Weltgrößtes Forschungsgerät: Comeback des Teilchenbeschleunigers

Weltgrößtes Forschungsgerät: Comeback des Teilchenbeschleunigers

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Sensor Atlas: Atomkerne kollidieren nahezu mit Lichtgeschwindigkeit

Der Teilchenbeschleuniger LHC in Genf steht vor dem Comeback. Das weltgrößte Forschungsgerät soll die Rätsel des Weltalls klären. Ein exklusiver Besuch.

Zentimeterweise sinkt die 50 Tonnen schwere Last in den fast 100 Meter tiefen Schacht vor den Toren von Genf. Die blau lackierte Abdeckung ist das letzte Bauteil. Es schließt das Herzstück des größten Messgeräts der Welt hermetisch ab. Tief im Untergrund wartet es auf seinen Einsatz. Der Gigant ist 22 Meter hoch, 45 Meter lang und 7000 Tonnen schwer. Kein Wunder, dass die Wissenschaftler ihn Atlas tauften – nach dem legendären Riesen, der den Himmel auf seinen Schultern getragen haben soll.

Hier, am europäischen Forschungszentrum Cern in Genf, wird der Atlas der Neuzeit in diesen Tagen auf seinen zweiten Auftritt vorbereitet. Seine Aufgabe ist „Die Jagd auf Higgs“, wie in der Eingangshalle des Large Hadron Collider (LHC) zu lesen ist. Er ist der größte Teilchenbeschleuniger der Welt, und Higgs ein winziges Atomkernteilchen enormer Bedeutung – dessen Existenz die Physiker bisher nur vermuten. In der rund sechs Milliarden Euro teuren Anlage wollen die Forscher endlich fündig werden. Nach dem verpatzten Start 2008, bei dem eine Explosion einen Teil der Anlage zerstörte, laufen die Vorbereitungen für den Großversuch auf Hochtouren. Er soll helfen, die letzten Rätsel des Weltalls zu entschlüsseln. Die WirtschaftsWoche bekam nun den ersten exklusiven Einblick in die Forschungsanlage, seit der Unfall das Experiment stoppte.

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Urknall besser nachvollziehen

Die Wissenschaftler glauben, dass sie mit hilfe des Atomkernteilchens Higgs den Urknall vor 13 bis 14 Milliarden Jahren sowie die Entstehung des Weltalls und der Erde besser nachvollziehen können. Und sie sind sich sicher, dass sie dann die alles verschlingenden Schwarzen Löcher verstehen und auch das Geheimnis der dunklen Materie. Sie wollen klären, wie Materie und Antimaterie, anfangs im All in genau gleichen Mengen vorhanden, aus dem Gleichgewicht gerieten, sodass die Entstehung von Milliarden Sonnen, Planeten und Monden möglich wurde.

Pate des Atombausteins ist der Edinburgher Professor Peter Higgs, der die Existenz des Teilchens aufgrund theoretischer Überlegungen vorhergesagt hat. Es wäre der letzte, fehlende Baustein im atomaren Zoo der Physiker, dessen Exemplare Namen tragen wie Quarks und Leptonen. Higgs zu finden ist gar nicht so einfach. Denn das Teilchen, von dem die Forscher glauben, dass es bei der Kollision von Protonen frei wird, hat eine Lebensdauer von einer Millionstel Sekunde. Vielleicht auch noch weniger.

Aufbau des Teilchenbeschleunigers

Aufbau des Teilchenbeschleunigers

Die Suche findet tief unter der Erde statt – abgeschirmt von möglichst jeder Form anderer Strahlung. Fast 100 Meter geht es von der Eingangshalle im 40-Personen-Aufzug abwärts, zum Sockel des Atlas. Noch sind die hochhaushohen Hälften des Messgeräts auseinandergefahren, um die Innereien zu überprüfen. Spätestens im Oktober aber soll er wieder in Betrieb gehen.

