Teilchenbeschleuniger: Der schlafende Riese erwacht

Und wieder schauen Forscher aus aller Welt gebannt nach Genf. Dort, am Fuß des französischen Juragebirges, zieht sich jener 27 Kilometer lange Tunnelring durchs Erdreich, in dem die Großfahndung nach den kleinsten Bausteinen der Materie nun endlich beginnen soll.

Vor einem Jahr wähnte man sich dort schon einmal so weit. Die Euphorie hielt nicht lange an. Neun Tage nach dem Start des Large Hadron Colliders (LHC) legte ein Unfall den weltweit größten Teilchenbeschleuniger lahm. „Die Teilchen sind zurück“, meldet jetzt das europäische Kernforschungszentrum Cern. Die Hälfte der ringförmigen Rennstrecke wurde bereits erfolgreich getestet, in wenigen Tagen sollen die Partikel wieder durch den gesamten Ring kreisen. Bald darauf sollen sie in den unterirdischen Experimentierhallen aufeinanderprallen.

Physiker hoffen, bei solchen Kollisionen neue Elementarteilchen zu finden. Etwa das bisher nur hypothetische Higgs-Teilchen (siehe Kasten). Seine Entdeckung wäre ein Schlüssel zum Verständnis sämtlicher Teilchenmassen. In Genf könnten sich aber auch Fenster zur dunklen Materie auftun und zu einer bisher unbekannten Spiegelwelt aus supersymmetrischen Partikeln. Der Nachweis solcher „Susy“-Teilchen würde es erlauben, den Elektromagnetismus, die starke und schwache Kernkraft allesamt auf einen gemeinsamen Ursprung zurückzuführen.

An den Experimenten sind viele Tausend Forscher aus aller Welt beteiligt. Sie müssen sich gedulden. Nach den Erfahrungen des Vorjahres scheut sich das Cern davor, mit vollem Tempo loszulegen. Stattdessen soll die Energie des Teilchenstrahls langsam gesteigert werden. Denn bei einer komplexen Maschine wie dem LHC steckt der Teufel im Detail.

Riesige Magnete halten Protonen auf Kurs

In dem Beschleunigerring gewinnen Atomkerne, die Protonen, bei jedem Umlauf an Fahrt. Die Zielmarke liegt bei 99,9999991 Prozent der Lichtgeschwindigkeit. Damit die Partikel trotz ihres hohen Tempos von fast 300 000 Kilometer pro Sekunde nicht aus der Kurve fliegen, müssen sie mit Hilfe extrem starker Magnete auf Kurs gehalten werden.

Der elektrische Strom, der in den Magnetspulen fließt, würde eine enorme Hitze produzieren, wenn nicht besondere, supraleitende Spulen zum Einsatz kämen. Durch sie kann der Strom widerstandslos fließen. Die Supraleitung erfordert ihrerseits äußerst niedrige Temperaturen: Tausende Liter flüssiges Helium sind nötig, um Spulen und Magnete auf minus 271 Grad Celsius zu kühlen. Bei derart tiefen Temperaturen ist Helium nicht nur flüssig, sondern suprafluid, kriecht Wände empor und zwängt sich durch kleinste Ritzen.

Das ausgeklügelte Kühlsystem und die damit verbundenen Anforderungen an die Technik haben zu jahrelangen Verzögerungen beim Bau des LHC geführt. Am 10. September vergangenen Jahres drehten schließlich erstmals Protonen ihre Runden in der riesigen Röhre. Am 19. September drang plötzlich Helium mit hohem Druck in den Tunnel. Die Zerstörungskraft des verdampfenden Kühlmittels glich einer Explosion und machte alle Träume von baldigen Experimenten zunichte. Auf einer Strecke von 700 Metern Länge wurden 53 Magnete, jeder von ihnen eine Präzisionsanfertigung, demoliert. Ein Schaden von mindestens 20 Millionen Euro.

Fehler fand man an den Lötstellen der elektrischen Verbindungen zwischen den Magneten sowie an Sicherheitsventilen, die dem schnell steigenden Druck nicht gewachsen waren. Die Reparatur zog sich über Monate hin.

