Zwei Jahre lang konnte der polnische Physiker Andrzej Siemko am Teilchenbeschleuniger LHC seine Runden drehen. Im Frühling 2015 geht’s wieder los

© APA/EPA/ADAM WARZAWA

Hochenergiephysik
12/04/2014

CERN: Bald wird wieder scharf geschossen

Nach der Entdeckung von Higgs beginnt 2015 die Jagd nach exotischeren Elementarteilchen.

von Martin Burger

Im Stiegenhaus im Institut für Hochenergiephysik in Wien hängen etliche eindrucksvolle Bilder des Teilchenbeschleunigers LHC und seiner gigantischen Versuchsanordnungen, an denen österreichische Wissenschafter beteiligt sind. Zwei von ihnen sitzen im Büro des Direktors, Jochen Schieck und Manfred Krammer. Die Tafel hinter seinem Arbeitsplatz hat Schieck mit mathematischen Formeln beschrieben. "Unser Ziel ist unverändert, die Weltformel zu finden, die Theorie, die alles erklärt. Aber das da ist sie noch nicht", sagt Krammer. Um dieser Formel näherzukommen und neue, womöglich exotische, Elementarteilchen nachzuweisen, fehlen aktuelle Kollisionsdaten aus dem Teilchenbeschleuniger LHC (Large Hadron Collider). Der wird seit vergangenen Juni wieder auf Betriebstemperatur gebracht – und bei höherer Energie arbeiten als je zuvor.

Wenn der 27 Kilometer lange Beschleunigerring LHC kommendes Jahr zu neuem Leben erwacht, wollen die Physiker die beiden gegenläufigen Protonenstrahlen auf Energien von jeweils 6,5Teraelektronenvolt (TeV) beschleunigen – jeder Strahl enthält damit so viel Energie wie ein schnell fahrender Güterzug. Tausende Physiker weltweit warten gespannt auf die ersten Kollisionen.

Doch auch die bisherige Bilanz bei niedrigeren Energien fällt positiv aus: Die Proton-auf-Proton-Zusammenstöße und ihre Zerfallsprodukte lieferten 2012 den Beweis für das lange gesuchte Higgs-Boson, vulgo "Gottesteilchen", und damit für die letzte unbestätigte Vorhersage des 40 Jahre alten Standardmodells der Teilchenphysik. Diese beschreibt das Verhalten aller bekannter Teilchen und Kräfte, abgesehen von der Schwerkraft und der Dunklen Materie (siehe Lexikon).

Der LHC, das hoffen Schieck und Krammer, wird in den nächsten Jahren noch viel mehr leisten. "Wir suchen nach Abweichungen, um einen Hinweis zu erhalten, wie eine tiefer gehende Theorie der Teilchenphysik aussehen könnte", sagt Krammer. Seit dem umjubelten Higgs-Nachweis war bislang keine so signifikant, dass man von neuen Teilchen sprechen könnte. "Bei uns ist alles Statistik, ein einzelner Zerfall ist noch kein Nachweis eines neuen Teilchens." Der Verdacht liegt nahe, dass es sich bei dem entdeckten Higgs um einen leichteren Vertreter handelt, und sich weitere "Familienmitglieder" erst bei höheren Energien zeigen werden.

Die physikalische Begründung dafür lautet: Masse und Energie sind äquivalent, bedingen sich nach Albert Einsteins berühmter Formel E = mc² gegenseitig. "Wenn man also neue Teilchen mit einer höheren Masse erzeugen möchte, dann braucht man auch höhere Energien." Der LHC-Ring ist die größte Maschine der Welt, seit vergangenen Juni kühlt das Team am LHC die Magnete auf deren Betriebstemperatur ab. Erst bei 1,9 Grad über dem absoluten Nullpunkt werden die stromführenden Kabel, die die Magnetfelder hervorrufen, supraleitend. Nur so können die Teilchenstrahlen gebündelt werden.

