28.08.2008

Dem Urknall auf der Spur

Was ist Masse? Warum wirkt die Schwerkraft? Und wo ist die Antimaterie geblieben? Dies sind einige der Fragen, die das heutige Standardmodell der Elementarteilchenphysik nicht beantwortet. Am Europäischen Kernforschungszentrum Cern in Genf erhofft man sich, Erklärungen zu finden – mit dem leistungsstärksten Teilchenbeschleuniger der Welt, dem Large Hadron Collider (LHC). Anfang September 2008 sollen die ersten Teilchen im Beschleuniger ihre Kreise ziehen.

Unser Verständnis des Universums ist lückenhaft. So vermag das Standardmodell weder den Ursprung der Masse zu erklären, noch warum einige Bausteine schwer sind und andere überhaupt keine Ruhemasse haben. Die Schwerkraft lässt Äpfel von Bäumen fallen, das heisst sie wirkt, weil Materie eine Masse hat. Dies wissen wir seit Newton. Doch ist es nach wie vor schwierig, die Gravitationskraft in eine schlüssige Theorie zu packen. Auch deuten Beobachtungen darauf hin, dass das Universum nur zu 4% aus sichtbarer Materie besteht - den Rest sollen Schwarze Materie und Schwarze Energie ausmachen. Eine stichhaltige Erklärung steht ebenfalls noch aus.

Protonen mit Rekordenergie

Die Wissenschafter am Cern hoffen, diese Fragen mit Entdeckungen am LHC beantworten zu können. Dazu werden Protonen in zwei gegenläufigen Ringen beschleunigt und an bestimmten Stellen zur Kollision gebracht. Durch die Wucht des Zusammenpralls zerfallen die Protonen in ihre Bausteine (Sekundärteilchen). Das einzigartige am LHC ist, dass er die Protonen auf eine Rekordenergie von je 7 Teraelektronenvolt (TeV) beschleunigen kann. Damit hofft man neue, schwerere Elementarteilchen zu entdecken. Auch wenn 1 TeV mit der Bewegungsenergie einer Mücke vergleichbar ist, so entspricht die gesamte Energie eines Teilchenstrahls einem 400 t und 150 km/h schnellen Zug.

Ein weiteres Ziel der Forscher ist die Simulation der Zeit unmittelbar nach dem Urknall. Das Universum soll zu diesem Zeitpunkt eine Phase durchlaufen haben, bei der die Materie aus einer extrem heissen und dichten «Suppe» bestand, dem sogenannten Quark-Gluon-Plasma (QGP) - einer Vorläuferform der heutigen Materie. Um diesen Zustand zu erreichen, werden am LHC Bleiatomkerne aufeinander geschossen. Dadurch wird auf engstem Raum eine enorme Energie freigesetzt und es entstehen Temperaturen, wie sie nur Augenblicke (10[sup]-25 [/sup]Sekunden) nach dem Urknall geherrscht haben sollen.

Vom Start bis zur Kollision

Die Atomkerne gelangen aus einem Linearbeschleuniger in den ersten von vier Speicherringen (kreisförmige Beschleuniger). Dieser sammelt und beschleunigt die Teilchen und gibt sie mit erhöhter Energie an den nächst grösseren Ring weiter. Der LHC ist der letzte und - mit einem Umfang von 27 km - auch der grösste Ringbeschleuniger der Gesamtanlage. Die Teilchen fliegen hier in zwei parallelen Röhren in entgegengesetzter Richtung und werden an vier verschiedenen Punkten aufeinander gerichtet. Die Röhren sind vakuumiert, um ungewollte Kollisionen mit Gasmolekülen zu vermeiden. Sogenannte Resonatoren beschleunigen die Teilchen und halten sie gleichzeitig in Gruppen zusammen. Knapp 3000 solcher Gruppen mit je 100 Mrd. Protonen fliegen mit 0,999999991-facher Lichtgeschwindigkeit durch den LHC-Ringbeschleuniger. Auf 1,9 K (-271°C) gekühlte, supraleitende Elektromagnete halten die Teilchen auf ihrer Bahn und bündeln den Teilchenstrahl, um die Kollisionschance an den Schnittpunkten der Teilchenbahnen zu erhöhen.

