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Astronomie|Physik Geschichte|Archäologie Gesellschaft|Psychologie

DIE WELTMASCHINE KOMMT AUF TOUREN

Der leistungsfähigste Teilchenbeschleuniger aller Zeiten hat das Standardmodell der Elementarteilchenphysik neu durchleuchtet. Nun sucht er nach dem letzten noch fehlenden Baustein: dem Higgs-Teilchen.

Die wenigsten Touristen, die das Alpenpanorama am Genfer See genießen, ahnen, wie hitzig es nur wenige Kilometer entfernt zugeht: 100 000 Mal heißer als im Zentrum der Sonne. Wenn auch nur punktuell, so doch Schlag auf Schlag. Denn hier, an der Grenze zwischen der Schweiz und Frankreich, rasen Protonen so schnell wie nirgendwo sonst auf der Erde im Kreis: nur wenige Meter pro Sekunde langsamer als das Licht. Immer wieder stoßen sie an ausgewählten Kreuzungspunkten der beiden gegenläufigen Strahlen zusammen und vernichten sich in einem Mini-Urknall. Dabei entstehen zwar keine neuen Universen, doch die physikalischen Bedingungen sind so, wie sie zuletzt weniger als eine Milliardstel Sekunde nach dem Urknall herrschten – freilich überall im Weltraum. Heute, 13,7 Milliarden Jahre später, bedarf es eines gigantischen technischen Aufwands, um dieses Partikel- und Energiegewitter wieder zu entfesseln.

Ort des Geschehens ist der leistungsfähigste und mit 27 Kilometer Umfang auch größte Teilchenbeschleuniger der Welt: der Large Hadron Collider (LHC). Das technologische Flaggschiff des CERN ist das größte und komplexeste Gerät, das Menschen je gebaut haben (bild der wissenschaft 9/2007, „Urknall auf Erden“). CERN steht für „Europäische Organisation für Kernforschung“ (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) – doch auf der Agenda des weltweit einzigartigen Laboratoriums für Hochenergie-Teilchenphysik sind inzwischen nicht mehr die Kerne der Atome, sondern ihre kleinsten Bestandteile, die Elementarteilchen. Besonders heiß ist gegenwärtig die Jagd nach dem ominösen Higgs-Teilchen, das anderen Partikeln ihre Masse verleiht. Womöglich steht seine Entdeckung kurz bevor. Denn das CERN-Glanzstück, der LHC, läuft seit nunmehr zwei Jahren tadellos. Mehr noch: Er hat alle Erwartungen übertroffen, wie CERN-Generaldirektor Rolf-Dieter Heuer im Interview mit bild der wissenschaft betont (ab Seite 61).

40 Jahre TEILCHEN-Theorie bestätigt

Dank der fast 1015 Teilchen-Kollisionen 2010 und 2011 haben die riesigen Detektoren am LHC – der größte besitzt das Ausmaß eines Wohnblocks – inzwischen eine gigantische Datenmenge aufgezeichnet. „Die Daten sind sehr robust und stimmen mit den Voraussagen des Standardmodells der Elementarteilchen äußerst gut überein“, sagt Thomas Müller vom Institut für Experimentelle Kernphysik der Universität Karlsruhe. Der Physik-Professor ist einer von vielen Tausend Wissenschaftlern in aller Welt, die mit dem LHC die Bausteine des Mikrokosmos ergründen. Diese internationale Anstrengung und Kooperation macht den LHC zu einer echten Weltmaschine – und was die Welt im Innersten zusammenhält, das soll er auch genauer erkunden, als es jemals zuvor möglich war.

Der mikrokosmische Bauplan wird vom Standardmodell der Elementarteilchen beschrieben, das in den letzten 40 Jahren in der Theorie ausgearbeitet und experimentell Schritt für Schritt bestätigt wurde. Ihm zufolge ist die bekannte Materie aus Quarks und Leptonen aufgebaut. Es gibt sechs verschiedene Quarks (darunter die up- und down-Quarks, aus denen die Protonen und Neutronen bestehen) und sechs verschiedene Leptonen (etwa die Elektronen) sowie die dazu gleichsam spiegelverkehrten Antiteilchen. Hinzu kommen die Bosonen: das Photon, die W- und Z-Bosonen sowie acht verschiedene Gluonen. Sie übertragen die elektromagnetische Kraft sowie die schwache und starke Kernkraft im Atominneren.

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„Der LHC hat schon fast das gesamte Standardmodell bestätigt und präzise vermessen“, sagt Müller. Mit anderen Worten: Ein Großteil der Elementarteilchenphysik der letzten vier Jahrzehnte wurde am LHC quasi im Schnelldurchlauf nachvollzogen. Eine erste Glanzleistung des LHC ist die Erzeugung und Charakterisierung des top-Quarks. Dieses kurzlebige schwerste Quark, das 1995 am Teilchenbeschleuniger Tevatron des Fermilab bei Chicago entdeckt wurde – auch Müller war daran beteiligt –, hat der LHC erstmals außerhalb der USA produziert, und er hat dessen Eigenschaften inzwischen gut vermessen. „Mittlerweile haben wir bereits zehnmal so viele top-Quarks erzeugt wie am Tevatron“, sagt Müller.