Neuer Mitspieler China

Bis die Abkühlphase abgeschlossen ist und die ersten Kollisionsdaten auf den Bildschirmen im CERN-Kontrollzentrum aufscheinen, wird es "eher Juni 2015" werden, sagt Krammer. Ein Klacks im Vergleich zu den auf Jahrzehnte ausgelegten Plänen der international vernetzten Teilchenphysiker. Derzeit werden Machbarkeitsstudien für neue Teilchenbeschleuniger in Europa, Japan und China in gerader oder Ring-Form ausgearbeitet. Die Wissenschaftler diskutieren die Vor- und Nachteile der Methoden: Entweder man jagt, wie bisher Protonen auf Protonen, allerdings in einem gigantischen neuen Ring von 80 bis 100 km Umfang. Nachteil: Protonen sind zusammengesetzte Teilchen und die resultierenden Zerfälle sind wie eine Gleichung mit vielen Unbekannten. Oder man lässt punktförmige Strahlen von Elektronen und Positronen (positiv geladene Elektronen) kollidieren. Vorteil: Die Messung wäre genauer. Die Entscheidung fällt 2018. Ein neuer europäischer Beschleuniger soll bis in die 2030er-Jahre fertiggestellt werden, in Japan und China vielleicht schon früher. Krammer "Es wird weder einfacher noch billiger." Die Kosten für den LHC betrugen drei Milliarden Euro.

So funktioniert der LHC

Ein kurzer Text mit den wichtigsten Begriffen der Teilchenphysik.

Die Forscher am CERN wollen den Baukasten der Schöpfung enträtseln: Jede Materie setzt sich aus Atomen zusammen. In ihrem Innersten gibt es einen Kern aus Protonen und Neutronen. Er wird von Elektronen umschwirrt. Protonen und Neutronen bestehen ihrerseits aus je drei Quarks.

Soweit das Schulwissen. Dann wird es kompliziert: Materie, die wir aus dem Alltag kennen, besteht aus normalen Elektronen und zwei Arten von Quarks. Bei Materie im höheren Energiezustand tauchen aber plötzlich weitere Grundbausteine auf: In der Gruppe der Quarks gibt es Charm, Strange, Top und Bottom.

Bei den Leptonen gibt es Myon, Myon-Neutrino, Tau und Tau-Neutrino.

Dann gibt es noch W- und Z-Bosonen sowie Gluonen.

Das Higgs-Teilchen

Das Weltbild der Physiker hatte bis zum Nachweis des Higgs-Teilchens vor bald zwei Jahren einen gewichtigen Schönheitsfehler: Im Standardmodell hatten die Teilchen keine Masse. Ohne Masse wären alle Partikel schnell wie das Licht, es gäbe keine Atome, keine Sterne, Planeten oder Menschen.

Die theoretische Lösung des Problems fand Nobelpreisträger Peter Higgs 1964, indem er in das Modell ein Feld einbaute, das Higgs-Feld, das im Universum allgegenwärtig ist und das mit anderen Teilchen reagiert und diese an einer "leichtfüßigen" Fortbewegung hindert. "Durch diese geniale Idee kam bei den Gleichungen auf einmal eine Masse heraus", erläutert Jochen Schieck.


Mit dem experimentellen Nachweis des Higgs-Teilchens ist das Standardmodell der Teilchenphysik komplett. Viele Probleme sind aber ungelöst. So kommt die Schwerkraft im Standardmodell nicht vor.

Ein Kandidat für ein erweitertes Modell ist die erstmals in den 1970ern vorgeschlagene Supersymmetrie. Jedes Teilchen verfügt demnach über ein massereicheres Gegenstück, ein Sparticle, wobei sich die beiden in vorhersagbarer Weise unterscheiden. Eines oder mehrere solcher Sparticles könnten sich als Bestandteile der Dunklen Materie entpuppen. Dieser unsichtbare Stoff macht mehr als 80 Prozent der Materie im Universum aus.

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