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Wer knackt die Weltformel?Urknall an der Elbe

Mit riesigen Teilchenschleudern, in denen Partikel mit enormer Wucht aufeinander-prallen und dabei Schwärme neuer Teilchen erzeugen, blicken die Physiker in den Mikrokosmos hinein. Um die Rätsel dort zu ergründen, müssen immer größere und teurere Maschinen gebaut werden.

„Der König ist tot, es lebe der König!“ Mit diesen Worten leiteten die Wissenschaftler am Europäischen Teilchenforschungszentrum CERN bei Genf am 15. Dezember 2000 eine neue Ära ein. Nach elf Jahren Forschungsarbeit wurde der Speicherring LEP (Large Electron Positron Collider) stillgelegt und der Startschuß für den Bau seines Nachfolgers, des Large Hadron Colliders (LHC), gegeben. In einem ringförmigen Tunnel von 26,7 Kilometer Länge entsteht der weltweit größte Teilchenbeschleuniger. Um Platz für den LHC zu schaffen, muß der alte Beschleuniger abgerissen werden, denn die neue Teilchenschleuder wird in derselben unterirdischen Röhre gebaut.

Im April 2006 soll der LHC seine Arbeit aufnehmen. In einem supraleitenden Speicherring werden dann zwei gegenläufig beschleunigte Protonenstrahlen aufeinanderzurasen. Prallen an den Kreuzungspunkten im Inneren der vier Detektoren die Protonen aufeinander, zertrümmern sie sich gegenseitig und zerspringen in eine Vielzahl von Bruchstücken, die Aufschluß über die Grundfragen der Physik bringen sollen. So vermuten die Teilchenphysiker, daß sich aus dem hochenergetischen Kuddelmuddel von Masse und Energie bei der Kollision unter anderem das Higgs-Teilchen zweifelsfrei herauskristallisieren läßt. Es soll Auskunft darüber geben, wie Masse entsteht. Bisher hat die Energie der bestehenden Beschleuniger offenbar nicht ausgereicht, um dieses Teilchen zu erzeugen. Da aber im LHC die Protonen mit einer Energie von 14 TeV (Tera-Elektronenvolt, Billionen Elektronenvolt) rund siebenmal so heftig kollidieren werden wie in früheren Anlagen, ist die Hoffnung groß, dort endlich fündig zu werden.

Schon am LEP hatten die Forscher in den letzten Monaten seines Betriebs – Ende 2000 – Hinweise auf das lang ersehnte Higgs-Teilchen gefunden. Deshalb war das Ende von LEP trotz aller Vorfreude auf die neue Anlage von einer gewissen Tragik überschattet. Noch ein weiteres Jahr hätte man gebraucht, um herauszufinden, ob es sich dabei nur um statistische Schwankungen oder um echte Resultate handelte. Die Mehrheit der Wissenschaftler am CERN entschied sich jedoch gegen eine Programmänderung. CERN-Generaldirektor Prof. Luciano Maiani waren die Meßdaten schlicht nicht stichhaltig genug.

Die technische Herausforderung beim Bau des Large Hadron Colliders ist gewaltig: 26,7 Kilometer lange supraleitende Präzisions-Strukturen zu bauen, ist nicht nur für die Industrie neu. Auch die vier Detektoren – jeder so riesig wie ein vierstöckiges Haus – sind größer und komplizierter als alles, was man bisher auf diesem Gebiet kennt. Dazu kommt die Aufgabe, aus der Menge der Informationen, die in dem Speicherring anfallen, die wirklich wichtigen herauszufiltern: „Die Datenflut, die beim Betrieb des LHC pro Sekunde entsteht, entspricht etwa der Menge an Daten, die alle Menschen der Welt produzieren würden, wenn sie zehn Telefongespräche gleichzeitig führten“, erklärt Prof. Siegfried Bethke, Leiter des Max-Planck-Instituts für Physik in Garching bei München.

