Gesundheit : In der Parallelwelt

Mit dem größten Teilchenbeschleuniger suchen Physiker einen Stoff, der den Kosmos ausfüllt

Thomas de Padova[Genf]

Die 1600 Einwohner des Örtchens Crozet am Fuß des französischen Juragebirges erwartet heute Abend ein einzigartiges Lichtspiel. Zum 50. Geburtstag der europäischen Wissenschaftsorganisation „Cern“ werden Flutlichter das Tal erhellen, das von Crozet aus zum Genfer See hin abfällt. Der Physiker Rolf Landua und seine Kollegen haben die imposanten Geburtstagskerzen entlang der weltweit größten Forschungsapparatur aufgestellt: eines 27 Kilometer langen, ringförmigen Teilchenbeschleunigers. Er liegt 100 Meter unter der Erde versteckt. „Wir hoffen, der Bevölkerung damit einmal einen Eindruck von der Größe der Anlage geben zu können“, sagt Landua.

Der einzigartige Ring, der „Large Hadron Collider“ (LHC), wird gegenwärtig zusammengesetzt. In drei Jahren sollen darin die ersten Atomkerne auf Touren kommen und annähernd mit Lichtgeschwindigkeit aufeinander prallen. Den Forschern geht es darum, die Materie in ihre kleinsten Bausteine zu zerlegen. Dazu müssen sie sie noch stärker aufheizen als je zuvor. Aus dem heißen Brei könnten auch bislang unbekannte Partikel aufpoppen, die erahnen lassen, was sich unmittelbar nach dem Urknall im Kosmos ereignete.

Unter anderem möchten die Physiker klären, ob alle bislang bekannten Bausteine der Materie spiegelbildliche Partner haben. „Wenn es solche supersymmetrischen Partner gibt, werden wir sie mit dem LHC finden“, sagt Dieter Schlatter zuversichtlich, der seit drei Jahren die Physikabteilung des Cern leitet. „Das wäre eine Art Parallelwelt.“

Und nicht die erste ihrer Art. Anfang der 30er Jahre wähnten sich Forscher schon einmal in einer ähnlichen Situation, erzählt der 59-Jährige, während er mit hinter dem Kopf verschränkten Armen im Schreibtischstuhl hin und her wippt. 1932 trat dann mit der Entdeckung des Positrons, des positiv geladenen Antagonisten des Elektrons, plötzlich die Antimaterie auf die Bühne der Wissenschaft. Der Physiker Paul Dirac hatte die Existenz dieses Positrons schon 1928 vorhergesagt. „Auch jetzt gibt es konkrete Vorhersagen für supersymmetrische Teilchen“, sagt Schlatter.

In den physikalischen Modellen blitzen aber noch exotischere Phänomene auf. Die Energie des LHC könnte selbst ausreichen, winzige schwarze Löcher herzustellen. „Die Mini-Schwarzen-Löcher würden aber nicht lange leben“, fügt Schlatter sofort hinzu. Sie würden, Berechnungen zufolge, nach Sekundenbruchteilen wieder zerstrahlen und nicht, wie manch einer befürchten könnte, alles um sich herum verschlingen wie die geheimnisvollen Schwarzen Löcher im Zentrum der Galaxien.

Schlatters schlichtes Büro liegt an einem jener langen, dunklen Flure, in denen sich der Besucher den schwarzen Löchern bereits recht nahe wähnt. Doch der Weg zu ihnen führt durch viel engere und kältere Kanäle: durch 6000 Magnetrohre, die aus Deutschland, Italien oder Frankreich geliefert und derzeit in einer riesigen Halle an zwölf Testständen überprüft werden. Sie sollen den 27 Kilometer langen Ring formen und die rasenden Atomkerne auf eine Kreisbahn zwingen.

