LHC – Träume und Hoffnungen der Physiker

5. Mai 2008 von Andreas Müller in Allgemein

KOSMOlogs-Leser wünschen sich in "Einsteins Kosmos" ein Thema und KOSMOlogs-Autoren schreiben darüber. Den Anfang dieser interaktiven Reihe macht ein Thema, das die Gemüter im Guten wie im Schlechten erregt: der LHC.

Ein Traum wird wahr: Ein Teilchenbeschleuniger der Superlative
Die Physiker investieren viel Zeit, Personal und Geld in der Größenordnung von Milliarden Euro, um einen modernen Teilchenbeschleuniger am CERN in der Schweiz in diesem Sommer in Betrieb zu nehmen. Das neue Flaggschiff der physikalischen Grundlagenforschung heißt Large Hadron Collider, kurz LHC. Im Prinzip handelt es sich dabei um eine unterirdische, 27 Kilometer umfassende, ringförmige  Vakuumröhre in 50 bis 150 Metern Tiefe, die mit flüssigem Helium bis fast auf den absoluten Nullpunkt (etwa -271 Grad Celsius) herunter gekühlt wird. Das Vakuum wird für die Beschleunigung der Teilchen benötigt, denn "Luft bremst". Die Kälte brauchen die Experimentatoren für optimal funktionierende Magneten, weil sie supraleitend sind.

Bild 1: Simulation eines Teilchenschauers inklusive Higgs-Teilchen (Quelle: CERN)

Eine Methode mit Bums
Die Methode der Teilchenphysiker ist im Grunde rabiat: Protonen und Antiprotonen haben einen "Unfall" bei nahezu Lichtgeschwindigkeit. Da sagt selbst Schumi  Aua. Am Anfang sind die elektrisch geladenen Teilchen noch auf Schumi-Niveau langsam und müssen daher im Beschleunigerring mit magnetischen und elektrischen Feldern auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. Erst dann ist der Ring frei für die Kollision. In diesem "Teilchenunfall" entstehen Myriaden neuer Teilchen [Bild 1], die die Physiker mit ausgefeilter Messtechnik nachweisen können. Aus der Analyse der Kollisionen gewinnen die Physiker Einsichten in die Mikrophysik: Sie verstehen die Welt im Kleinen. Sie entdecken neue Teilchen und vielleicht neue Kräfte. Sie hoffen eine "neue Physik" zu finden. Der LHC ist für die Physiker das, was für Darwin die "Beagle" war: eine Entdeckungsmaschine. Ihr frommer Wunsch: Aus Bums wird Dings.

Die Hoffnung: Antworten auf (teils nicht gestellte) Fragen
Die Teilchenphysiker haben  eine paar große Fragen in ihrer Grundlagenforschung, die sie mit dem LHC beantworten wollen. Sie lauten:

  • Gibt es das Higgs-Boson und wenn ja, wie groß ist seine Masse?
  • Ist die Natur supersymmetrisch, d.h. gibt es eine Symmetrie zwischen Teilchen und Kräften?
  • Gibt es mehr als drei Raumdimensionen?
  • Kann man Schwarze Mini-Löcher im Labor herstellen?

Experimente am LHC
Diese scheinbar harmlosen Fragen haben zu einer Jahrzehnte währenden Anstrengung geführt, die mit der Inbetriebnahme des LHC ihren spannenden Höhepunkt erreicht. Entlang des Beschleunigerrings gibt es eine Reihe von Großexperimenten, die sich bestimmten Forschungsgebieten widmen [Bild 2]. Im Folgenden soll kurz vorgestellt werden, worum es geht.

