Wie die Teilchenphysik mit dem LHC auf Zeitreise geht

PROTONEN AUF KOLLISIONSKURS

Das Standardmodell der Teilchenphysik erfasst die Gravitation nicht und ist daher sicher nicht der Weisheit letzter Schluss. 2012 fand der neue Large Hadron Collider (LHC) – auf Deutsch Großer Hadronen-Speicherring – am europäischen Forschungslaboratorium CERN in Genf ein wichtiges Puzzleteil des Standardmodells. Dieses berühmte Higgs-Teilchen gehört zu einem Mechanismus, der den Teilchen in der Quantenwelt erst ihre Masse verleiht. Die Physiker François Englert und Peter Higgs hatten dies vorhergesagt und erhielten 2013 den Nobelpreis für Physik. Vor allem aber soll der stärkste Beschleuniger der Welt tief in unbekanntes Gebiet jenseits des Standardmodells vorstoßen.

Hadronen sind natürlich keine Fantasy-Kriegerkaste, sondern all jene Teilchen, die der starken Kraft gehorchen. Der LHC kann zwei Sorten von Hadronen aufeinander schießen: leichte Protonen und schwere Blei-Ionen. Die Protonen-Crashs erlauben eine Reise zurück in eine Zeit, als unser Universum erst 10-13 Sekunden existierte, also den Millionsten Teil einer Zehntelmillionstel Sekunde. Es war noch extrem kompakt und über 1016 Kelvin heiß! Dagegen ist das Zentrum unserer Sonne mit nur 15 Millionen Kelvin (1,5x107 Kelvin) ziemlich kühl. Damals waren die Quarks gerade entstanden. Vermutlich gab es auch nur eine Urkraft anstatt der vier heutigen Kräfte. Die Kollisionen mit Blei-Ionen führen dagegen in eine Zeit, als der Kosmos bereits eine Millionstelsekunde „alt" war. Er hatte sich aufgebläht und abgekühlt. Trotzdem war er noch so heiß, dass die Gluonen die umherflitzenden Quarks nicht einfangen konnten. Dieses Quark-Gluon-Plasma soll LHC ebenfalls erforschen.

Abb. B: Der große Speicherring des LHC (blau) hat 26,7 km Umfang und liegt 50 bis 175 Meter tief unter der Erde. An vier Kollisionspunkten stehen die Detektoren. Die senkrechten Schächte zur Erdoberfläche sind für ihren Bau und den Betrieb nötig. Bild vergrößern
Abb. B: Der große Speicherring des LHC (blau) hat 26,7 km Umfang und liegt 50 bis 175 Meter tief unter der Erde. An vier Kollisionspunkten stehen die Detektoren. Die senkrechten Schächte zur Erdoberfläche sind für ihren Bau und den Betrieb nötig.

Sein Speicherring befindet sich in einem knapp 27 Kilometer langen, unterirdischen Ringtunnel (Abb. B). Starke, supraleitende Magnete zwingen die elektrisch geladenen Protonen oder Blei-Ionen in zwei Strahlrohren auf zwei gegenläufige Kreisbahnen. Vorgeschaltete Beschleuniger „füttern" den LHC mit rasenden Teilchenpaketen, die er dann wie die Waggons eines langen Zugs hintereinander in seinem Riesenkarussell speichert. An vier Kollisionspunkten - dort stehen in unterirdischen Kavernen mächtige Detektoren - krachen diese dann zusammen, 40 Millionen Teilchenpakete in einer Sekunde. Ihre Energie entspricht einem ICE 3 bei etwa 120 km/h.

Viele Millionen Crashs pro Sekunde sind nötig, um auch extrem seltene Ereignisse zu entdecken. Für den Nachweis des Higgs-Teilchens waren es mehr als 1014 (Hunderttausend Milliarden) Kollisionen. Wäre es eine Nadel, dann wäre der Heuhaufen zehn Millionen Tonnen schwer! Entsprechend gewaltig ist die anfallende Menge der Messdaten. Sie erfordert eine völlig neue Informationstechnologie. Nicht von ungefähr hat das CERN maßgeblich zur Erfindung des World Wide Web beigetragen und unsere Kultur damit schon einmal revolutioniert.

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