Forschung 27.04.2001, 17:29 Uhr

Teilchen fahren Karussell im Fels

Je kleiner die Materialbausteine sind, nach denen die Wissenschaftler fahnden, umso gigantischer wird der technische Aufwand. Am Cern entsteht bis 2005 der neue Superbeschleuniger für 4 Mrd. Franken.

Mit einem Knopfdruck setzt Roland Mayr den Gitteraufzug in Bewegung. Bedenklich ruckelnd fährt der Käfig in die Tiefe, von wo ohrenbetäubender Lärm aufsteigt. Blinklichter am Boden des Aufzugs erhellen periodisch wie ein Leuchtfeuer den grauen Spritzbeton an der Wand des rund 9 m breiten Schlots. Ein Spender für Ohrenstöpsel im Aufzug verspricht Schlimmes. Rund 100 m unter Grund ist es dann soweit: Der Aufzug erreicht eine düstere Kaverne, in der ein Bagger auf das pickelfeste Molasse-Gestein einhämmert. Daneben fräst sich eine mannshohe Maschine mit Stahlkrallen durch den Fels, als wollte sie ins innerste Geheimnis der Materie vordringen.
Genau das soll passieren. „Die schweren Geräte schaffen Raum für den rund 13 000 t wiegenden Detektor CMS“, schreit Tunnelbauer Mayr von der Firma Geoconsult gegen den Lärm an. Mayr ist mitverantwortlich für den Aushub der Kaverne am Europäischen Teilchenforschungszentrum Cern bei Genf. In den nächsten fünf Jahren wollen die rund 5000 am Experiment beteiligten Physiker und Ingenieure dort unten das neue Flaggschiff der Teilchenforschung installieren: einen kreisförmigen Beschleuniger, den Large Hadron Collider (LHC), und vier neue Detektoren. Der größte von ihnen, genannt Atlas, wird so hoch sein wie ein sechsstöckiges Haus. Rund 4 Mrd. Schweizer Franken soll die ganze Anlage kosten. Mit dem Teilchenkarussell im Fels wollen die Forscher Partikel entdecken, die noch niemand zuvor zu Gesicht bekam, deren Existenz Physiker aber vorhergesagt haben.
In zwei parallelen Röhren werden die Physiker Protonen durch den 27 km langen LHC-Ring schicken und fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigen. In entgegenge—setz–ter Richtung jagen dann knapp 3000 winzig kleine Protonenwolken aus jeweils rund hundert Milliarden Protonen wie an einer Perlenkette aufgereiht um den Beschleuniger. Im Zentrum jedes der vier Detektoren kreuzen sich die Röhren: Es kommt zum Crash der Atombausteine.
Aus der gewaltigen Aufprallenergie wird ein Schauer von verschiedenen Teilchen kreiert, die in den Detektoren CMS (Compact Myon Solenoid), Atlas (A Toroidal LHC ApparatuS), Alice (A Large Ion Collider Experiment) und LHC-B (B für B-Mesonen) analysiert werden. Gelegentlich, so hoffen die Physiker, werden sich im Teilchenschauer nach der Kollision auch die gesuchten Raritäten finden – oder gar völlig neue Teilchen, mit deren Existenz bis heute niemand gerechnet hat.
Um die Flugbahn der Kollisionsprodukte zu erkennen, wird das Zentrum des Atlas-Detektors mit 100 Mio. Halbleiter-Sensoren bestückt, jeder nur 0,01mm groß. Weiter außen liegen so genannte Hadron-Kalorimeter, die aussehen wie die Stellwände in Großraumbüros. Sie messen die Energie der davonfliegenden Teilchen. Allein mit diesen Informationen, Flugbahn und Energie, können die Physiker mit einiger Sicherheit feststellen, welche Teilchen durch den Detektor gejagt sind.
Rund 10 m unterhalb der roh ausgebrochenen CMS-Kaverne verläuft schon heute der 27 km lange Tunnelring, in dem die Protonen später kreisen sollen. Bis jetzt verband der Tunnel die vier Detektor-Kavernen des Large Electron Positron Collider (LEP). Nach elf Jahren Betrieb wird der Tunnel nun für den LHC geräumt. „Insgesamt verschrotten wir 11 000 t Material, darunter 2500 km Kabel“, sagt Christian Joram vom Cern, verantwortlich für die Demontage.
Im LEP kollidierten Elektronen mit ihren Antiteilchen, den Positronen. Leichte Elektronen besitzen jedoch wenig Energie, selbst wenn sie auf hohe Geschwindigkeit beschleunigt werden. Daher sollen künftig die rund 2000 Mal schwereren Protonen durch den Tunnel jagen und zusammenstoßen. Protonen im alten LEP-Tunnel, das ist, als würde man einen Jumbo-Jet um eine Kurve fliegen lassen, die vorher nur ein Modellflugzeug schaffen konnte. Es braucht immense Kräfte, um die schweren Protonen auf die Kreisbahn des Beschleunigers zu zwingen. Neue, viel stärkere Magnete als beim LEP sollen diese Aufgabe meistern.