Bild 2: Skizze des unterirdischen LHC mit Experimenten (Quelle: CERN)

ALICE - Da ist zunächst ALICE. Dieses Akronym steht für A Large Ion Collider Experiment at CERN LHC. Die Physiker wollen mit ALICE geladene Atomkerne (Protonen und Schwerionen) aufeinander schießen. In extrem hohen Energiedichten in der Kollision erzeugen sie so neue Materiezustände, wie das Quark-Gluon-Plasma (QGP). Im QGP bewegen sich die Quarks frei. Unter normalen Umständen sind die Quarks gefangen, entweder als Duo (Meson, z.B. als Pion) oder als Trio (Baryon, z.B. als Proton oder Neutron).  Mit diesen Experimenten erforschen die Physiker das, was die Quarks zusammenhalten lässt: Sie nennen es die Quantenfeldtheorie der starken Wechselwirkung bzw. Quantenchromodynamik (QCD).

Bild 3: Einblicke in das Experiment ATLAS. Unten: Der Mensch im Größenvergleich! (Quelle: CERN)

ATLASA Toroidal LHC ApparatuS, kurz ATLAS, ist ein komplexes und großes Nachweisgerät, das so etwas Einfaches und Kleines wie das Higgs-Teilchen experimentell nachweisen soll. Das Higgs-Boson ist das letzte Teilchen des Standardmodells der Teilchenphysik, das bislang nicht gemessen wurde. Es ist dafür verantwortlich, dass alle anderen Teilchen des Standardmodells eine Masse haben.
Weiterhin hoffen die ATLAS-Forscher die so genannte Supersymmetrie (SUSY) nachzuweisen. Es handelt sich dabei um eine Symmetrie zwischen zwei fundamentalen Teilchengruppen, nämlich den Teilchen mit halbzahligem Spin (Fermionen) und den Teilchen mit ganzzahligem Spin (Bosonen). Die SUSY hat zur Konsequenz hat, dass viel mehr Teilchen existieren sollten, als gemäß des Standardmodells der Teilchenphysik. Diese hypothetischen, neuen Teilchen heißen z.B. Neutralino, Higgsino oder Selektron.

 

Bild 4: Das Experiment CMS (Quelle: CERN)

CMS –Was im Bild oben aussieht wie eine industrielle Fabrikanlage ist in Wahrheit ein physikalisches Experiment – mit etwa 12500 Tonnen Gesamtmasse eines der schwersten überhaupt.  Es heißt CMS (Compact Muon Solenoid) und enthält die größte Magnetspule, die jemals gebaut wurde. Sie hat einen Durchmesser von 6 m und ist 12 m lang. In der supraleitenden Spule sollen geladenen Elementarteilchen, die Myonen, nachgewiesen werden, die so etwas wie "schwere Geschwister" der Elektronen sind. Die Myonen sind deshalb von so großem Interesse, weil das kurzlebige Higgs-Teilchen in vier Myonen zerfällt, die mit CMS nachgewiesen werden sollen. Wie ATLAS soll auch CMS das Higgs-Boson nachweisen. 

LHC-B – B steht für Beauty. Es geht also um Schönheit. Kosmetik ist ein Thema, das Physiker (dem Vorurteil nach) gerne meiden. So ist es auch hier, denn beauty meint in diesem Zusammenhang eine Eigenschaft der Quarks. Quarks gibt es in sechs verschiedenen "Geschmacksrichtungen" (flavors), die da heißen: up (u), down (d), strange (s), charm (c), bottom (beauty, b), top (truth, t). Ein Proton besteht z.B. aus zwei u-Quarks und einem d-Quark. Das t-Quark wurde als letztes der sechs 1995 am FERMILAB in den USA nachgewiesen.
Mit dem LHC-B soll die B-Physik erforscht werden, also Teilchen, die b-Quarks enthalten, z.B. einige spezielle Mesonen. Die Teilchen zerfallen in neue Teilchen und geben dabei Auskunft über physikalische Gesetzmäßigkeiten. Die Forscher am LHC-B interessieren sich vor allem für spezielle Erhaltungssätze und die so genannte CP-Verletzung.