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Kein Wunder, daß derartige Anlagen sehr teuer sind: Der LHC dürfte um die drei Milliarden Mark Investitionskosten verschlingen. Er war nur unter großen Anstrengungen politisch durchsetzbar. Vor allem die Amerikaner zeigten sich zurückhaltend, hatten sie doch 1993 mit ihren eigenen Plänen ein Debakel erlebt: Der größte Ringbeschleuniger der Welt, der Superconducting Super Collider (SSC), sollte für rund 18 Milliarden Mark in Waxahachi südlich von Dallas in Texas gebaut werden. Dort waren bereits 20 der geplanten 87 Kilometer Tunnel gegraben, Prototypen der wichtigsten Komponenten, vor allem der supraleitenden Magnetspulen, gebaut und getestet, und mehr als 2000 Mitarbeiter hatten an dem Projekt mitgearbeitet, als Ende Oktober 1993 der US-Kongreß die Gelder strich. Das Projekt wurde abgebrochen, unter großen finanziellen Verlusten.

Am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg, wo rund 1400 Spezialisten zusammen mit 3400 Gastforschern Teilchenphysik betreiben, hat man begriffen, daß man umdenken muß. „Der Widerstand der Öffentlichkeit gegen die Finanzierung von kostspieligen Forschungseinrichtungen wird immer größer“, erkannte der inzwischen verstorbene frühere wissenschaftliche Direktor Prof. Bjørn H. Wiik. Der Hauptgrund ist, daß große Beschleuniger und Speicherringe bisher als teure Spielzeuge der Physiker galten, die zwar einen Fortschritt in der wissenschaftlichen Erkenntnis, aber kaum praktischen Nutzen bringen. Bei der Zukunftsplanung suchten Wiik und seine Kollegen deshalb nach einer Verbindung von Grundlagen- und angewandter Forschung und fanden sie in Form des sogenannten TESLA-Projekts. Der Name steht für „TeV-Energy Superconducting Linear Accelerator“ , auf deutsch „supraleitender Linearbeschleuniger für Tera-Elektronenvolt-Energien“.

Das Projekt sieht vor, einen Teilchenbeschleuniger mit Zusatzeinrichtungen zu kombinieren, die ihn gleichzeitig zu einem riesigen Röntgenlaser machen. Ein genialer Plan: Teilchenforscher könnten hier Elektronen und ihre Antiteilchen, die Positronen, beschleunigen und aufeinanderprallen lassen, und Biologen, Mediziner und Materialforscher könnten die in dem Beschleuniger auf fast Lichtgeschwindigkeit gebrachten Elektronen als Röntgenquelle nutzen, um Atome und Moleküle zu durchleuchten. Der Bedarf ist da, denn gewöhnliches Licht ist viel zu grob, um die winzigen Strukturen zu erhellen. Die Anlage – falls sie gebaut werden sollte – wird also zugleich Forschungsinstrument und Dienstleistungsunternehmen sein. „TESLA wird innovativen Unternehmen ebenso offen stehen wie der reinen Grundlagenforschung“, freut sich DESY-Chef Prof. Albrecht Wagner. Interessenten gibt es bereits.

Kernstück des geplanten Komplexes ist ein 33 Kilometer langer unterirdischer Teilchenbeschleuniger, der nicht wie der bisherige CERN-Speicherring LEP oder dessen Nachfolger LHC kreisrund ist, sondern kerzengerade vom Forschungszentrum nahe dem Hamburger Volksparkstadion zwölf Meter tief unter der Erde bis nach Schleswig-Holstein hineinreichen soll.