Der altgediente LEP hat noch im vergangenen Sommer die Herzen der Teilchenphysiker höher schlagen lassen. Die Forscher fanden erste, vage Hinweise auf das seit langem gesuchte Higgs-Teilchen, das allen anderen elementaren Teilchen wie Elektronen und Quarks ihre Masse verleiht – so zumindest will es die Theorie. In der Praxis ist das Higgs der letzte, noch unentdeckte Baustein im Standardmodell der Teilchenphysik. Trotz der Hinweise auf das Higgs entschied das Management, den LEP abzuschalten. „Der König ist tot, es lebe der König“, so Cern-Direktor Luciano Maiani im letzten Dezember.
Neben der Jagd nach dem Higgs wird die Suche nach supersymmetrischen Teilchen ein weiterer Schwerpunkt des LHC sein. Die Theorie der Supersymmetrie sagt, dass es zu jedem heute bekannten Teilchen einen supersymmetrischen Partner gibt, so etwa zum Elektron ein Selektron und zu jedem Quark ein Squark. Bis heute wurde jedoch keines dieser Teilchen entdeckt. Dennoch spielt die Supersymmetrie eine große Rolle bei der Formulierung einer „Theorie für alles“ , mit der die Physiker Einsteins Relativitätstheorie mit der Quantenphysik vereinen wollen.
Damit das gelingt, laufen die Vorbereitungen auf Hochtouren, und das nicht nur im Untergrund. In einer Halle stehen bereits zwei von fünf Ringmagneten für den CMS-Detektor, rote, je 2500 t schwere und 13 m hohe Ungetüme. In einer anderen Experimentierhalle sind 15 m lange Magnet-Prototypen für den Beschleuniger auf der Testbank zu bestaunen. Diese supraleitenden Magnete zwingen die Protonen auf den 15 Metern Flugstrecke zu jeweils etwa 8 mm Abweichung von der Geraden. „Wir haben alle Möglichkeiten ausgepokert, um das Magnetfeld so stark wie möglich zu machen“, sagt Peter Sievers, verantwortlich für den Test der Magnete. 1200 davon sind nötig, um die Protonen Grad für Grad durch den 27 km langen Ring zu lotsen.
Dazwischen, auf geraden Abschnitten des Rings, „reiten“ die Protonen in so genannten Kavitäten auf elektromagnetischen Wellen und werden dabei Runde für Runde beschleunigt. Dabei erreichen die winzigen Protonenwolken im Ring tatsächlich die Energie eines fliegenden Jumbo-Jets. Die außerordentliche Leistung des LHC besteht darin, diese Energie in einen Raum zu zwängen, der eine Milliarde Mal kleiner ist als das Flugzeug.
In der CMS-Grube bewegt sich der mit Lehm verschmierte Gitteraufzug nun wieder durch den Schlot nach oben, in Richtung der langsam größer werdenden, kreisrunden Einstiegsöffnung. Der Lärm lässt langsam nach. Das Tageslicht rückt näher. Statt Protonenwölkchen treiben graue Nebelfetzen über die Baustelle, und anstelle von Teilchenschauern prasselt ein kalter Regenguss aufs Blechdach des Lifts. JOACHIM LAUKENMANN

Elementarteilchen

Gibt es sie oder …

Der Crash von Teilchen in Beschleunigern wie dem LHC ist nur eine Art von vielen, um in die Welt elementarer Teilchen vorzudringen. Eine ganz andere Methode verwenden Forscher des „Superkamiokande“-Experiments in Japan. In einem unterirdischen Tank, gefüllt mit 50 000 t sehr reinem Wasser, fangen sie ungeladene Neutrinos ein, die überall durchs Weltall schwirren. Diese lösen im Wassertank kleine Lichtblitze aus, aus denen die Forscher Informationen über Anzahl, Energie und Flugrichtung der Teilchen gewinnen. Die große Frage dabei ist: Besitzen Neutrinos eine Masse?
Italienische Forscher suchen nach exotischen Teilchen, etwa den so genannten Wimps (Weak Interacting Massive Particles). Deren Existenz wird von der Supersymmetrie vorhergesagt. Mit einem 100 kg schweren Detektor aus Natrium-Jodid-Kristall versuchen Physiker vom Gran-Sasso-Labor, Wimps aufzuspüren. Angeblich haben sie sich schon durch kleine Lichtblitze verraten. JL

Von Joachim Laukenmann
Von Joachim Laukenmann

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