Das Tevatron war bis zum 30. November 2010 der Rekordhalter der Teilchenphysiker. Dann wurde seine Kollisionsenergie von zuletzt 0,98 Teraelektronenvolt (1012 Elektronenvolt) vom LHC übertrumpft. Ein Teraelektronenvolt entspricht ungefähr der Bewegungsenergie einer Mücke – allerdings ist ein Proton nur ein Billionstel so groß wie eine Mücke. Am 30. September 2011 wurde das Tevatron nach 28 erfolgreichen Betriebsjahren abgeschaltet, da der LHC nun wesentlich leistungsfähiger ist. Damit hat Europa die Führung der Teilchenphysik übernommen – freilich sind auch viele US-Forscher am LHC beteiligt.

Keine Erkenntnis auf Knopfdruck

Dass der LHC trotz seiner exzellenten Leistungen noch keine nobelpreiswürdigen Erkenntnisse gewonnen hat, ist nicht verwunderlich: Einen Teilchenbeschleuniger kann man nicht einfach einschalten und bekommt dann auf Knopfdruck ein Ergebnis. Die Hochenergie-Teilchenphysik ist eine mühselige und zeitaufwendige Angelegenheit. Nicht nur müssen die Teilchenströme genau justiert und die Detektoren geeicht sowie getestet und – mithilfe aufwendiger Computersimulationen – verstanden, aber auch immer wieder gewartet und verbessert werden. Hinzu kommt die riesige Datenmenge, deren Auswertung eine Kunst für sich ist. Eine weitere Schwierigkeit ist, dass in der Hochenergie-Teilchenphysik eine einzelne Beobachtung in der Regel kein Gewicht hat. Denn es gibt eine Unmenge von Fehlerquellen, etwa durch Zufallsereignisse in den Detektoren und durch den Einfluss radioaktiver und kosmischer Strahlen. Außerdem vollziehen sich die komplexen Reaktionen, Produktionen und Zerfälle der Partikel immer nur mit gewissen Wahrscheinlichkeiten. Doch gegen diese Unwägbarkeiten gibt es ein Patentrezept: Kontrolle und Statistik.

Die Kontrolle erfolgt durch die separaten Messungen und Analysen mehrerer unabhängiger Experimente – im LHC sind das die verschiedenen Detektoranlagen. Und die Statistik gewinnt man durch die Analyse großer Datenmengen. Dabei legen Teilchenphysiker die Messlatte sehr hoch: Um etwas als „ Entdeckung“ zu klassifizieren, muss das Signal stärker sein als eine mögliche Fluktuation des Untergrunds um fünf Standardabweichungen. Anders ausgedrückt: Die Wahrscheinlichkeit dafür, dass die Messungen nur zufällig sind, beträgt lediglich 0,000057 Prozent. Diese Rigorosität hat sich bewährt, denn immer wieder sorgten vermeintliche Resultate in der Teilchenphysik für Schlagzeilen, die sich später nicht erhärten ließen. So wurden im April 2011 in einem Detektor am Tevatron Ereignisse gemessen, die manche Forscher und Massenmedien schon als Sensation ansahen – als Hinweis auf eine fünfte Naturkraft oder ein neues Teilchen. Doch wenige Wochen später war das Phänomen bloß noch Schall und Rauch.

Fünf Sigma Standardabweichung wird auch das Maß für das Higgs-Teilchen sein. Es ist der letzte noch fehlende Baustein im Standardmodell der Elementarteilchen, nach dem Physiker nun schon seit Jahrzehnten suchen – und ein besonders wichtiger, denn er verleiht den anderen Partikeln ihre Masse. Das macht das Higgs-Teilchen fast schon zu einem „Heiligen Gral“ der Elementarteilchenphysik. Postuliert wurde dieses fundamentale, elektrisch ungeladene schwere Teilchen 1964 aus rein theoretischen Gründen von dem schottischen Physiker Peter Higgs – und unabhängig von ihm auch von fünf weiteren Wissenschaftlern. Ähnlich wie das Photon das elektromagnetische Feld konstituiert, bildet das Higgs-Teilchen das Higgs-Feld, das den gesamten Raum erfüllt.

WANDERER IM SCHNEE

Der britische Physiker John Ellis, langjähriger Leiter der Theorie-Abteilung am CERN, hat das Higgs-Feld mit einer glatten, unberührten Schneefläche in der winterlichen arktischen Tundra verglichen. Könnte man mit Skiern über sie flitzen, ohne einen Abdruck zu hinterlassen, wäre das wie wenn ein masseloses Teilchen, etwa ein Photon, lichtschnell durchs Higgs-Feld saust, mit dem es nicht interagiert. Langsame Teilchen wie Quarks und Elektronen dagegen stehen mit dem Feld in Wechselwirkung und gewinnen dadurch erst ihre Masse – vergleichbar mit einem Wanderer, der mit seinen Stiefeln tief in den Schnee einsinkt. „ In dieser Analogie sind die einzelnen Schneeflocken die Higgs-Teilchen“, sagt Ellis. „Eine wichtige Frage ist, ob es nur ein Art von Higgs-Teilchen gibt oder mehrere verschiedene, und ob diese elementar sind oder sich aus fundamentaleren Bestandteilen zusammensetzen wie eine Schneeflocke aus Eiskristallen.“