Zwei noch getrennte Hauptmagnete, die sich 100 m unter der Erdoberfläche durch den Tunnel des LHC ziehen.
Quelle: Cern, Maximilien Brice

600 Millionen Kollisionen pro Sekunde

Bei jeder Kollision entstehen Sekundärteilchen. Diese jagen vom Kollisionspunkt nach aussen und durchqueren verschiedene Detektortypen. Dabei wird unter anderem die Spur der Teilchen verfolgt oder deren Energie gemessen. Mit diesen Informationen können die Forscher die Masse, die Geschwindigkeit und die Ladung dieser Sekundarteilchen ermitteln. Die zu verarbeitende Datenmenge aus den vier grössten Experimenten ist riesig (15 Mio. Gigabyte pro Jahr). Würde man diese Daten auf CDs speichern, entstünde ein 20 km hoher Turm. Um diese Datenmenge überhaupt speichern und auswerten zu können, wurde der LHC Computing Grid (LCG) entwickelt: ein globales Computernetz, mit dem die Daten dezentral gespeichert und parallel ausgewertet werden können.

Tonnenschwere Detektoren

Am LHC-Ring gibt es vier grosse Experimentieranlagen: Alice, Atlas, CMS und LHCb. Alice steht für «A Large Ion Collider Experiment» und ist spezialisiert auf die Analyse von Bleikernkollisionen. Der Atlas-Detektor («A Toroidal LHC Apparatus») deckt ein weites Spektrum von Analysen ab. Unter anderem soll er mit dem Nachweis des Higgs-Teilchens eine Erklärung für den Ursprung der Masse geben. Der Detektor ist 46 m lang, 25 m breit und 25 m hoch, womit er volumenmässig der grösste je gebaute Kollisionsdetektor ist. Die Ziele vom Atlas werden auch mit dem «Compact-Muon Solenoid»-Detektor (CMS) verfolgt, der jedoch auf anderen technischen Lösungen und Design beruht. Mit seinen 12'500 t ist der CMS der schwerste Detektor am LHC. Weiter gehen die Physiker davon aus, dass beim Urknall gleich viel Antimaterie wie Materie produziert wurde - unsere heutigen Beobachtungen zeigen aber, dass das Universum wohl nur aus Materie besteht. Mit dem LHCb, dem «Large Hadron Collider beauty», wollen die Forscher eine Erklärung für diese Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie finden.

Blick ins Innere des sieben Tausend Tonnen schweren Atlas-Detektors.
Quelle: Cern, Claudia Marcelloni, Max Brice

Sicherheit

Bedenken um die Sicherheit von Kollisionen bei so hohen Energien, wie sie im LHC stattfinden sollen, werden seit Jahren wissenschaftlich diskutiert. Ein 2003 von einer Gruppe unabhängiger Wissenschafter erarbeiteter Bericht zeigt, dass von den Teilchenkollisionen am LHC für Mensch und Umwelt keine Gefahr ausgeht. Gestützt auf neue experimentelle Erkenntnisse und ein vertieftes Verständnis wurden seither diese Ergebnisse durch die Arbeitsgruppe Sicherheit am LHC bestätigt und erweitert. Alles, was der LHC kann, hat die Natur seit Bestehen der Erde unzählige Male vorgemacht. Im gesamten Universum spielen sich in jeder Sekunde mehr als zehntausend Milliarden Vorgänge wie am LHC ab und trotzdem existieren die Sterne und Galaxien immer noch.

Letzte Vorbereitungen

Seit Januar 2007 werden die 1700 supraleitenden Hauptmagnete etappenweise abgekühlt. Die Betriebstemperatur von 1,9 K wurde in der Zwischenzeit erreicht und die Magnete werden nun noch Schlussprüfungen unterzogen. Man erwartet, die ersten Teilchenstrahlen Anfangs September in den LHC schicken zu können.

Quelle: 
M.B.