LHC: Erkennen, was die Welt zusammenhält

Teilchenbeschleuniger soll Wissenschaft neue grundlegende Erkenntnisse bescheren. Was hält die Welt im Innersten zusammen? Die Antwort auf diese Frage wollen Wissenschaftler im Large Hadron Collider (LHC) finden. Das ist ein 27 Kilometer langer, ringförmiger Teilchenbeschleuniger in einem Tunnel, der in 50 bis 150 Metern Tiefe unter dem schweizerisch-französischen Grenzgebiet nahe Genf verläuft. Am 10. September 2008 wird der neue Teilchenbeschleuniger in Betrieb genommen. Kritiker fürchten jedoch, dass der LHC den Weltuntergang einläuten wird.

9. September 2008 um 09:57 Uhr / Werner Pluta

Gemütlich haben es die Protonen und Bleiionen nicht: Erst werden sie in eine eiskalte Röhre eingeschleust und mit wahnsinniger Geschwindigkeit im Kreis herumgejagt, nur um dann mit ihresgleichen in einem Inferno zusammenzustoßen.

Die Röhre, das ist der 27 Kilometer lange, ringförmige Teilchenbeschleuniger Large Hadron Collider (Großer Hadronen-Speicherring), der sich in einem Tunnel in 50 bis 150 Meter Tiefe unter dem schweizerisch-französischen Grenzgebiet nahe Genf befindet. Hier wollen Teilchenphysiker aus aller Welt die faustische Frage beantworten, was die Welt im Innersten zusammenhält.

Dazu lassen sie zwei Teilchenstrahlen beinahe mit Lichtgeschwindigkeit (99,9999991 Prozent) aufeinanderprallen. Die Strahlen bestehen entweder aus Protonen oder aus Bleiionen, die in einem kleineren, älteren Ring, dem Super-Proton-Synchrotron, erzeugt und dann in den LHC eingespeist werden. Das erste Mal geschieht das am 10. September 2008. Interessierte können das Ereignis ab 9 Uhr mitteleuropäischer Sommerzeit per Webcast verfolgen.

In der Röhre herrschen Bedingungen wie im Weltall: ein Vakuum und eine Temperatur von 4,5 Kelvin. Rund 1.800 supraleitende Magnete, die entlang des Rings angeordnet sind, sorgen dafür, dass die Teilchen in der Spur bleiben. Das ist nötig, weil diese sich bei einer so hohen Geschwindigkeit nur geradeaus bewegen. Der LHC ist jedoch ringförmig. Aufgabe der Magnete ist es, die Teilchen auf eine ringförmige Bahn zu lenken. Die Feldstärke der Magneten beträgt 9 Tesla – zum Vergleich: Ein normaler, nicht supraleitender Magnet erzeugt ein Feld mit höchstens 2 Tesla.

Die Magnete, die eigens für den LHC entwickelt wurden, bestehen aus 15 Meter langen Röhren, in denen sich zwei Vakuumröhren für die Teilchen und ein Kühlgerät, Kryostat genannt, befinden. Das Kühlmittel der Magneten ist flüssiges Helium, das eine Temperatur von 1,9 Kelvin hat. Das ist niedriger als die Durchschnittstemperatur im Weltall. Durch die enorme Kälte, die erstmals im April 2008 in einem Sektor erreicht wurde, schrumpfte die Röhre in diesem Sektor um 10 Meter.

Ein Strahl besteht aus 3.000 Teilchenpaketen, von denen jedes etwa 100 Milliarden Teilchen enthält. Da die Teilchen sehr klein sind, ist die Wahrscheinlichkeit, dass zwei kollidieren, sehr gering: Treffen zwei Pakete mit 200 Milliarden Teilchen aufeinander, kommt es gerade mal zu etwa 20 Kollisionen. Da in einer Sekunde Teilchenstrahlen 30 Millionen Mal aufeinandertreffen, kommt es trotzdem zu rund 600 Millionen Kollisionen pro Sekunde.

Video: CERN – LHC-Projekt (3:01)

Wegen der hohen Geschwindigkeit, mit der die Teilchen aufeinanderstoßen, verwandelt sich die Materie in Energie und diese wieder zu Masse. Die Energie, die bei jeder Kollision von zwei Protonen frei wird, beträgt dabei bis zu 14 Tera- Elektronenvolt (TeV). 1 TeV entspricht etwa der Bewegungsenergie einer Mücke, die jedoch eine Billion Mal so groß ist wie ein Proton. Werden in dem Teilchenbeschleuniger Bleiionen zur Kollision gebracht, kann die pro Kollision frei werdende Energie sogar bis zu 1.150 TeV betragen. Das ist 30-mal mehr als am Schwerionenbeschleuniger Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) am Brookhaven National Laboratory in Upton im US-Bundesstaat New York, der derzeit die höchste Energie für Schwerionenkollisionen liefert.