Dem Standardmodell zufolge muss das Higgs-Teilchen elementar sein und im Energiebereich des LHC liegen. „Alles weist auf eine leichte Higgs-Masse hin“, sagt Thomas Müller. Wie Rolf-Dieter Heuer ist er deshalb überzeugt, dass eine Entdeckung nur noch eine Frage der Zeit ist: „2012 ist das Higgs-Jahr!“ Denn Ende 2012 werden, wenn nichts dazwischen kommt, die Messungen ausreichen, um das Higgs-Teilchen des Standardmodells eindeutig nachzuweisen. Natürlich nur, wenn es existiert. Doch auch eine Widerlegung wäre möglich. Dann käme das Standardmodell in ernste Schwierigkeiten, und die Physiker müssten ihre lieb gewonnene Theorie grundsätzlich überdenken. Insofern wäre das sogar die spannendere Alternative, denn damit hätten sie nach Jahrzehnten, in denen es immer neue Bestätigungen gab, endlich wieder etwas Unerwartetes entdeckt. So oder so ist es daher eine „ Win-win-Situation“, wie sie in dieser Tragweite nur sehr selten in der Wissenschaft vorkommt, denn der LHC kann definitiv zwischen zwei Alternativen entscheiden („Experimentum Crucis“ ).

Es wird eng für das Higgs

Die momentan besten Higgs-Grenzwerte sind Mitte November 2011 auf der „Hadron Collider Physics“-Konferenz in Paris vorgestellt worden – erstmals als Kombination der ATLAS- und CMS-Ergebnisse, sodass eine doppelte Zahl von Kollisionen in die Rechnungen einging. Werden auch die Daten vom Tevatron und vom Large Electron-Positron Collider (LEP), dem Vorgänger im LHC-Tunnel, berücksichtigt, dann gilt ziemlich sicher: Wenn das Higgs-Teilchen existiert, muss seine Masse zwischen 114 und 141 Gigaelektronenvolt betragen – oder mehr als 480 GeV, was aber schwer mit dem Standardmodell-Higgs zu vereinbaren wäre. (Gemäß Albert Einsteins Formel E = mc² sind Masse und Energie nur zwei Seiten einer Medaille, und daher werden Teilchenmassen auch oft in der Einheit Elektronenvolt angegeben.) Zum Vergleich: Das Proton, das aus zwei up-Quarks und einem down-Quark besteht, hat eine Masse von knapp 1 GeV, das top-Quark „wiegt“ dagegen 173 GeV.

„Durch die Kombination beider Experimente ist bereits ein weiter Bereich möglicher Higgs-Massen ausgeschlossen worden – deutlicher als durch ATLAS oder CMS allein“, sagt Ken Bloom von der University of Nebraska-Lincoln, der zum CMS-Team gehört. „Die Auswertung dauerte mehrere Monate und erforderte viel Koordination. Jedes Team musste die Messungen des anderen im Detail verstehen, damit die Daten richtig kombiniert werden konnten.“

Konkurrenz und Kontrolle

Dieser Aufwand ist nötig, denn letztlich wird man das Higgs-Teilchen nur durch die gegenseitige Kontrolle und wechselseitige Kombination von ATLAS und CMS finden können. „ Wissenschaft braucht Konkurrenz und eine unabhängige Bestätigung“ , betont Thomas Müller, der zum CMS-Team gehört. Wie die meisten seiner Kollegen ist er überzeugt, dass das Higgs-Teilchen existiert und hat sogar Wetten darauf laufen. „Wenn allerdings nur ein Detektor das Higgs-Teilchen fände, der andere aber nicht, dann hätten wir ein Problem“, meint Müller. Deshalb ist es wichtig, dass die einzelnen Detektor-Teams ihre Daten zunächst unabhängig voneinander auswerten, um sich nicht zu beeinflussen. Andererseits sollte auch niemand vorpreschen, obwohl eine gewisse Konkurrenzsituation besteht. „Es kommt auf eine Balance an zwischen der Eigenständigkeit der Experimente sowie der Forschergruppen einerseits und der Notwendigkeit andererseits, das Labor so zu führen, dass es keine negativen Schlagzeilen macht“, sagt Rolf-Dieter Heuer. „Also weder Zensur noch zu große Freizügigkeit. Es gibt klare Absprachen zwischen den Leitern der Forschergruppen und dem CERN-Management: Wer etwas Spannendes entdeckt, kommt zuerst zu uns, damit wir Bescheid wissen, uns vorbereiten und Fragen stellen können und vor allem die Möglichkeit haben, zu dem konkurrierenden Experiment Kontakt aufzunehmen, um zu sehen, ob dort auch etwas gefunden wurde. Da haben wir klare Regeln, und das hat sich bisher auch gut bewährt.“

Dies gilt natürlich nicht nur für die Higgs-Suche, sondern auch für alle anderen Entdeckungen. Die Theoretiker haben eine lange Liste von mehr oder weniger exotischen Hypothesen, die der LHC testen wird. Ganz oben steht das Prinzip der Supersymmetrie (SUSY), die für eine Vereinheitlichung der Naturkräfte wichtig wäre, die Dunkle Materie erklären und einige offene Fragen des Standardmodells beantworten könnte (bild der wissenschaft 5/2004, „SUSY, Higgs und Technicolor“). SUSY postuliert zu jedem bekannten Teilchen ein supersymmetrisches Pendant. Davon haben die LHC-Detektoren allerdings noch nichts bemerkt.