Gute Chancen für das Fermilab in Chicago

Unterdessen stiegen die Chancen der Konkurrenz in Chicago, das gesuchte Higgs-Teilchen zu finden. Dort, am Fermilab, ist alles eine Nummer kleiner. Der Beschleuniger misst sechs Kilometer im Umfang statt 27, an den einzelnen Experimenten arbeiten jeweils „nur“ etwa 400 Wissenschaftler und Techniker und nicht 2000 wie in Genf. „Hier kennt man die meisten Leute noch“, sagt der Physiker Ralf Bernhard von der Universität Freiburg.

Am Fermilab wurden bereits einige Elementarteilchen entdeckt, ihre Eigenschaften so gut bestimmt wie nie zuvor. Kürzlich gelang es den Forschern erstmals, das schwerste der sechs Quarks, das Top-Quark, einzeln statt wie bisher nur paarweise zu erzeugen. Wegen der langwierigen Reparaturen am LHC ist das Fermilab auch im Wettlauf um die Entdeckung des Higgs-Teilchens wieder im Rennen. Deshalb wurde die Laufzeit des Beschleunigers soeben um mindestens ein Jahr verlängert. „Falls das Higgs eine hohe Masse hat, kann man es vielleicht bald sehen“, sagt Jeannine Wagner-Kuhr von der Universität Karlsruhe, die wie Bernhard sowohl an den Experimenten in Chicago als auch in Genf beteiligt ist.

Die Suche nach dem Higgs-Teilchen wird oft mit der Suche nach einer Stecknadel im Heuhaufen verglichen. Die Sache ist aber noch komplizierter: Der Haufen selbst besteht auch aus Nadeln. Umso schwieriger ist es, die richtige Stecknadel zu finden. Ein leichtes Higgs-Teilchen würde nach seiner Erzeugung rasch in leichte Bottom-Quarks zerfallen. Derartige Reaktionsprodukte sind angesichts der Fülle zerplatzender Protonen so zahlreich, dass sich sämtliche Spuren des Higgs-Teilchens in der Menge uninteressanter Ereignisse verlieren würden. Wäre das Higgs-Teilchen dagegen ein Schwergewicht, würde es in schwerere Partikel zerfallen. Sein Fußabdruck wäre besser sichtbar.

Am Fermilab ist es inzwischen gelungen, die Masse des Higgs-Teilchens einzugrenzen. Man müsse wohl am ehesten zwischen 114 und 160 Milliarden Elektronenvolt danach suchen, meldeten Forscher vor wenigen Monaten. Steht eine Entdeckung also kurz bevor?

Der Superbeschleuniger von Genf braucht noch etwas Zeit

Der Vorsitzende des Komitees für Elementarteilchenphysik, Peter Mättig von der Universität Wuppertal, hält das für unwahrscheinlich. Vielleicht würde man das flüchtige Teilchen am Fermilab sogar sehen, aber wohl kaum zweifelsfrei nachweisen können, sagt er.

Ähnlich denkt Jeannine Wagner-Kuhr. Anders als in Genf wird der Beschleuniger in Chicago nicht nur mit Protonen, sondern auch mit ihren mühsam erzeugten Antiteilchen, den Antiprotonen, gefüttert. Vor allem deren limitierte Anzahl schränkt die experimentellen Möglichkeiten ein. Jedenfalls wäre der Vorsprung des Fermilabs schnell aufgebraucht, wenn der LHC erst einmal relevante Daten liefern würde, sagt die Physikerin. Während man zum Beispiel die Produktionsrate von Top-Quarks in Chicago in den vergangenen sechs Jahren von vier Teilchen pro Tag auf vier pro Stunde steigern konnte, sollen es am LHC bereits nach einem Jahr Laufzeit einige Tausend Top-Quarks pro Stunde werden.

Aber so weit ist der Beschleuniger am Genfer See mit seinen gigantischen Detektoren, der blitzschnellen Elektronik und Datenverarbeitung noch längst nicht. Wann man mit einer Entdeckung des Higgs-Teilchens in Genf rechnen könne? „Ich tippe auf 2012 bis 2013“, sagt Mättig. Vorausgesetzt, dass sich keine schweren Unfälle mehr ereignen. Und dass es das Higgs-Teilchen überhaupt gibt.