Damit ist der LHC der leistungsfähigste Teilchenbeschleuniger der Welt. Experten gehen davon aus, dass der LHC die Teilchenphysik in den nächsten ein bis zwei Jahrzehnten bestimmen wird. Am LHC können Reaktionen bei Energien untersucht werden, die zehnmal größer sind als die Energien, die an bisherigen Teilchenbeschleunigern erreicht wurden.

Der vier Meter im Durchschnitt messende Tunnel wurde bereits in den 80er-Jahren des 20. Jahrhunderts für den Large Electron-Positron Collider (LEP) gebaut, der im Jahr 2000 stillgelegt wurde.

Experimente

An vier Stellen am Ring befinden sich Versuchsaufbauten, die sogenannten Experimente. Deren Aufgabe ist es, die Kollisionen zu registrieren und Daten zu sammeln. Sie sind darauf optimiert, Elektronen , Myonen und hochenergetische Photonen, sogenannte "Jets", von Quarks und Gluonen sowie fehlende transversale Energie, die eine indirekte Messung der direkt nicht nachweisbaren Neutrinos erlaubt, zu registrieren. Hochauflösende Vertexdetektoren erkennen längerlebige Teilchen. Sie sollen schwere Quarks, vor allem sogenannte Bottom-Quarks, identifizieren. Diese sind ein Indiz für viele Reaktionen der supersymmetrischen Theorie und für Higgs-Zerfälle .

Dabei müssen die Detektoren rund 100 Milliarden Teilchen mit Datenraten in der Größenordnung von TByte pro Sekunde verarbeiten. Diese Datenraten stellen neben der Materialschädigung durch Strahlung enorme Anforderungen an die Detektoren. Die Strahlungsdosis, welche die Detektoren in der Nähe der Wechselwirkungszone in zehn Jahren verkraften müssen, beträgt 1 Billiarde Teilchen pro Quadratzentimeter oder 600 Kilogray. Dies ist zwei Milliarden Mal mehr als die bei einer Röntgenaufnahme der Lunge absorbierte Strahlendosis.

Die beiden Vielzweckdetektoren Atlas und CMS haben im Prinzip die gleiche Aufgabe: Sie zeichnen auf, was passiert, wenn Protonen miteinander kollidieren. So kann ein Experiment unter Umständen eine Entdeckung des andere Experiments bestätigen. Oberste Priorität hat dabei das Higgs-Boson .

Der 46 Meter lange und 25 Meter hohe Atlas ist der größte je gebaute Detektor der Teilchenphysik. Er bestimmt die Impulse geladener Teilchen mit einem inneren supraleitenden Solenoidmagneten mit einer Feldstärke von 2 Tesla und einem großen Toroidmagneten ohne Eisenkern. So soll er Myonen sehr genau messen können. Mehrere verschiedene Detektoren verfolgen die Spuren der Teilchen. Zudem verfügt Atlas über mehrere Kalorimeter , die die Gesamtenergie von Teilchen messen, sowie Driftkammern , in denen Myonen nachgewiesen werden können. Myonen sind Teilchen, die Elektronen ähneln, aber schwerer sind.

Der CMS (Compact Muon Solenoid) ist mit 12.500 Tonnen das schwerste der Experimente. Es will dem Higgs-Teilchen mit einem Kalorimeter aus Blei-Wolframat-Kristallen auf die Spur kommen. Diese Kristalle können sehr gut hochenergetische Photonen, wie sie bei Higgs-Zerfällen auftreten, nachweisen. Ein Halbleiterspurdetektor in einem Solenoidmagneten registriert ebenfalls Teilchenspuren. Wie Atlas verfügt auch CMS über mehrere Detektoren für Myonen.

An Hand der vom vierten Experiment, dem LHCb, gesammelten Daten wollen Wissenschaftler herausfinden, warum die Natur Materie der Antimaterie vorzieht. Wenn die Teilchen im LHC mit beinahe Lichtgeschwindigkeit kollidieren, simulieren sie die Situation, die nach dem Hundertstel einer Milliardstel Sekunde nach dem Urknall herrschte. In dem Moment entstand aus Energie Materie in Form von Paaren aus Quarks und Antiquarks. Heute existiert ein solches Gleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie nicht mehr. Der LHCb soll dazu beitragen, herauszufinden, woher diese Asymmetrie kommt.