Teilchenphysik trifft Kosmologie
Was hat der LHC mit Astronomie zu tun? Sehr viel! Das Verstehen der Welt im Kleinen zieht ein Verstehen der Welt im Großen nach sich. Die Astronomen wissen viel, doch es ist auch ein lückenhaftes Wissen. Die Hoffnung ist, dass Teilchenphysiker und Astronomen im interdisziplinären Dialog dieses Wissen vervollständigen. Die nächsten Punkte stellen einen unmittelbaren Bezug von der LHC-Physik zum Universum her:
Das Plasma aus Quarks und Gluonen ist ein extremer Materiezustand der kurz nach dem Urknall vorgeherrscht haben muss - in der Hadronenära. Außerdem vermuten Astrophysiker, dass tief im Innern einiger kompakter Sterne, den Neutronensternen, das Quark-Gluon-Plasma vorkommen sollte. ALICE hilft daher auch den Astronomen.
Der mit dem Higgs-Teilchen verbundene Higgs-Mechanismus ist wesentlich um zu verstehen, wie die Eigenschaft Teilchenmasse in die Welt kam. Das Higgs-Boson ist eine Säule des erfolgreichen Standardmodells der Teilchenphysik. Nehmen wir an, am LHC würde das Higgs-Teilchen niemals gefunden, so würde das eine Krise der Teilchenphysik bedeuten.
Jenseits des Standardmodells steht auch die Supersymmetrie. Viele Teilchenphysiker sehen in diesem Konzept eine notwendige Erweiterung der Physik, die auch in eine inflationäre Erweiterung des Teilchenzoos mündet. Die experimentelle Entdeckung eines supersymmetrischen Teilchens am LHC wäre eine Revolution. Daran haben auch die Astronomen großes Interesse, denn sie wissen nicht, was sich hinter der mysteriösen Dunklen Materie verbirgt, die sie astronomisch messen. Sind es ganz einfach SUSY-Teilchen?
SUSY ist eine unabdingbare Eigenschaft der Superstringtheorien, deshalb haben sie das Präfix "super". Gar nicht super wäre es für die Stringtheoretiker, wenn sie erführen, dass die Supersymmetrie Makulatur wäre. So hoffen auch sie auf deren Nachweis am LHC. 
Gibt es mehr als die drei Raumdimensionen Länge, Breite und Höhe? Bei der Montage des letzten Einbauschranks hätte man sich das sicher gewünscht. Einige Physiker glauben, dass die Gravitation so viel schwächer ist als die anderen Naturkräfte (elektromagnetische, schwache, starke), weil sie ihre Kraft auch in andere Raumdimensionen verschwendet. Für diese Art "Extraraum" könnte es Anzeichen am LHC geben, z.B. wenn Teilchen in andere Dimensionen verschwinden und dabei Erhaltungssätze verletzen. Interessant wäre es zu messen, bei welchen Längen die neuen Raumdimensionen Messeffekte erzielen. Bisher schließen die Physiker Extraraum bis hinunter zur Mikrometerskala aus. Sind zusätzliche Raumdimensionen auf den Nanometerbereich oder kleiner "zusammen gerollt", kompaktifiziert, wie die Experten sagen?
Mehr Raum schafft auch Raum für eine besondere Form von Raumzeit, nämlich für Schwarze Mini-Löcher. Diese Schwerkraftfallen im Miniformat könnten am LHC entstehen, falls es wirklich Extradimensionen gibt. Minilöcher wurden schon heiß im Blog von Leonard Burtscher diskutiert, weil sie das Ende der Welt herbeiführen könnten. Lassen Sie uns im Herbst darüber diskutieren, ob die Apokalypse im Sommer gekommen ist.

Vielen Dank an KOSMOlogs-Kommentator Peter für die Anregung, über dieses Thema zu schreiben.

Sehr gute Weblinks am CERN:
ALICE
ATLAS
CMS
LHC-b

Weitere Texte zum Thema "LHC":

Das Ende der Welt?
Mini-Löcher und LHC - Berichterstattung im ZDF


10 Kommentare zu “LHC – Träume und Hoffnungen der Physiker”

  1. Björn Brezger Antworten | Permalink

    Protonen

    Es sollen Protonen mit entgegenkommenden Protonen kollidieren, nicht mit Antiprotonen (im Unterschied zum früheren LEP mit Elektronen und Positronen)!

