Teilchenbeschleuniger LHC Das Biest muss sich stärken

Die Ausmaße der Detektoren am Cern wird oft erst deutlich, wenn ein Mensch daneben steht. Der hier gezeigte Detektor CMS ist 16 Meter hoch. In einer Bildergalerie geben wir weitere Einblicke in die Welt des Forschungszentrums. Foto: AFP 30 Bilder
Die Ausmaße der Detektoren am Cern wird oft erst deutlich, wenn ein Mensch daneben steht. Der hier gezeigte Detektor CMS ist 16 Meter hoch. In einer Bildergalerie geben wir weitere Einblicke in die Welt des Forschungszentrums. Foto: AFP

Ein langer Tunnel, haushohe Messgeräte und Bauteile, die kälter sind als das Universum: ein Besuch beim Forschungszentrum Cern. Sein Teilchenbeschleuniger, der stärkste der Welt, wird gerade umgebaut, um bald mit doppelter Energie wieder loszulegen.

Wissenschaft: Rainer Klüting (klü)
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Genf - Die Weltmaschine ist abgeschaltet. Der Teilchenbeschleuniger LHC macht Umbaupause. Voraussichtlich zwei Jahre lang, noch bis Anfang 2015, wird die gewaltige wissenschaftliche Anlage, die gerne mit dem Ehrentitel Weltmaschine geschmückt wird, repariert, gewartet und aufgerüstet. Deshalb sind die Magneten abgeschaltet, durch die sonst ein Strom wie in zehntausend Waschmaschinen auf einmal fließt. Deshalb rasen durch den 27 Kilometer langen Ringtunnel keine Elementarteilchen mehr mit Energien jenseits alles Vorstellbaren. Und deshalb kann in diesem Tunnel, der ein wenig schräg 70 bis 100 Meter tief im Molasseuntergrund des Grenzgebiets der Schweiz und Frankreichs bei Genf liegt, im Moment kein flüssiges Helium austreten, das kälter ist als das Weltall und dementsprechend gefährlich für Menschen.

Deshalb, und nur deshalb, darf ich mir einen blauen Helm aufsetzen, eine Sicherheitsschleuse passieren und einen spartanischen Aufzug besteigen. Man kommt sich vor wie bei der Abfahrt in ein Bergwerk, allerdings ohne Erz- oder Kohlestaub. Der Helm ist hier Vorschrift, festes Schuhwerk auch. Und Menschen mit metallhaltigen Implantaten im Körper dürfen in die Welt der supraleitenden Supermagnete nicht hinunter, auch wenn diese abgeschaltet sind.

75 Meter tiefer stehen wir dann auf einer Galerie, rund zwanzig Meter über dem Boden einer Kaverne, und mindestens genau so weit unter ihrer Decke. Der Raum ist ausgefüllt mit einem Gerät, das Christoph Rembser, Physiker und seit 1997 beim Cern, als „nichts anderes als eine große Kamera“ beschreibt. Die Kamera heißt Atlas und ist ein Zylinder mit 25 Meter Durchmesser, 46 Meter Länge und einem Gewicht von 7000 Tonnen. Es ist unmöglich, diese Ausmaße zu erfassen; dazu stehen wir zu nah dran. Atlas kann Fotos machen mit 100 Millionen Pixeln, 40 Millionen Bilder in der Sekunde.

Das Higgs-Teilchen ist entdeckt? Nun ja, eins, das ihm ähnlich ist

Das hat er getan, fast drei Jahre lang, vom 30. März 2010, als der Large Hadron Collider (LHC) nach einer anfänglichen Panne seinen Betrieb aufnahm, bis zum 14. Februar 2013, als der Teilchenstrahl abgeschaltet und die Umbaupause begonnen wurde. In den Bildern, die Atlas aufgenommen hat, entdeckten die Physiker eine Sensation, die den LHC berühmt machte, soweit er es nicht schon war: sie fanden deutliche Anzeichen für ein „Higgs-ähnliches“ Teilchen. Der britische Physiker Peter Higgs – und unabhängig von ihm gleichzeitig andere – hatte es Mitte der sechziger Jahre vorhergesagt. Seit dieser Zeit wurde das Higgs-Teilchen gesucht.