Wie bei einer Explosion waren am 19. September 2008 schlagartig zwei Tonnen flüssigen Heliums verdampft. Sie hatten einen von acht Sektoren der 27 Kilometer langen ringförmig gebauten Anlage beschädigt, in der die Teilchen – in diesem Fall Protonen, Atomkerne des Wasserstoffs – fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden (siehe Grafik rechts). 53 der 9300 bis zu 15 Meter langen und 35 Tonnen schweren Magnete, die die Protonen auf ihre Kreisbahn und letztlich auf Kollisionskurs zwingen, mussten repariert werden.

Möglicherweise war es eine fehlerhafte Lötstelle, die für eine Erwärmung in dem auf minus 269 Grad Celsius gekühlten System sorgte. Die extreme Kälte ist nötig, damit die Ströme, die den Beschleuniger in Schwung halten, ohne elektrischen Widerstand fließen können. Experten sprechen von Supraleitung. Trotz des physikalischen Kniffs zieht der Beschleuniger gigantische Mengen Strom aus dem französischen und schweizerischen Netz: 120 Megawatt. Das würde für 240 000 Haushalte reichen.

Die Ursache der Explosion lässt sich nicht mehr nachprüfen. „Es ist einfach nichts mehr da“, sagt Edgar Mahner. Er ist mitverantwortlich dafür, dass in den 27 Kilometer langen Ringen extremes Vakuum herrscht. Die Partikelmenge, die zurückbleibt, ist geringer als alles, was die Menschheit bisher erreicht hat. „Jedes Fremdatom katapultiert Protonen aus der Bahn“, sagt Mahner. Das schwächt den Partikelstrom und reduziert die Chancen, das Higgs-Teilchen zu finden. Vakuumpumpen des Kölner Herstellers Leybold, Teil der Schweizer Oerlikon-Gruppe, sollen das vermeiden. Die Hochleistungspumpen stecken auch im Atlas, nahe der Stelle, an der das „apokalyptische Turnier“ stattfindet. So nennen Cern-Forscher jenen Punkt, an dem die Protonen aufeinanderprallen, die in den Ringen gegeneinanderlaufen.

Die Folgen sind wahrhaft apokalyptisch: Beim Zusammenprall entstehen Temperaturen, die die in der Sonne weit übersteigen. Die Teilchen, aus denen die Protonenkerne entstehen, spritzen in alle Richtungen davon. Atlas, der wie eine Zwiebel aufgebaut ist, soll sie erwischen. Jede Schale des Giganten dient dem Nachweis eines Teilchens oder eines Energieniveaus.

Beim Higgs-Teilchen wird Atlas jedoch scheitern, ebenso wie die drei anderen Großmessgeräte des LHC. Es zerfällt so schnell, dass es nur indirekt mithilfe anderer Teilchen und deren Flugbahnen nachgewiesen werden kann, die den Messgeräten nicht entkommen. Bis zu 600 Millionen Kollisionen finden pro Sekunde statt. „Wir suchen nach nur einer guten Aufnahme in zehn Billionen Schnappschüssen“, beschreibt Bernd Panzer vom Cern-Rechenzentrum das Problem. Es sind unvorstellbare Datenberge: Obwohl unbrauchbare Informationen vernichtet werden, fällt bei Cern künftig ein Prozent aller weltweit produzierten Bits und Bytes an.

In einer Experimentierhalle weist ein schlichtes Schild auf eine Sensation hin: „Hier entstanden die weltweit ersten Antiprotonen“ – eine Tatsache, die der Schriftsteller Dan Brown in seinen Roman „Illuminati“ einfließen ließ. Dazu ist der LHC zwar tatsächlich prinzipiell in der Lage. Doch dass sich die Mengen, die sich Brown ausdachte, wirklich produzieren lassen, halten die Cern-Wissenschaftler für ausgeschlossen. Und auch, dass sie Schwarze Löcher produzieren, die jegliche Materie wie ein Staubsauger verschlingen und zur Gefahr für die Menschheit werden könnten. „Die sind, wenn sie überhaupt entstehen, so winzig, dass sie keinen Schaden anrichten“, verspricht Physiker Mahner. Bleibt zu hoffen, dass er recht hat.

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