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13.11.2014

06:00 Uhr

T wie Teilchenbeschleuniger

Dem Urknall auf der Spur

VonChristina Stahl

Im größten Teilchenbeschleuniger der Welt am CERN bei Genf stellen Forscher den Urknall nach. In einem unterirdischen Tunnel mit 27 Kilometern Durchmesser prallen Teilchen mit Lichtgeschwindigkeit aufeinander.

Blick in den Teilchenbeschleuniger Large Hadron Collider (LHC): Der CMS-Detektor ist einer der sieben Teilchendetektoren. Mit Hilfe dünner Siliziumscheiben zeichnen sie auf, was nach der Teilchenkollision passiert. AFP

Blick in den Teilchenbeschleuniger Large Hadron Collider (LHC): Der CMS-Detektor ist einer der sieben Teilchendetektoren. Mit Hilfe dünner Siliziumscheiben zeichnen sie auf, was nach der Teilchenkollision passiert.

Woraus besteht das Universum? Wissenschaftler glauben: aus wenigen Teilchensorten. Aber wie beeinflussen sich die kleinsten Bauteile der Materie, die Elementarteilchen, gegenseitig? Um das erforschen, lässt man Teilchen mit hoher Geschwindigkeit aufeinander prallen. Die Reaktionsprodukte sollen Aufschluss geben über den Aufbau der Welt.

Röhrenfernseher sind die einfachsten Teilchenbeschleuniger. Elektronen werden freigesetzt und durch ein elektrisches Feld beschleunigt. Sie prallen von hinten auf den Schirm und erzeugen einen leuchtenden Punkt. Doch die Geschwindigkeit der Elektronen ist hier begrenzt. Ihre Energie ist von der Spannung des elektrischen Felds abhängig, die in einem linearen Teilchenbeschleuniger begrenzt ist.

Anders sieht es aus, wenn die Teilchen sich auf einer Kreisbahn bewegen. Am CERN bei Genf arbeitet der größte Teilchenbeschleuniger der Welt: In hundert Metern Tiefe verläuft ein kreisförmiger Tunnel mit einem stolzen Durchmesser von 27 Kilometern. Nach zehn Jahren Bauzeit ging der „Large Hadron Collider“ (LHC) 2008 in Betrieb. 10.000 Wissenschaftler aus über einhundert Staaten waren an Bau und Planung beteiligt.

Im LHC erhalten die Teilchen in jeder Runde einen Beschleunigungsschub. Mit jedem „Anschubser“ werden sie ein wenig schneller. Riesige Elektromagnete halten die Teilchen auf der Spur. Ist die gewünschte Geschwindigkeit erreicht, wird der Teilchenstrahl auf ein Ziel geschossen. Dieses „Target“ kann ein fester Körper sein oder, wie beim CERN, ein entgegenkommender Teilchenstrahl.

Wie sah die Welt kurz nach dem „Big-Bang“ aus?

Wenn die Teilchen aufeinanderprallen, sollen die Bedingungen möglichst jenen gleichkommen, die in der ersten Billionstelsekunde nach dem Urknall geherrscht haben müssen. Die Wissenschaftler wollen so einen Blick auf den Moment kurz nach dem Urknall werfen, um zu verstehen, wie Materie entstanden ist. Im Inneren des luftleeren Beschleunigerrings herrscht deshalb eine Temperatur von Minus 270 Grad. Die Teilchen werden auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Mit gewaltiger Energie prallen sie zusammen. Aus den Trümmern entstehen neue Teilchen, die in alle Richtungen auseinanderfliegen.

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Sieben Detektoren rund um den Ring zeichnen auf, welche Teilchen nach der Kollision entstehen und wie sie aufgebaut sind. Einer davon ist der größte jemals gebaute Detektor der Elementarteilchenphysik. Er soll die kleinsten bekannten Bausteine der Materie, Leptonen und Quarks, untersuchen. Das gigantische Messgerät ist 22 Meter hoch, 40 Meter lang und 7.000 Tonnen schwer. Rund 4.000 Wissenschaftler arbeiten allein an diesem Gerät.

Bei der Teilchenkollision entstehen gewaltige Datenmengen: Fünf Millionen Gigabyte, eine Datenmenge wie sie auf rund sieben Millionen CDs passt, fällt jährlich an und muss ausgewertet werden. 500 Forschungsinstitute in der ganzen Welt werten die Daten aus, immer auf der Suche nach noch unbekannten Elementarteilchen und Materiezuständen.

Das Phantom der Teilchenphysik

Jubel am CERN: Am 8. Oktober 2013 verkündete Generaldirektor Rolf-Dieter-Heuser, dass der Nobelpreis für Physik an den Briten Peter Higgs and den Belgier Francois Englert geht. dpa

Jubel am CERN: Am 8. Oktober 2013 verkündete Generaldirektor Rolf-Dieter-Heuser, dass der Nobelpreis für Physik an den Briten Peter Higgs and den Belgier Francois Englert geht.

Die Suche galt vor allem dem Higgs-Teilchen, dem letzten Elementarteilchen im Standardmodell der Teilchenphysik, das auch nach jahrzehntelanger Suche nicht experimentell nachzuweisen war. Das Teilchen ist aber essentiell, denn es verleiht laut Standardmodell den Dingen ihre Masse. Ohne Masse gäbe es keine Materie, keine Atome, keine Welt. So war es dann auch eine Sensation als am 4. Juli 2012 CERN-Generealdirektor Rolf Heuer vor Mitarbeiter und Presse trat und verkündete: „Wir haben eine Entdeckung. Wir haben ein Teilchen gefunden, das konsistent mit dem Higgs-Boson ist.“ Ein Jahr später brachte das Teilchen seinem Namensgeber, dem englischen Physiker Peter Higgs, 2013 den Nobelpreis ein. Allerdings ist bis heute nicht mit absoluter Sicherheit geklärt, ob es sich bei dem gefundenen Teilchen tatsächlich um das jahrzehntelang gesuchte Higgs-Boson handelt.

Seit Februar 2013 wird der LHC aufgerüstet: Stärkere Magneten sollen die Teilchen auf eine noch höhere Geschwindigkeit bringen. Anfang 2015 ist es soweit, dann werden am CERN wieder Elementarteilchen auf die Rennbahn geschickt, um die Fragen um den Ursprung allen Seins zu beantworten.

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