SUSY kommt erst später

„Es gibt natürlich Forscher, die voller Euphorie waren und dachten, die Supersymmetrie wäre direkt um die Ecke. Die waren schon etwas enttäuscht. Aber die Supersymmetrie ist ein weites Feld, da gibt es eine Menge unterschiedlicher Modelle, einen riesigen Parameterbereich. Etliche werden jetzt nach und nach ausgeschlossen“, sagt Heuer, betont aber auch, er sei zuversichtlich, weil es noch genug Modelle gäbe und man einfach mehr Daten brauche. „Da ist noch vieles möglich. Allerdings wohl erst nach meiner Amtszeit. Doch es geht nach der Natur und nicht nach der Amtszeit des Generaldirektors.“ Thomas Müller sieht es ähnlich: „SUSY ist eine ernsthafte und gute Idee – nicht nur ein Modell, sondern eine handfeste Theorie.“ Er schätzt ihren Stellenwert weit höher ein als etwa den von Spekulationen über zusätzliche Raumdimensionen oder über eine Quark-Unterstruktur.

Die LHC-Resultate werden nicht nur den Wissensstand der Teilchenphysiker beträchtlich erweitern, sondern auch die künftige Forschungsrichtung prägen: Von den Ergebnissen, besonders zum Higgs-Teilchen, wird es abhängen, wie es an der Beschleuniger-Front weitergeht. Das betrifft zum einen den LHC selbst. Am CERN werden bereits Pläne geschmiedet, ihn nach 2020 aufzurüsten, um seine Energie zu verdoppeln oder seine Strahlintensität zu verzehnfachen und die Detektoren zu verfeinern und zu erweitern.

Doch auch das Schicksal und Design des nächsten Riesenbeschleunigers hängt davon ab, ob und bei welcher Masse das Higgs-Boson gefunden wird. Der LHC ist eine Entdeckungsmaschine. Sein Nachfolger wird dagegen zunächst das Ziel haben, die LHC-Funde präzise auszumessen – also beispielsweise die Eigenschaften des Higgs-Teilchens genauer zu charakterisieren. Dafür sind Protonen-Collider nicht gut geeignet, weil Protonen eine komplizierte Binnenstruktur haben und bei ihren Kollisionen viele unübersichtliche Reaktionen stattfinden. Der LHC-Nachfolger wird deshalb Elektronen auf Positronen schießen. Diese Teilchen haben – so weit man heute experimentell überprüfen kann – keine Unterstruktur und bringen die gesamte Energie „auf den Punkt“. Die Signale des Mikrokosmos aus diesem reinen Energiepunkt sind sehr viel leichter zu deuten. Entsprechende Energiedichten lassen sich nur mit ausgedehnten Linearbeschleunigern realisieren, weil fast lichtschnelle Elektronen auf Kreisbahnen ihre Energie sehr schnell abstrahlen würden. So wird am CERN gegenwärtig ein Konzept für einen Beschleuniger namens CLIC (Compact Linear Collider) entwickelt.

30 Kilometer LANGE Rennstrecke

Der ausgereifteste Plan einer solchen Anlage ist der des Internationalen Linearbeschleunigers (ILC). Dieses 2004 vom International Technology Recommendation Panel ausgewählte Konzept beruht auf den Plänen des Teraelectronvolt Energy Superconducting Linear Accelerator TESLA, dessen Bau bereits 2001 vorgeschlagen wurde und der aus Kostengründen auf eine internationale Basis gestellt werden sollte. Supraleitende Hochfrequenzresonatoren sollen dort die Elektronen beschleunigen. Diese Spitzentechnologie wurde für TESLA bis zur Anwendungsreife entwickelt. Mehr noch: In einer abgespeckten Form existiert sie bereits im Testbeschleuniger FLASH und wird im Röntgenlaser European XFEL (X-Ray Free-Electron Laser) zum Einsatz kommen. Dieser wird zurzeit am Deutschen Elektronensynchrotron (DESY) in Hamburg gebaut und soll 2014 fertiggestellt sein.

„Obwohl bei XFEL die Elektronen nur auf 17 Gigaelektronenvolt beschleunigt werden, ist es die gleiche Technologie wie beim ILC, für den wir 500 oder vielleicht sogar 1000 GeV Schwerpunktsenergie anpeilen“, sagt Eckhard Elsen. Der Physiker arbeitet mit seinen Kollegen am DESY und in vielen anderen Institutionen mit Hochdruck am ILC-Design. „2012 werden wir den technischen Bericht vorlegen, dann könnte der ILC aus wissenschaftlicher Sicht gebaut werden.“ Die nötige Investition: rund sechs Milliarden Euro. Die beiden Elektronenrennbahnen, die als Beschleunigungsstrecke notwendig sind, wären zusammen rund 30 Kilometer lang. Dagegen ist der bislang leistungsfähigste Linearbeschleuniger am SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) in Kalifornien mit seinen drei Kilometern ein Winzling. Mit einer Schwerpunktsenergie von etwa 91 GeV ist er zu schwach für Higgs-Studien. „Je nach Higgs-Masse könn-te zuerst auch eine kleine ILC-Version bis300 GeV genügen“, sagt Elsen. „Dann würde ein kürzerer Beschleuniger ausreichen, der sich später an den Enden verlängern ließe.“ Als Standort ist Japan im Gespräch und in Europa CERN. Am CERN könnte der ILC sogar mit dem LHC kooperieren. „Würde man den ILC tangential an den LHC bauen, hätten wir eine eierlegende Wollmilchsau für die Hochenergiephysik und könnten dann auch Elektronen auf Protonen schießen“, sagt Elsen.