Alice schließlich soll die Reaktionen untersuchen, die bei der Kollision von Bleiionen entstehen. Dabei entstehen so hohe Energiedichten, dass ein neuer Materiezustand auftritt, das Quark-Gluon-Plasma .

Hadronen , wie die Kernbausteine Neutronen und Protonen, sind nicht die kleinsten Teilchen, sondern bestehen ihrerseits wieder aus Quarks, die von Gluonen zusammengehalten werden. Die Bindung zwischen den Quarks ist sehr stark. Allerdings sollen sie unter bestimmten Bedingungen freigesetzt werden: bei einer Temperatur, die 100.000-mal höher ist als die im Innern der Sonne, oder einer Dichte, wie sie im Zentrum von Neutronensternen auftritt. Die Quarks verbinden sich dann nicht mehr zu Hadronen, sondern bilden zusammen mit den Gluonen das Quark-Gluon-Plasma. Mit Alice wollen die Wissenschaftler diesen Zustand, in dem die Materie sich einige Milliardstel Sekunden nach dem Urknall befand, erforschen.

Higgs-Boson

Eines der Ziele des LHC ist es, das sogenannte Higgs-Boson oder Higgsteilchen, zu finden. Der schottische Physiker Peter Higgs hatte die Existenz dieses Teilchens bereits in den 60er-Jahren des letzten Jahrhunderts vorhergesagt. Bislang konnte es jedoch noch nicht nachgewiesen werden. Entstehen soll es aus der Kollision von Protonen. Allerdings können die Wissenschaftler kaum darauf hoffen, das Teilchen selbst zu sehen: Da es für ein subatomares Teilchen sehr schwer ist – seine Masse könnte 100- bis 200-mal so groß sein wie die eines Protons -, ist es instabil und zerfällt in Bruchteilen von Sekunden. Atlas und CMD sollen aber seine Reste registrieren können: spezielle Muster aus Streifen und Spiralen.

Die Wissenschaftler messen diesem Teilchen eine große Bedeutung bei. Mit seiner Hilfe wollen sie erklären, woher Elementarteilchen ihre Masse bekommen. "Wir haben ein mathematisches Gerüst in der Teilchenphysik, das die Wechselwirkung zwischen den Teilchen erklärt. Das funktioniert hervorragend, aber leider nur für masselose Teilchen. Wir wissen nun aber, dass Teilchen eine Masse haben und der Higgs-Mechanismus erklärt, wie Teilchen zu einer Masse kommen können. Der Higgs-Mechanismus beschreibt eine Wechselwirkung der Teilchen mit dem sogenannten Higgs-Feld. Dieses Feld erzeugt durch die Wechselwirkung mit sich selbst wieder ein Teilchen, das Higgs-Teilchen. Wenn wir das Higgs-Teilchen finden, dann wissen wir, dass es den Higgs-Mechanismus gibt und damit haben wir die Erklärung im Standardmodell für die Masse der Elementarteilchen" , erklärt Rolf-Dieter Heuer im Gespräch mit dem Internetportal Welt der Physik . Heuer ist derzeit Forschungsdirektor am Hamburger Deutsche Elektronen-Synchrotron (DESY) und übernimmt im Januar 2009 den Chefposten am CERN.

Dunkle Materie

Neben dem Higgs-Teilchen erhoffen sich die Wissenschaftler von den Experimenten im LHC neue Erkenntnisse über die dunkle Materie: Nach den derzeitigen Erkenntnissen der Forschung macht Materie, wie wir sie kennen, nur etwa fünf Prozent des Universums aus. Der Rest besteht zu einem Viertel aus unsichtbarer dunkler Materie und zu drei Vierteln aus dunkler Energie, die für die Ausdehnung des Universums verantwortlich ist. Beide werden dunkel genannt, weil die Materie und die Träger der Energie keine optischen oder elektromagnetischen Wellen abstrahlen und deshalb nicht zu sehen sind.

Grid

Während eines Experiments fallen jede Sekunde mehrere Gigabyte an Daten an. Im Jahr kommen so 15 Petabyte (15 Millionen Gigabyte) an Daten zusammen. Wollte man die auf CDs brennen, wäre der CD-Stapel ohne Hüllen 20 Kilometer hoch. Für die Analyse dieser Daten, etwa um die Zerfallsspuren der Higgs-Bosonen herauszufiltern, wären rund 100.000 aktuelle Prozessoren nötig. Das CERN-Rechenzentrum verfügt jedoch nur über ein Drittel davon. Statt die Kapazität vor Ort auszubauen, entschied man sich, die Rechenoperationen auszulagern. Mehrere zehntausend Computer auf der ganzen Welt werden die Daten aus den Teilchenkollisionen analysieren. Dazu hat das CERN zusammen mit der Europäischen Union eigens das " DataGrid-Projekt ins Leben gerufen.