Linearbeschleuniger wie TESLA sind eine ideale Ergänzung zu kreisförmigen Anlagen. Ringbeschleuniger arbeiten mit Protonen, denen wegen ihrer großen Masse eine sehr hohe kinetische Energie mitgegeben werden kann. Bei Kollisionen können aus dieser Energie sehr massereiche Partikel entstehen. Der Nachteil: Da die dicken Protonen selbst aus mehreren Quarks aufgebaut sind, spratzt beim Zusammenstoß eine Vielzahl von Bruchstücken nach allen Seiten weg. Dies erschwert präzise Messungen der Eigenschaften der neu erzeugten Teilchen. In Linearbeschleunigern dagegen rauschen punktförmige Elektronen und ihre Antiteilchen aufeinander. Die beiden Teilchen vernichten sich gegenseitig und verwandeln sich vollständig in einen Strahlungsblitz. Aus diesem entstehen erst unmittelbar danach neue Teilchen. Da man so die Anfangsbedingungen bei der Geburt der neuen Partikel ganz genau kennt, ist das Ergebnis viel einfacher zu interpretieren als bei Protonenstößen. „Sobald wir Materieteilchen in einem Beschleuniger genügend Energie geben, verhalten sie sich wie zu den frühen Zeiten des heißen Universums kurz nach dem Urknall“, erklärt Albrecht Wagner. „Wir können also die Entwicklungsgeschichte des Universums mit Hilfe solcher Teilchenbeschleuniger simulieren“ – ein Urknall an der Elbe sozusagen.

Wagner und seine Kollegen hoffen, dabei eine grundsätzlich neue Teilchenklasse zu entdecken: supersymmetrische Partikel, die man als theoretische Spiegelpartner der „normalen“ Teilchen ansehen kann. Sollte das gelingen, könnten die Experimentalphysiker damit beweisen, daß die Theoretiker recht haben, die seit Jahren die Existenz derartiger Teilchen vorhersagen. Für die Physik wäre das ein sensationeller Fortschritt.

Billig wird – trotz des Umdenkens – auch TESLA nicht. Das Projekt ist auf 7,6 Milliarden Mark veranschlagt, verteilt über zehn Jahre. Aber zumindest ein Teil der Kosten könnte durch seine praktische Nutzung gemildert werden. Noch nie gab es auf der Welt einen Röntgenlaser, der eine auch nur annähernd so intensive Strahlung in so kurzen Impulsen ausgesandt hätte. Weniger als eine billionstel Sekunde dauern die TESLA-Blitze, aber sie werden mehr als ein milliardemal stärker sein als die besten Röntgenquellen heute. „Weil die Röntgenblitze so kurz sind, kann man mit ihnen in sehr rascher Folge einzelne Momentaufnahmen machen und wie in einem Film chemische und physikalische Prozesse in ihrem zeitlichen Ablauf verfolgen“, erläutert Prof. Gerhard Materlik vom Röntgenlabor HASYLAB des DESY. „Vor allem die Biologen sind an dem neuen Werkzeug interessiert. Es gibt ihnen die Möglichkeit, komplizierte organische Verbindungen zu durchleuchten und zu untersuchen, wie sie an andere Moleküle andocken. So könnten beispielsweise neue Medikamente entwickelt werden.“

Erzeugt werden die Röntgenstrahlen dadurch, daß man die beschleunigten Elektronenpakete durch eine Anordnung alternierender Magnete, einen sogenannten Undulator, auf eine Slalombahn zwingt. Dabei geben die Elektronen Synchrotronstrahlung im Gleichtakt ab und erzeugen extrem gleichmäßige, gebündelte Röntgenimpulse, ähnlich wie Licht in einem Laser.

Das Konzept von TESLA liegt seit März dieses Jahres vor. Nun wird es zwei Jahre lang geprüft. Die Bundesregierung wird dann entscheiden, ob sie das Projekt realisieren will. Im Fall einer positiven Entscheidung im Jahr 2003 könnte TESLA acht Jahre später mit der Arbeit beginnen.

Kompakt

• Im Frühjahr 2006 soll der Large Hadron Collider am europäischen Teilchenforschungszentrum CERN bei Genf in

Betrieb gehen und nach bisher unentdeckten Teilchen suchen.

• Im Visier der Teilchenjäger sind vor allem das Higgs-Partikel und die geheimnisvollen supersymmetrischen Partner, die alle bekannten Elementarteilchen besitzen könnten.

• Der größte Linearbeschleuniger der Welt soll bei Hamburg entstehen. Er dient zugleich als Röntgenlaser, an dem auch Biologen, Materialforscher und Mediziner arbeiten können.

Brigitte Röthlein

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