Wie die Ernte aussehen wird, die der LHC und seine Nachfolger in naher und fernerer Zukunft einfahren, ist natürlich ungewiss. Doch die harte Arbeit hat sich auf jeden Fall schon heute gelohnt: „Es ist eine großartige Erfahrung, dabei zu sein – gerade auch für junge Physikerinnen und Physiker“, sagt Thomas Müller. „Für guten wissenschaftlichen Nachwuchs wirkt der LHC wie ein Kristallisationskeim. Auch wenn später nur etwa fünf Prozent jener, die hier ihre Doktorarbeit machen, eine feste Anstellung in der Elementarteilchenforschung bekommen, werden alle, die wir hier in Karlsruhe und anderswo ausbilden, ihre Kompetenzen irgendwo einbringen können, etwa in der Industrie. Der Nachwuchs ist unser größ-ter Erfolg.“ ■

von Rüdiger Vaas

„2012 finden wir das Higgs-Teilchen“

Rolf-Dieter Heuer

ist seit 1. Januar 2009 Generaldirektor des CERN, nach Herwig Schopper (1981 bis 1988) ist er der zweite Deutsche auf dieser Position. Heuer wurde 1948 in Boll bei Göppingen geboren, studierte an der Universität Stuttgart Physik und promovierte in Heidelberg. Er forschte am Deutschen Elektronensynchrotron DESY und ab 1984 am CERN, unter anderem als Leiter und Sprecher des OPAL-Experiments (Omni Purpose Apparatus at LEP) am Large Electron Positron Collider. 1998 folgte er dem Ruf auf eine Physik-Professur an die Universität Hamburg und kehrte zum DESY zurück, wo er von 2004 bis 2008 als Forschungsdirektor für Teilchenphysik wirkte.

bild der wissenschaft: Herr Professor Heuer, im März 2011 sagten Sie auf einer Konferenz, dass der Large Hadron Collider 2012 das Higgs-Teilchen finden wird, falls es existiert. Ist das immer noch Ihre Meinung?

Rolf-Dieter Heuer: Ja, dazu stehe ich. Ende 2012 werden wir die Shakespeare-Frage nach dem Higgs-Teilchen – Sein oder Nichtsein? – beantworten können. Die Protonen-Kollisionen im LHC sind 2011 hervorragend gelaufen. Wir konnten fünfmal mehr Kollisionen erzeugen und auswerten, als Anfang 2011 erwartet. Deshalb bin ich sicher, dass wir das vom Standardmodell der Elementarteilchen vorausgesagte Higgs-Teilchen finden werden – oder aber seine Existenz ausschließen können. Beides – nicht nur der Nachweis – wäre eine wichtige Erkenntnis. Auch eine Widerlegung wäre eine große Entdeckung, denn dann hätten wir ein riesiges Loch im Standardmodell gefunden.

Um die Higgs-Suche zu forcieren, haben Sie sogar den LHC-Ablaufplan geändert und die lange Wartungsphase verschoben.

Das haben wir Anfang 2011 beschlossen, weil wir gesehen haben, dass die Maschine und die Experimente sehr gut liefen. Der LHC und seine Detektoren waren in einem Zustand, wie ich es nie erwartet hätte, so kurz nach der Inbetriebnahme – mit hoher Effizienz und sehr guter Eichung. Dadurch war die Chance einer Entdeckung des Higgs-Teilchens sehr stark gestiegen.

Sehen Sie schon erste Anzeichen für das Higgs-Teilchen?

Als Entdeckung bezeichnen wir ein Ergebnis mit einer statistischen Signifikanz von fünf Sigma, also 99,99994 Prozent Wahrscheinlichkeit. Um das Higgs-Teilchen damit im unteren Massenbereich zwischen 114 und 130 Gigaelektronenvolt nachzuweisen, brauchen wir eine größere Datenmenge, als wir sie bisher haben. Die jetzige reicht bei Weitem nicht aus! Man muss da sehr vorsichtig sein: Wir haben in der Teilchenphysik schon so viele Effekte kommen und gehen sehen, da geht nichts ohne ein signifikantes Signal – und zwar von beiden Detektoren: ATLAS und CMS. Ein Einzeler- gebnis ist schön, aber wir brauchen seine Bestätigung durch das andere Experiment. Wenn es 2012 so läuft wie 2011, dann sollte das ohne Weiteres möglich sein. Dann sollten wir relativ leicht die zusätzlichen Messdaten bekommen, die wir noch brauchen.

In welchem Massebereich vermuten Sie das Higgs-Teilchen?

Die untere Grenze stammt noch vom Large Electron Positron Collider am CERN und liegt bei 114 Gigaelektronenvolt. Eine obere Grenze durch die jetzigen LHC-Messungen beträgt etwa 140 Gigaelektronenvolt. In diesem Bereich, zwischen 114 und 140 GEV, wäre ein leichtes Standardmodell-Higgs also wohl angesiedelt.

Haben Sie Angst, dass die Auswertung der Daten vom Tevatron- Beschleuniger am Fermilab in den USA Ihnen das Higgs noch wegschnappt?

Nein. Wir sind jetzt schon so weit in der Statistik der LHC-Experimente, dass das Tevatron fast keine Rolle mehr spielt. Für den niedrigen Massebereich bei 114 Gigaelektronenvolt liefert das Tevatron noch einen Beitrag. Aber es kann mit Sicherheit keine Entdeckung mehr machen.