Oliver Brüning nennt die tonnenschweren, blau angestrichenen Metallröhren liebevoll „Bananen“. „Sie sind krumm“, sagt der 40-jährige Physiker, der wie Schlatter aus Hamburg nach Genf gekommen ist. Auf 15 Metern Länge biegen sie sich exakt um fünf Millimeter. 1300 dieser „Bananen“ benötigt das Cern für die Kurvenabschnitte des LHC. „Sie bestehen fast vollständig aus reinem Eisen“, sagt Brüning. „Jede von ihnen kostet etwa eine halbe Million Euro.“

Das Innere der Magnete ist von Spulen und Kanälen durchzogen (siehe Grafik). Flüssiges Helium durchströmt sie. Die Kühlflüssigkeit lässt die Temperatur des Metalls auf minus 271 Grad Celsius sinken, zwei Grad über dem absoluten Nullpunkt. Nur bei dieser extremen Kälte ließen sich die starken Magnetfelder erzeugen, die die Atomkerne in die Kurve lenken. Die Magnetfelder selbst werden durch enorme elektrische Ströme hervorgerufen. Die dazu erforderlichen Kabel sind aus Zehntausenden Einzelsträngen gewickelt. Sie leiten den elektrischen Strom widerstandsfrei, ohne Verluste.

Was auf den ersten Blick wie ein kompaktes Eisenrohr aussieht, ist bis ins Kleinste durchdacht. Im Zentrum der Magnete verlaufen zwei Vakuumkanäle aus Edelstahl. Sie sind nur eine Handspanne voneinander entfernt. Darin kreisen die gebündelten Atomkerne in gegenläufigen Richtungen. Und mit einem Wahnsinnstempo.

An vorbestimmten Stellen des Rings treffen die Pakete aus Atomkernen (Protonen) aufeinander. Das passiert jede Sekunde 40 Millionen Mal. Und jeder Zusammenstoß mündet in ein Gewitter physikalischer Reaktionen.

„Die Protonen sind ja keine Elementarteilchen“, sagt Schlatter. „Sie bestehen selbst aus jeweils drei Quarks und vielen Klebeteilchen, die diese Quarks miteinander verbinden. Es läuft also alles auf ein völliges Durcheinander von Partikeln und gleichzeitigen Reaktionen hinaus.“

Die ganze Energie der zuvor beschleunigten Atomkerne verliert sich in einer Kaskade von Prozessen. Um rekonstruieren zu können, was da im Einzelnen vor sich geht, um einen kurzen Blick ins Innerste der Materie zu werfen, haben die Forscher keine andere Wahl, als möglichst sämtliche Einzelteile und alle neu entstandenen Partikel einzusammeln. Es ist, als hätten sie eine Armbanduhr mit unvorstellbarer Wucht gegen eine Wand geschleudert und wollten aus den Überresten den Gang der Weltenuhr ablesen.

Unter den Bruchstücken hoffen die Forscher, vor allem eins zu entdecken: das „Higgs“Teilchen. Dieses hypothetische Partikel ist in ihren Augen der wichtigste fehlende Baustein in jener Theorie, die die elementaren physikalischen Prozesse beschreibt. Seine Existenz würde aus der gängigen Theorie ein mathematisch schlüssiges Konzept machen.

Der Raum ist demzufolge niemals leer. Es gibt kein Vakuum. Stattdessen ist der Kosmos von einem Higgs-Feld erfüllt. Und je nachdem, wie stark die bekannten Partikel mit diesem Higgs-Feld in Wechselwirkung treten, desto schwerer sind sie. Sie erhalten ihre Masse, salopp gesagt, dadurch, dass sie sich das HiggsTeilchen einverleiben. Aber gibt es dieses Teilchen wirklich, das seit Jahrzehnten in Theorien herumgeistert?

Die Forscher sind zuversichtlich, bei den hochenergetischen Kollisionen etwa einmal pro Tag ein Higgs-Teilchen zu beoabachten. Da einige Partikel bei solchen Zusammenstößen jedoch viele Meter weit fliegen können, nehmen auch die Experimentierhallen und Nachweisgeräte gigantische Ausmaße an.

