Eleganz“ aus, mit der sich die Welt des Universums im Großen mit der Welt der Quanten im Kleinen verbinden ließe. Anders als im Standardmodell der Teilchenphysik gibt es in der String-Theorie keine Teilchen, sondern vibrierende „Fäden“, die „Strings“. „Eingerollt“ in diese Strings, sollen neben den drei räumlichen noch sieben weitere und bisher nur mathematisch nachweisbare Dimensionen existieren.

Am LHC könnte die String-Theorie trotz ihrer oft belächelten „Andersartigkeit“ zumindest indirekt bestätigt werden. Denn sind die Annahmen korrekt, müssten zwischen den „eingerollten“ Dimensionen extrem hohe Gravitationskräfte herrschen, die zu einem spektakulären Effekt führen würden: Gelingt es, die im LHC mit extrem hoher Energie um die Kurve jagenden Wasserstoffkerne zu einer gezielten Kollision zu bringen, ließen sich damit rein theoretisch kleine „Schwarze Löcher“ erzeugen, wie die Frankfurter Physiker Marcus Bleicher und Horst Stöcker glauben. Diese „Mini Black Holes“ wären im Gegensatz zu ihren galaktischen Verwandten freilich extrem kurzlebig. Sie würden nicht einmal ein Billionstel einer Billionstelsekunde existieren. Zudem hätten sie den nicht unangenehmen Nebeneffekt, dass sie um Größenordnungen energieärmer wären als ihre kosmischen Cousins – und damit, statt Sterne zu fressen, völlig ungefährlich blieben.

Pro Sekunde könnten immerhin ein paar Dutzend solcher Schwarzloch-Babys produziert werden. Gelingt ihr experimenteller Nachweis und stimmen noch dazu Stöckers Zusatzberechnungen, wäre die Welt nebenbei auch noch ihr Energieproblem los. Denn Stöcker ist überzeugt, dass sich mit der Erzeugung von Mini Black Holes gleichzeitig auch Masse in Energie umwandeln ließe. Entsprechende Konverter vorausgesetzt, könnte die global benötigte Jahresenergiemenge aus bloß zehn Tonnen Materie gewonnen werden. Vorsichtshalber hat der Physiker seine Idee bereits zum Patent angemeldet.

Von Norbert Regitnig-Tillian