Wie gehen Sie mit Gerüchten zu angeblichen Funden um, die immer wieder laut werden?

Ich muss sie hinnehmen, denn sie lassen sich nicht vermeiden. Es ist einerseits schade, weil man reagieren muss, statt zu agieren. Andererseits gefällt es mir, wenn die Teilchenphysik im Gespräch ist – denn das zeigt, dass sich viele dafür interessieren. Aber wir haben eine klare Politik: Was nicht in einer offiziellen Pressemit- teilung vom CERN verkündet wird, ist und bleibt ein Gerücht.

Wie lange hinkt die Datenauswertung den Messungen hinterher?

Es geht erstaunlich schnell, zumindest für die vielversprechendsten Zerfallskanäle. Bei den großen Physik-Konferenzen werden oft Daten vorgestellt, die erst eine Woche oder zwei Wochen alt sind. Das berücksichtigen wir auch bei der Festlegung kurzer Wartungsphasen, in denen nicht gemessen wird. Allerdings werden die Auswertungen tendenziell immer länger, je mehr Daten wir haben. Auch frühere Messungen werden neu ausgewertet.

Wenn der LHC etwas ganz Spezielles messen würde, etwa ein verdampfendes Schwarzes Miniloch, würde man das sofort sehen?

Ja, das hat eine klare Signatur. Doch auch für jede klare Signatur gibt es eine gewisse Wahrscheinlichkeit, ein Zufallsereignis zu sein. Eine Schwalbe macht noch keinen Sommer! Man braucht genügend Daten. Doch, ja, eine Schwalbe würde man relativ schnell bemerken – und dann müsste man schauen, ob sie auch Partner hat.

Wie geht es weiter am LHC?

Nach den Kollisionen der Blei-Atomkerne im November und Dezember 2011 müssen wir dringende Wartungsarbeiten vornehmen. Kein Beschleuniger läuft zwölf Monate am Stück. Im März wird der LHC wieder angeschaltet. Dann folgen erneut Protonen-Kollisionen, ähnlich lange wie in diesem Jahr. Und Ende 2012 werden nochmals Blei-Kerne aufeinander geschossen. 2013 und einen großen Teil von 2014 werden wir die Maschine vorübergehend stilllegen, erwärmen und die Detektoren öffnen. Kurz nach der LHC-Inbetriebnahme 2008 brannte ja ein Verbindungsstück zwischen zwei Magneten durch. Wir werden alle Verbindungsstücke, und davon gibt es etwa 10 000, überprüfen, verstärken und gegebenenfalls ersetzen. Das dauert einige Zeit. Auch die Detektoren werden verbessert. Und die anderen Beschleuniger, die dem LHC die Protonen liefern, müssen ebenfalls dringend gewartet werden. Alles in allem werden wohl 18 Monate vergehen. Wahrscheinlich wird die Maschine im Sommer 2014 wieder anlaufen.

Mit der geplanten Maximalenergie von 14 Teraelektronenvolt?

Zwischen 13 und 14. Das hängt von den supraleitenden Magneten ab, die man erst „trainieren“ muss. Nach fast zwei Jahren ohne Daten halte ich es für sehr viel besser, bei 13 anzufangen, als noch einmal ein halbes Jahr zu trainieren, um auf 14 zu kommen.

Was erwarten Sie: Kommt eine neue Physik?

Wenn wir das Higgs-Teilchen finden, dann besteht die nächste große Aufgabe darin, seine Eigenschaften zu vermessen. Wenn wir 2012 das Standardmodell-Higgs nicht entdecken – das heißt seine Existenz ausschließen –, müssten wir einen anderen Mechanismus finden, der den Teilchen ihre Masse verleiht. Deswegen bin ich zuversichtlich, dass da etwas anderes entdeckt würde – doch es ist unklar, was das wäre. Abgesehen vom Higgs-Teilchen sind auch noch viele andere Fragen offen, die der aufgefrischte LHC bei höheren Energien mit großem Elan angehen kann. Zum Beispiel: Warum leben wir in einem Universum, das von Materie dominiert wird, warum existiert so wenig Antimaterie? Woraus besteht die Dunkle Materie? Gibt es zusätzliche Raumdimensionen?

Was interessiert Sie dabei persönlich am meisten?

Meine Hoffnung ist, dass der LHC Licht ins dunkle Universum bringt – dass er also einen Kandidaten für die Dunkle Materie findet. Das treibt mich schon ein bisschen um. Wir haben hier ein großes Entdeckungspotenzial, brauchen dazu allerdings wohl die volle Energie.

In dem schönen LHC-Fotoband von Peter Ginter haben Sie Paul Klee zitiert: „Kunst gibt nicht das Sichtbare wieder, sondern macht sichtbar.“ Diese Kunst beherrscht ja auch der LHC. Oder jagen Physiker vielleicht doch Schatten hinterher? Gruselt es Sie manchmal angesichts der Komplexität und Abstraktion der Materie?

