Die echte Big-Bang-Theorie

Our whole universe was in a hot dense state, then nearly fourteen billion years ago expansion started...Wait.Barenaked LadiesWenn die Forscher am CERN erklären wollen, was sie eigentlich den ganzen Tag so machen, bemühen sie früher oder später die Titelmelodie des Vorabendprogramms „The Big Bang Theory“. Vor dem Urknall war das ganze Universum ein kleiner, heißen Punkt. Dann, vor 14 Milliarden Jahren, begann es sich auszudehnen ...

Und was dann geschehen ist, das versuchen die Wissenschaftler hier in einer der größten und spektakulärsten Forschungseinrichtungen der Welt herauszufinden (siehe Bericht unten).

Fast 12.000 Studenten, Doktoranden, Stipendiaten, sogar zwei Nobelpreisträger (Carlo Rubbia und Jack Steinberger) tummeln sich am CERN-Gelände, nahe der Schweizer Stadt Genf. Dazu noch knapp 2500 Mitarbeiter der Verwaltung, technisches Personal, Handwerker und bestens geschulte Feuerwehrleute. Sie alle arbeiten am größten jemals realisierten technischen Versuch, dem Large Hadron Collider (LHC). Die Versuchsanordnung ist riesig (siehe Grafik), kein Wunder, dass CERN allein im vergangenen Jahr 950 Millionen Euro verschlungen hat. Die Entdeckung des Higgs-Boson im vergangenen Jahr, eine wissenschaftliche Sensation, hat insgesamt mehr als zehn Milliarden Euro gekostet, wurde berechnet.

Österreich forscht mit

Die Republik ist mit rund 20 Millionen pro Jahr eines von 20 Vollmitgliedern im CERN-Rat. Tatsächlich finden sich aktuell knapp hundert österreichische Forscher am Schweizer Forschungsgelände. Zum Beispiel Stefan Ettenauer, der hier seit 2012 forscht und sich mit Hochpräzisions-Messungen bei der Anti-Materie beschäftigt.

Anti-Materie? „Ja“, erzählt er, „niederenergetische, also gebremste Anti-Protonen gibt es derzeit nur am CERN. Ich war begeistert, eine Möglichkeit gefunden zu haben, an den einmaligen Forschungsmöglichkeiten hier teilhaben zu können.“

Ettenauers Forschungseinheit, eines von mehr als hundert Experimenten, heißt ATRAP, Anti-Wasserstoff-Falle („Trap“). Kann man damit bei Dinnerpartys Eindruck schinden, oder schreckt das „normale“ Menschen eher ab? „Das kommt ganz darauf an“, sagt er schmunzelnd. „Antimaterie hat natürlich eine gewisse allgemeine Faszination, mit der man Menschen begeistern kann. Ich finde es faszinierend, dass man viele Fragen, über die wir forschen, ganz einfach und allgemein verständlich erklären kann. Etwa, ob Gravitation für Materie und Anti-Materie gleich ist oder ob Materie und Anti-Materie gleich schwer ist.“

Bettina Mikulec arbeitet seit 2011 an der ganz großen Maschine, am LHC: „Ich bin vor allem für den reibungslosen Betrieb des PS Boosters verantwortlich. Dieser Beschleuniger ist der erste Kreisbeschleuniger in der Beschleunigerkette, die den LHC mit Teilchenpaketen beliefert“, erzählt die zweifache Mutter, die am Hephy, am Wiener Institut für Hochenergiephysik, zu forschen begonnen hat. „Und ich bin da, wenn es ein Problem gibt, als Verbindungsperson zu den jeweiligen Experten und zu den Experimentalphysikern, die die Endprodukte unserer Teilchenpakete für ihre unterschiedlichsten Forschungsgebiete nutzen.“

Derzeit arbeitet sie am Tuning des LHC, der Ende 2014 erneut starten soll, und zwar mit deutlich mehr Energie als noch 2012.