Nun hört und liest man, das Higgs-Teilchen sei entdeckt. Doch in der Europäischen Organisation für Kernforschung (Cern) in Genf, die den LHC betreibt, vermeidet man diese Formulierung. Dort sagen sie: Wir haben nicht das Higgs-Teilchen entdeckt. Wir haben ein Higgs-Teilchen entdeckt. Ob es das gesuchte ist, und ob die Theorie der Elementarteilchen nicht erweitert werden muss, das ist eine der spannenden Fragen, die der LHC nach dem Umbau beantworten soll, in der nächste Messkampagne ab 2015.

Atlas ist nur eines von vier hochhausgroßen Messinstrumenten rund um den 27-Kilometer-Ring des LHC. Ein anderer heißt CMS. Der 12 500-Tonnen-Koloss funktioniert anders als Atlas, und deshalb war die Begeisterung im Cern um so größer, als auch CMS das Higgs-Signal auf dem Schirm hatte. Die weiteren zwei heißen Alice und LHCb. Sie dienen anderen Zwecken.

Wenn man von Atlas zu Alice will, nimmt man den Aufzug nach oben und setzt sich in ein Auto. Man überquert die Grenze zwischen der Schweiz und Frankreich und fährt durch die ländliche Region des Pay de Gex bis zur nächsten schmucklosen Halle mit Bergmannsaufzug nach unten. Alice ist ein weiteres, zylinderförmiges Messungetüm, das den Teilchenstrahl umschließt: 16 Meter Durchmesser, 26 Meter lang, 10 000 Tonnen schwer.

Die Detektoren verfolgen die Bahnen der Trümmerteilchen

Alices große Zeiten kommen immer dann, wenn der Protonenstrahl gestoppt wird und stattdessen die viel größeren und schwereren Kerne von Bleiatomen auf die Rennbahn geschickt werden. Wenn diese aufeinander prallen, ist es, als würden sich nicht zwei Gewehrkugeln treffen, sondern zwei ganze Munitionskisten. Der Aufprall lässt die Materie bis ins Kleinste zerplatzen, Quarks und Gluonen, die Bestandteile atomarer Teilchen wie Protonen und Neutronen, lösen für Sekundenbruchteile ihre ansonsten sehr engen Bindungen auf. Es entsteht ein Quark-Gluon-Plasma, wie es eine bis zehn Mikrosekunden nach dem Urknall existiert haben muss. „Wir können dann beobachten, auf welche Art ein Quark, das durch dieses Plasma fliegt, seine Energie verliert. Das sagt uns: wie zäh ist der Klumpen?“, sagt Johannes Wessels, stellvertretender Sprecher der Alice-Kooperation. Und diese Zähigkeit wiederum erzählt viel über die Entstehung der starken Kernkraft und den Urknall überhaupt.

Wie die gewaltigen Messapparaturen am LHC arbeiten, kann man bei Alice, hundert Meter unter der Erde, erahnen, wenn man durch ein kleines Stück des Tunnels läuft. Hier muss Oliver Brüning sich gegen ein brüllendes Gebläse durchsetzen. „Die größte Herausforderung war die Entwicklung der Magnete“, sagt er und deutet auf meterdicke Rohre in Grau, in Blau, in Rot und manchmal auch in Alufolie eingewickelt. Hier wird gebaut; an einer Stelle ist der Strahlverlauf unterbrochen. Einer der Magnete, welche die Rolle einer Autobahnauffahrt für neues Teilchenmaterial in den rasenden Teilchenstrom spielen, wird gerade ausgetauscht.

Ein Stück weiter sieht man die beiden Strahlrohre, etwa armdick, wegen der Bauarbeiten ohne Kühlmantel. Durch sie rasen die Teilchen mit 99,9999991 Prozent der Lichtgeschwindigkeit in entgegengesetzten Richtungen, bis sie dann, mitten in Atlas, Alice und Co., zu Frontalkollisionen gebracht werden. Ihre Energie wird durch den Umbau von derzeit 3,5 Teraelektronenvolt auf sieben TeV erhöht. Die bei der Kollision entstehende Kaskade von Trümmerteilchen enthält die Information, welche die Physiker suchen. Ihre gewaltigen Messapparaturen bestehen im Prinzip aus unzähligen Schichten von Detektoren, die ein Signal abgeben, wenn ein Teilchen sie passiert. Führt man diese Signale später im Computer zusammen, entsteht ein Bild der Flugbahnen der Trümmer, mit Informationen zu Energie, Richtung und anderem.

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