Nein, überhaupt nicht! Wir jagen sicherlich nicht irgendwelchen Schatten oder Träumen nach. Wir müssen unterscheiden zwischen dem, was wir messen und berechnen können, und dem, was wir uns vorstellen können. Wie beispielsweise sieht ein punktförmiges Teilchen mit Masse und Drehimpuls aus? Das kann ich mir nicht vorstellen. Ich akzeptiere das als mathematische Beschreibung. Nicht alles kann anschaulich beschrieben werden. Ich finde dieses Klee-Zitat so schön, weil es auch auf die Wissenschaft zutrifft, denn unsere Experimente machen ebenfalls das Unsichtbare sichtbar. Da zeigt sich eine Verbindung zwischen Kunst und Wissenschaft, die mir wichtig ist. Beide sind ein Teil unserer Gesellschaft. Die Grenzen verschwimmen an manchen Stellen. Aber es sind ganz klare Fragen, die wir uns stellen, und die wir zu beantworten versuchen. Und diese Antworten sind überprüfbar. Sie sind natürlich weit weg vom täglichen Leben, das gebe ich zu, aber sie sind keinesfalls esoterisch.

Was würden Sie denn einem 17-Jährigen empfehlen, wenn er Teilchenphysiker werden will? Wäre er angesichts der rasanten Fortschritte jetzt zu spät dran?

Keineswegs! Vielleicht stehen wir in einer ähnlichen Situation wie Anfang des letzten Jahrhunderts. Max Planck wurde ja von einem Physik-Studium abgeraten, weil alle Fragen schon beantwortet seien. Und dann kamen die Relativitäts- und Quantentheorie. Wenn wir in den nächsten Jahren große Entdeckungen machen, zum Beispiel zur Dunklen Materie, dann eröffnet das ein völlig neues Verständnis des Mikrokosmos und des frühen Universums. Und der heutige 17-Jährige könnte in zehn Jahren eine schöne Doktorarbeit in der zweiten LHC-Phase machen. Denn wir planen ja, den LHC die nächsten 20 Jahre zu betreiben. Wir haben erst zehn Prozent seiner Laufzeit hinter uns. Mit der verbesserten Maschine wollen wir die Jahresleistung an Luminosität, also die Gesamtzahl der Kollisionen im Jahr, um den Faktor 5 bis 10 steigern. Dann sind Präzisionsmessungen möglich, die Hinweise auf eine neue Physik geben könnten. Das wird sehr interessant!

Wie geht es dann weiter?

Das hängt von den Erkenntnissen am LHC ab. Dann müssen wir entscheiden, wie wir den LHC erweitern und welche Beschleuniger wir danach bauen. Wir entwickeln jetzt einen Vorschlag, um 2030 die Energie verdoppeln zu können, falls das sinnvoll wäre. Eine andere Richtung ist ein neuer Elektron-Positron-Collider. Auch die Entscheidung dafür ist nicht möglich ohne die LHC-Daten. Die Entscheidungen können erst getroffen werden, wenn der LHC gezeigt hat, wo eine neue Physik liegt. Dann muss man sehen, was das beste Instrument wäre, um diese neue Physik komplementär zum LHC zu erforschen. Die Teilchenphysiker aus aller Welt schauen daher sehr gespannt aufs CERN.

Wie stehen die Chancen, dass der nächste Linearbeschleuniger am CERN gebaut wird?

Lassen Sie es mich diplomatisch ausdrücken: Das CERN hat einen sehr guten Ruf, was Technologie und Beschleuniger angeht. Das CERN ist meiner Meinung nach das einzige gut funktionierende internationale wissenschaftliche Labor. Deshalb sehe ich eigentlich fast keinen anderen Ort für das nächste große globale Projekt. Zumindest hat das Management klar die Absicht, den Hut dafür in den Ring zu werfen. Um heute ein globales Projekt auf den Weg zu bringen, ist ein globales Institut nötig. Deswegen treiben wir die Erweiterung des CERN im Hinblick auf neue Mitgliedsstaaten stark voran. Nach meiner Amtszeit soll CERN ein globales Labor sein. Wir haben scherzhaft das E in „CERN“ umdefiniert von „Europe“ in „Everywhere“. Wenn wir diese globale Unterstützung für die Forschungsstätte haben, und nicht nur für die Experimente dort, dann sind wir einen großen Schritt weiter.

Wie erklären Sie sich, dass die Kooperation in der Teilchenphysik so gut funktioniert?

Da habe ich nur eine Antwort: Es ist eine Sache der Motivation. Alle haben ein Ziel, nämlich Erkenntnis zu gewinnen.

Welche Staaten werden die nächsten Mitglieder sein?

Rumänien ist schon seit zwei Jahren assoziiert und kann in drei Jahren Vollmitglied werden. Mit Israel wurden gerade Verträge abgeschlossen: Es ist jetzt auch assoziiertes Mitglied und hat die Absicht, in zwei Jahren Vollmitglied zu werden. Außerdem habe ich mit Serbien, Slowenien, der Türkei und Zypern verhandelt, und wir sind auf gutem Weg, 2012 Verträge abzuschließen. Die Aufnahmezeit bestimmen die Länder selbst, sie liegt zwischen zwei und fünf Jahren. 2017 könnten es also nicht mehr 20 CERN-Mitgliedsländer sein, sondern 26. Auch das zeigt die Attraktivität dieses Labors. ■

Das Gespräch führte Rüdiger Vaas

Gut zu wissen: DER Large Hadron Collider (LHC)