Das Grid basiert auf einer hierarchischen Architektur mit vier Ebenen (Tier). Das CERN stellt dabei die unterste Ebene (Tier-0) dar, wo die Daten gespeichert und rekonstruiert werden. Von dort werden sie über eine 10-Gigabit-Verbindung an elf Tier-1-Zentren weitergeleitet, von denen eines das Grid Computing Centre in Karlsruhe (GridKa) ist. Dort findet ein Teil der Verarbeitung statt. Vor allem aber verteilen die Tier-1-Zentren Daten an mehr als 140 Tier-2-Zentren, Rechenzentren oder ihrerseits Grids, die Daten speichern und Rechenkapazität für einzelne Analysen bereitstellen. Diese Zentren stellen etwa die Hälfte der nötigen Rechenkapazität, um die Daten aus dem LHC zu verarbeiten. Die Tier-2-Zentren wiederum leiten ihre Daten an Instituts- (Tier-3) und Arbeitsplatzrechner (Tier-4) weiter. Die Organisation und Integration der Computer in das Netz übernimmt eine Middleware, die eigens dafür entwickelt wurde.

Neben den Forschern am LHC können auch Wissenschaftler anderer Disziplinen auf das Grid zurückgreifen, wie etwa Geowissenschaftler, die damit Satellitenaufnahmen der Atomsphäre auswerten.

Video: Der LHC-Rap der Wissenschaftsjournalistin Katherine McAlpine

Internationale Kooperation

Auch wenn das Projekt am europäischen Kernforschungszentrum CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) in Genf angesiedelt ist, handelt es sich um ein internationales Projekt: Am LHC arbeiten 5.000 Wissenschaftler und Ingenieure aus mehr als 40 Ländern der Erde mit. Teilchenphysik sei eben "immer auch ein soziologisches Experiment" , sagt DESY-Chef Heuer. "Die LHC-Experimente sind ein sehr schönes Experimentierfeld für zwischenmenschliche Beziehungen, für internationale Kollaborationen. Es sind ja alle Länder, die Teilchenphysik machen, am LHC beteiligt. Und diese Leute müssen Sie unter einen Hut bringen, sie müssen zusammen arbeiten. Das funktioniert wunderbar."

Kritik

Wie viele solcher Großprojekte hat auch dieses bereits Kritiker wie Otto Rössler auf den Plan gerufen: Sie befürchten, dass schwarze Löcher oder sogenannte seltsame Materie , die möglicherweise im LHC entstehen können, den Weltuntergang herbeiführen werden und wollen deshalb die Inbetriebnahme des Beschleunigers durch Klagen verhindern. Einen entsprechenden Eilantrag wies der Europäische Gerichtshof für Menschenrechte jedoch Ende August 2008 ab.

Mehrere Gutachten entkräften diese Sicherheitsbedenken, die auch der designierte CERN-Chef für überzogen hält: "Sofern solche winzigen schwarzen Löcher erzeugt würden, hätten sie aufgrund ihrer geringen Masse nicht genügend Anziehungskraft, außerdem zerfielen sie sofort in Bruchteilen einer Sekunde. Im Universum, übrigens auch in der Erdatmosphäre, gibt es seit Milliarden Jahren Zusammenstöße von Teilchen weit höherer Energie und die Erde existiert immer noch" , beruhigt Heuer.

Ein Aufsatz, der in der aktuellen Ausgabe des Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics erschienen ist, belegt noch einmal die Sicherheit des LHC. Darin kommen die Autoren, Wissenschaftler von der Universität von Kalifornien in Santa Barbara, des CERN und vom Kernforschungsinstitut der Russischen Akademie der Wissenschaften zu dem Schluss, dass keiner der Partikel, die möglicherweise im LHC entstehen, eine Gefahr darstellt. Ein Gremium von 20 unabhängigen Wissenschaftlern hat diese Erkenntnisse bestätigt. "Die LHC-Sicherheitsbewertung hat ergeben, dass der LHC wirklich sicher ist" , versichert Jos Engelen, Chefwissenschaftler am LHC. "Sie hebt hervor, dass die Natur bereits das Gegenstück zu ungefähr 100.000 LHC-Versuchsprogrammen durchgeführt hat – und den Planet gibt es immer noch."

[Dieser Artikel entstand mit freundlicher Unterstützung von Welt der Physik .]