Aus einem ganz anderen Forschungsgebiet kommt der Österreicher Stefan Roiser. Der Informatiker ist seit zwei Jahren für die Datenverarbeitung bei einem der vier großen LHC-Detektoren, am LHCb, verantwortlich. „Pro Jahr verarbeiten wir 15 bis 20 Petabyte an Rohdaten aus den LHC, das sind 20 Millionen Gigabyte, die dann auf 400.000 Computern in 200 Rechenzentren weltweit verarbeitet werden.“ (Übrigens: Genau dieses Problem, die Daten den anderen Unis weltweit zur Verfügung zu stellen,war es, das zur Erfindung des Internet 1991 am CERN geführt hat.)

Die Begeisterung, hier zu arbeiten, merkt man am CERN jedem an, mit dem man spricht. „Es klingt vielleicht ein bisschen pathetisch, aber ich bin schon stolz, dass ich an einem Projekt arbeite, das mein 6-jähriger Sohn einmal in der Schule lernen wird.“

Wozu das Ganze? Wofür lässt man Atomkerne mit Lichtgeschwindigkeit kollidieren, um zu sehen, was passiert?

Dafür, dass es im LHC-Teilchenbeschleuniger um Kernteilchenphysik geht, ist die Antwort gar nicht so kompliziert: Mit dem „Standardmodell der Elementarteilchenphysik“, eine physikalische Theorie, welche die Eigenschaften von Elementarteilchen beschreibt, kann die Wissenschaft fast alle beobachtbaren Phänomene der Kernphysik erklären. Aber eben nicht alle, und das wurmt die Wissenschaftler schon so lange, dass sie mithilfe des LHC auf Antworten hoffen. Und zweitens versuchen sie herauszufinden, und jetzt wird es unheimlich, wo die im Weltall fehlende Antimaterie sein könnte.

Man geht nämlich davon aus (auch mangels irgend einer besseren Erklärung), dass vor 13,8 Milliarden Jahren das Universum durch den Urknall (Big Bang) seinen Anfang hatte. Alles, was heute existiert, war zuvor in einem unendlichen dichten Punkt vereint.

Mit dem Urknall soll nach gängiger Vorstellung die gleiche Masse an Materie und Antimaterie entstanden sein. Die Materie können wir in dunklen, wolkenlosen Nächten sehen – alle Milliarden von Sternen und Galaxien. Aber wohin ist die Anti-Materie verschwunden? Anti-Materie konnte in den unendlichen Weiten des Weltalls kaum entdeckt werden, obwohl die Kosmologie schon sehr gut ins All blicken kann. Wo die geblieben ist, das ist eines der größten Rätsel der Kosmologie als auch der Kernteilchenphysik.

Hadronen-Kollision

Beim gigantischen Experiment im CERN geschieht nun Folgendes: Hadronen, spezielle Wasserstoffkerne, werden so dicht wie möglich komprimiert, und mit Magneten auf über eine Milliarde km/h auf zwei gegenläufigen Bahnen beschleunigt (knapp Lichtgeschwindigkeit von 300.000 Kilometer pro Sekunde). Schließlich lässt man die Hadronen gegeneinander krachen.

Durch die hohe Energie beim Aufprall kann mithilfe gigantischer Detektoren beobachtet werden, wie die Teilchen, aus den Hadronen bestehen, agieren, und welche Eigenschaften sie haben.

Wem das mittlerweile zu kompliziert ist, dem sei noch mitgegeben: Die Wissenschaft hat inzwischen 25 Arten von Elementarteilchen entdeckt, etwa Quarks, Leptonen oder das erst 2012 nachgewiesene Higgs-Boson.

Zurück zur Kollision: Damit werden die Wasserstoffatome in einen physikalischen Zustand versetzt, wie es ihn zuletzt etwa 10 -12 (0,000.000.000.012) Sekunden nach dem Urknall gegeben hat. Und dieser Zustand wird im CERN in extrem kleiner Form nachgebaut, in der begründeten Hoffnung, neue Erkenntnisse gewinnen zu können.

Im CERN wurde eine Reihe bedeutender Entdeckungen gemacht, Beweise geliefert oder Neues erschaffen: Am bekanntesten sind die Grundlagen des World Wide Web (1991), aber auch W- und Z-Bosonen (1983) oder die Antimaterie (1995).

http://home.web.cern.ch/