Cern : Mehr Energie für die Weltmaschine

Besuch unter Tage: Der Teilchenbeschleuniger am Forschungszentrum Cern macht Pause und wird von halber auf volle Kraft aufgerüstet.

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CMS-Detektor am Cern Foto: Reuters
Teilchensuche auf fünf Stockwerken. Der gigantische CMS-Detektor registriert Bilder von Partikel-Zusammenstößen.Foto: Reuters

Wer das Tor des europäischen Forschungszentrums Cern passiert, betritt ein eigenes Reich. An wenigen Orten treffen Verstand und Leidenschaft in so konzentrierter Form aufeinander. Das Cern liegt in der Nähe von Genf, im malerischen schweizerisch-französischen Grenzgebiet. Hier regieren die Teilchenphysiker. Sie erforschen extreme Materiezustände, wie sie Sekundenbruchteile nach dem Urknall herrschten oder heute noch im Kosmos in extremen Umgebungen, etwa bei explodierenden Sternen oder in der Nähe Schwarzer Löcher.

Die meisten Wissenschaftler sind so fokussiert wie die Teilchenstrahlen, die sie rund 100 Meter unter der Erde im weltstärksten Beschleuniger auf enorme Energien bringen, um sie dann miteinander kollidieren zu lassen. Bei einigen wenigen von vielen Milliarden dieser Kollisionen konnten Cern-Forscher 2012 das lang gesuchte Higgs-Teilchen ausfindig machen. Es war der letzte noch ausstehende Baustein im Standardmodell der Teilchenphysik. Dieses schon einige Jahrzehnte alte Modell beschreibt alle bislang mit irdischen Mitteln zugänglichen Formen von Materie.

Ohne das Higgs-Teilchen hätte diesem Modell ein zentrales Element gefehlt. Denn nur das Higgs-Feld, das den gesamten Kosmos durchdringt, verleiht allen anderen Teilchen Masse. Da zu jedem Kraftfeld ein Teilchen gehört, waren die Forscher deshalb sehr erleichtert, als sich in ihren Daten das Higgs-Teilchen endlich sicher abzeichnete. „Es hat ungefähr 50 Jahre gebraucht, um das Standardmodell zu komplettieren“, erläutert Cern-Generaldirektor Rolf Heuer die großen Mühen, die zur Entdeckung führten.

Teilchenpakete kreisen fast mit Lichtgeschwindigkeit

Der Large Hadron Collider, kurz LHC, genannte Teilchenbeschleuniger liegt rund 100 Meter unter der Erde. Sicherheitsschleusen lassen Mitarbeiter nur einzeln passieren, bevor ein Aufzug unser Besucherteam zügig in die Tiefe befördert. Zunächst fällt das allgegenwärtige Surren der Belüftung auf, dann die erstaunlichen Dimensionen der unterirdischen Anlagen. Dort kreisen in zwei dünnen Rohren Teilchenpakete fast mit Lichtgeschwindigkeit im 27 Kilometer langen Tunnel. Die einen im Uhrzeigersinn, die anderen gegen ihn.

An vier Stellen werden diese Strahlpakete zur Kollision gebracht, so dass aus der Kollisionsenergie neue Teilchen entstehen können. Viele der so erzeugten exotischen Partikel sind instabil. Manche, wie das Higgs, sind sogar so unbeständig, dass sie praktisch an Ort und Stelle wieder zerfallen. Die Wissenschaftler müssen mit ihren Detektoren aus den Spuren vieler anderer Teilchen zurückverfolgen, was wann wo passiert ist.

Teilchenphysiker Hans von der Schmitt war bereits am LHC-Vorgängerprojekt Large Electron Positron Collider beteiligt, für das der Tunnel ursprünglich gebohrt wurde. Er bekräftigt, dass der eingeschlagene Weg richtig war. „Wir haben ungefähr ab einem Jahr vorher schon gesehen, dass in einem bestimmten Energiebereich etwas Besonderes passieren könnte.“ Vor allem, dass gleich zwei Experimente unabhängig voneinander die Daten bestätigen konnten, hätte letzte Zweifel ausgeräumt. „Dass der Fund sich dann als Higgs herausgestellt hat, war der spannendste Moment meiner Karriere“, sagt von der Schmitt.

Der LHC hat Pause

2015 steht der nächste Schritt für die Forscher bevor. Denn ob das nachgewiesene Teilchen auch ganz genau das vom Standardmodell geforderte Higgs ist oder nur ein diesem sehr ähnliches Teilchen, wie es manche Theoretiker mit Nicht-Standard-Theorien vorhersagen, verlangt aufwendige Messungen.

Zur Zeit befindet der LHC sich in einer Betriebspause. Wenn er unter Strom steht, darf wegen der Strahlung niemand den Tunnel oder die Detektorhallen betreten. Deshalb müssen die Forscher die nur alle paar Jahre stattfindenden Unterbrechungen möglichst effizient nutzen. Während die einen weiter die Daten aus den vergangenen Jahren untersuchen, nehmen die anderen den Beschleuniger und die haushohen Detektoren auseinander, um Reparaturen und Wartungsarbeiten zu erledigen.

Das Erstaunliche am gesamten Projekt ist, dass am Ende Zeitpläne und Budget eingehalten werden. Möglich ist dies wohl nur, weil alle Beteiligten es als Ehre auffassen, am Cern an der vordersten technologischen und naturwissenschaftlichen Grenze mitarbeiten zu dürfen.

Niemand ist perfekt

Doch auch hier gilt: Nobody is perfect. Auch der LHC hatte eine größere Panne zu verzeichnen. Im September 2008, kurz nach der Inbetriebnahme, versagten die auf wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt gekühlten supraleitenden Magnete ihren Dienst, weil die elektrischen Verbindungen zwischen ihnen sich plötzlich erwärmten. Dies führte zu massiven Beschädigungen in einer Sektion des Magnetsystems, so dass erst ein Jahr lang Reparaturen und Nachbesserungen nötig waren, bevor der Messbetrieb wieder anlaufen konnte.

Aus Sicherheitsgründen entschieden die Forscher, den Beschleuniger zunächst bei halber Energie laufen zu lassen. Erst bei der jetzigen Betriebspause ersetzen Techniker rund 10 000 Verbindungen zwischen den Magneten komplett durch bessere Module, so dass der Beschleuniger 2015 die volle geplante Energie erreichen wird. Dann wird die Jagd nach neuen, unbekannten Teilchen weitergehen.

2014 feiert das Cern seinen 60. Geburtstag. 1954 wurde es auf Initiative führender Wissenschaftler gegründet, die sich darum sorgten, dass nach dem Krieg aufstrebende junge Forscher aus Europa in die Vereinigten Staaten gehen mussten, um neue Physik zu betreiben. Heute haben sich die Vorzeichen umgedreht: Aus aller Welt kommen Physiker nach Genf, um ihre Neugier zu befriedigen.

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