Peter Jenni fährt mit dem Aufzug 100 Meter tief in einen Schacht, in dem der Aufbau eines solchen Labors bereits im Gang ist. Dort unten gelangt der 56-Jährige nach kurzem Weg in eine betonverschalte Halle von 50 Metern Länge und 35 Metern Höhe, in der ein tiefes dumpfes Hämmern zu hören ist. In der Mitte der Halle steht bereits die Brücke, auf der die Nachweisapparatur errichtet wird.

„Wir bauen unseren Detektor hier unten wie ein Schiff in der Flasche“, sagt der Schweizer Physiker. Er ist Projektleiter dieses „Atlas“-Experiments. Und er verbirgt sein eigenes Staunen nicht, wenn er beschreibt, wo die 1000 Kammern untergebracht werden, die die Spuren der Partikel aufzeichnen sollen, oder wie sich der Raum im Falle eines Brandes binnen Minuten mit einem Schaum füllen ließe.

„Die fertige Apparatur wird die Halle fast vollständig ausfüllen“, sagt Jenni. Das Nachweisgerät wird so schwer sein wie 30 Jumbo-Jets – und damit um einiges leichter als jene Apparatur, die wenige Kilometer von hier entfernt für ein zweites Experiment aufgebaut wird. Dort aber zunächst oberirdisch.

Über ein an den Wänden hoch gezogezoges Stahlgerüst geht Jenni hinüber zu einem unterirdischen Trakt, der nicht minder bedeutend ist als der Detektor selbst. Hier stehen, auf mehrere Etagen verteilt, die noch leeren Regale für den Hauptrechner. „Jeder einzelne Kabelweg ist schon festgelegt“, sagt Jenni.

Die Kabel kommen aus dem Herzen des Atlas-Detektors. Dort signalisieren Milliarden elektronischer Bauelemente, welchen Weg die Partikel nehmen. Es bedarf fast so vieler Transistoren, wie Sterne in der Milchstraße funkeln, um die Spur der Teilchen bis auf ein Hunderstel Millimeter genau zu verfolgen.

Die Aufzeichnung der Partikelkollisionen ist aber vor allem ein Wettlauf mit der Zeit. Sekunde für Sekunde kommt es zu 40 Millionen Zusammenstößen der beiden Protonenstrahlen. Sie müssen auseinander gehalten und analysiert werden. „Da bleibt nicht viel Zeit zum Hingucken“, sagt Wolfgang von Rüden, Leiter der Abteilung für Informationstechnologie am Cern. „Wir müssen sofort überprüfen, ob interessante Ereignisse darunter sind. Von zehn Millionen Fotos heben wir nur eins auf. Das kann man dann später in Ruhe noch einmal betrachten.“

Die Datenmenge, die es vom Jahr 2007 an zu verabeiten gilt, ist enorm. „Man würde dazu etwa 70000 heutige PCs benötigen“, sagt von Rüden. So viel Rechenleistung gibt es nirgends an einem Ort, auch nicht am Cern. Aber eine Idee, wie sie herbeizuschaffen ist.

Mit der Erfindung des World Wide Web hat das Cern schon einmal eine Revolution im Computersektor ausgelöst. Der Brite Tim Berners-Lee zeigte hier erstmals, dass Informationen, die an verschiedenen Orten gespeichert sind, mühelos abgerufen werden können. In einem zweiten Schritt greifen die Cern-Forscher nun auf die fernen Rechner selbst und deren freie Speicherkapazität zu. Sie verbinden Tausende von eigenen Rechnern mit den Computern anderer Physikzentren der Welt zu einem einzigartigen Netzwerk: dem „Grid“.

„Ich hoffe, dass die Computer-Experten wissen, was sie tun“, sagt Horst Wenninger, ehemaliger Direktor am Cern. An ihren Hochgeschwindigkeitsanalysen hängt die Zukunft des gesamten Fachgebiets. Wenn es das Higgs-Teilchen tatsächlich geben sollte, dann kann man es nur hier am Cern aufspüren. Der zwei Milliarden Euro teure LHC wird auf absehbare Zeit weltweit der einzige Beschleuniger sein, der die dafür erforderlichen Energien erreicht. „Das ist eine große Verantwortung“, sagt Schlatter.

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