Der LHC liegt in einem Ringtunnel von 27 Kilometer Umfang und 1,4 Prozent Neigung 50 bis 175 Meter tief unter der französisch-schweizerischen Grenze bei Genf. Er ist kein perfekter Kreis, sondern besteht aus acht Kreisbögen und acht kurzen geraden Abschnitten. Geplant ist, darin Protonen mit einer Maximalenergie von jeweils 7 Teravolt (Billionen Elektronenvolt) Energie aufeinander zu schießen (bisher 3,5 TeV), die sich jeweils mit 99,9999991 Prozent der Lichtgeschwindigkeit bewegen. Die Protonen werden aus Wasserstoff gewonnen – täglich benötigt man dafür nur zwei Milliardstel Gramm. Die rund 3000 „Bündel“ aus jeweils über 100 Milliarden Protonen in jedem Strahl fliegen mit einem Abstand von 25 Nanosekunden (25 Milliardstel Sekunden) durch die beiden Ringröhren. Beschleunigt werden sie von rund 9300 Magneten, deren supraleitende, auf 1,9 Grad über dem absoluten Nullpunkt gekühlte Kabel zusammen so lang sind, dass sie 6,8 Mal um den Äquator gewickelt werden könnten. 40 Millionen Mal pro Sekunde kollidieren die beiden gegenläufigen Strahlen an den Kreuzungspunkten in den vier Detektoren ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS), CMS (Compact Muon Solenoid), LHCb (LHC-beauty) und ALICE (A Large Ion Collider Experiment). ALICE dient vor allem dem Stu-dium des Quark-Gluon-Plasma, das durch die Kollision von Blei-Kernen erzeugt wird und einen extrem „flüssigen“ Materiezustand darstellt, der kurz nach dem Urknall vorherrschte (bild der wissenschaft 2/2009, „Als der Weltraum flüssig war“ ).

Zusammen nehmen die vier großen LHC-Detektoren etwa 700 Megabyte pro Sekunde auf. Das entspricht dem Datengehalt von einer CD. Die Analyse erfolgt nicht nur am CERN, sondern in einem weltweiten Computernetzwerk aus einigen Zehntausend Rechnern (Grid Computing). Über 100 Millionen Gigabyte Daten werden darin verarbeitet und gespeichert. Der LHC benötigt rund 120 Megawatt Strom, das CERN insgesamt etwa 230 Megawatt. Das entspricht dem Verbrauch aller Haushalte des Kantons Genf.

KOMPAKT

· Der Large Hadron Collider (LHC) ist der neue Stern am Himmel der Teilchen-physiker. Seit zwei Jahren liefert er Spitzenleistungen.

· 2012 werden die Forscher damit Neuland in der Welt des Allerkleinsten betreten – viel früher als erwartet.

MEHR ZUM THEMA

Lesen

Die Physik und Technik hinter dem LHC: Don Lincoln DIE WELTMASCHINE Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg 2011, € 24,95

Prachtvoller Riesenbildband mit leicht verständlichen Texten: Peter Ginter, Franzobel, Rolf-Dieter Heuer LHC – Large Hadron Collider Edition Lammerhuber, Baden 2011, € 64,–

Internet

CERN, LHC und die Welt der Teilchen: public.web.cern.ch/public weltmaschine.de

Stationen der LHC-Geschichte

· 16.12.1994: Der Bau des LHC wird nach rund zehnjähriger Planung vom CERN Council bewilligt

· 10.9.2008: Offizieller Startschuss – die ersten Protonen rasen durch den Ring

· 19.9.2008: Eine elektrische Verbindung brennt durch, Helium entweicht aus dem Kühlsystem; es entsteht ein schwerer Schaden von 25 Millionen Euro; ein Achtel des Rings wird lahmlegt

· 20.11.2009: Wiedereröffnung des reparierten LHC

· 23.11.2009: Erste Protonen kollidieren bei 450 GeV

· 30.11.2009: Kollisionen von Protonen mit jeweils 1,18 TeV, was erstmals die Energien am Tevatron übertrifft (0,98 TeV) und den LHC zum stärksten Teilchenbeschleuniger der Welt macht

· 19.3.2010: Kollisionen von Protonen mit jeweils 3,5 TeV; Beginn des LHC- Forschungsprogramms

· 8.11. bis 6.12.2010: Erster Lauf mit kollidierenden Blei-Kernen

· 22.4.2011: Neuer Weltrekord der Luminosität (Strahlintensität) eines Hadronen-Beschleunigers: 4,67 · 1032 Teilchen pro Quadratzentimeter und Sekunde

· 11.11. bis 7.12.2011: Zweiter Lauf mit kollidierenden Blei-Kernen und einem neuem Blei-Luminositätsrekord von 3,5 · 1026 Teilchen pro Quadratzentimeter und Sekunde am 15.11.2011

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Epo|che  〈[epx] f. 19〉 I 〈zählb.〉 1 〈a. Geol.〉 (bedeutsamer) Zeitabschnitt 2 histor. Wendepunkt … mehr

♦ Mi|kro|me|ter  〈n. 13〉 1 Feinmesser, jedes Gerät zur genauen Messung kleiner Größen 2 〈Abk.: µm〉 1 Millionstel Meter; … mehr

Idyl|le  〈f. 19〉 1 〈Lit.〉 lyrisch–dramatische od. lyrisch–epische Dichtung, die den ländl. Frieden, das beschauliche Leben einfacher, natürlicher Menschen schildert, Hirten–, Schäferdichtung 2 = Idyll … mehr

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