  2. CK Antworten | Permalink

    Schöner Beitrag

    Lieber Andreas,

    danke für den schönen systematischen Beitrag! Physiker sind doch die besten im Namen-Geben: Experimente, die "Alice" und "Atlas" heißen, sind doch was Feines. Noch feiner aber Dein Satz: "Ihr frommer Wunsch: Aus Bums wird Dings." :-) Klasse.

    Liebe Grüße von "nebenan"
    Carsten

  3. Andreas Müller Antworten | Permalink

    Danke, Danke.

    Besten Dank für die Korrektur, Herr Brezger. Da hat mir meine Erinnerung an die LEP-Zeiten einen Streich gespielt. Jeder Protonenstrahl (beam) besteht übrigens aus Milliarden einzelner Protonen.

    Es gibt auf der CERN-Website eine weitere gute Sammlung von Fakten zum LHC. Hier wird gesagt, dass auch schwere Ionen mit dem LHC beschleunigt werden können, z.B. Bleiatomkerne.

    Vielen Dank auch an Nachbar Carsten.

    Beste Grüße,
    Andreas

  4. Rockelfella Antworten | Permalink

    Zitat:"..haben einen "Unfall" bei nahezu Lichtgeschwindigkeit. Da sagt selbst Schumi Aua."

    An der Stelle habe ich aufgehört zu lesen. Seltsame Wortwahl für die Berichterstattung auf so einer Website.

    Ich finde es schade, daß man gute Informationen und Fakten nur auf Seiten von Kritikern dieses Themas finden kann.

  5. Andreas Antworten | Permalink

    Ein Blog ist kein humorloser Ort.

    Manchmal muss man Texte so schreiben, dass dem Leser das Fell rockt.

    Die Kritiker-Website müssen Sie mir unbedingt nennen, Rockelfella!

  6. Thorsten Antworten | Permalink

    LHC

    Mein Thortsten. Und ich Kann nur Sagen das es sehr unverantwortlich und leichtsinnig ist mit derartitigen nicht abschätzenden Risken nur so aus Neugierde rum-zu-experimentieren. Wir alle sind Menschen und Menschen machen Fehler. Wer übernimt die Verantwortung wenn etwas schief geht? SCHWARZE LöCHER GEHöREN INS UNIVERSUM NICHT AUF DIE ERDE!!!

  7. Lory Antworten | Permalink

    LHC

    Ich grad eine ausführliche Seite zum Thema LHC gefunden. Auch über die Gefahren und Risiken von Schwarzen Löchern gibts dort einen Abschnitt.

    www.lhc-facts.ch

  8. Max Antworten | Permalink

    Dieser Text veranschaulicht gut das Geschehen am Cern und ist verdammt gut zu lesen. Mein Kompliment an den Autor!

  9. PSI-Wiki-Block Administr Antworten | Permalink

    Guten Tag Herr Müller,

    ich bin gegeistert von Ihrer Seite. Sie haben sehr detalierte, interessante Artikel! Leider Ist das Verständniss und die Bildung der Masse der Menschen nicht ausreichend, um hier Ihren Horizont zu erweitern. Ich beschäftige mich seit vielen Jahren mit diesen Themen und unter anderem, dem Zusammenhang mit den Religionen. Auf www.top-shop-store.de habe ich den Versuch angestellt, diese Themen auch für die breite Masse zugänglich zu machen. Ich bin gespannt, wie mein PSI-Wiki-Blog angenommen wird. Über professionelle, konstruktive Kritik wäre ich sehr Dankbar! Ich werde auf jeden Fall noch öfter zu Ihnen rein schauen! Ihre Seite bietet einen detalierten Blick in das wunderbare Zusammenspiel der "Dinge".
    Weiterhin viel Erfolg!

  10. martinkarlschneider.de Antworten | Permalink

    Lichtphonen aufeinander jagen.

    Nur Lichtphotonen aufeinander jagen,Cern
    kann das Rätsel der Materiebildung lösen

    Gruß

    martinkarlschneider.de

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