Nächster Riesenbeschleuniger geht am CERN vorbei

Zeichnung des geplanten linearen Riesenbeschleunigers ILC. Rey.Hori/KEK

Auf den LHC, den grossen Teilchenbeschleuniger im Genfer Cern, folgt der ILC. Dieser lineare Beschleuniger dürfte in Japan gebaut werden. Dies bedeutet aber nicht das Ende des Cern. Denn die Lösung der letzten Rätsel der Materie ist eine globale Angelegenheit.

Auf dem Papier ist die neue Riesenmaschine ILC (International linear collider, internationaler linearer Beschleuniger) fertig.

Nachdem mehr als 1000 Wissenschaftler und Ingenieure von rund 100 Universitäten und Laboren zehn Jahre an den Plänen gearbeitet haben, wurden diese Mitte Juni dem Rat des Internationalen Komitees für die künftigen Beschleuniger (ICFA) vorgelegt. Das feierliche Prozedere fand, via Video-Konferenz, in Tokio, Genf und Chicago statt, drei Hochburgen in der Teilchenphysik.

Der ILC besteht aus zwei linearen, sich gegenüberstehenden Beschleunigern, in denen stark energiegeladene Elektronen und Anti-Elektronen (Positronen) aufeinander prallen. Die Kollisionen finden innerhalb von Detektoren statt, die in der Mitte der 31 Kilometer langen Maschine positioniert sind. Im Vollbetrieb crashen die Elektronen- und Positronen-Pakete 7000 Mal pro Sekunde. Jedes Paket enthält 20 Milliarden Teilchen, die auf einen Raum konzentriert sind, der viel kleiner als die Dicke eines Haares ist. Deshalb wird die Dichte an Kollisionen auch sehr hoch sein.

Kirschenkuchen, Kirschenstein und schwarze Materie

Kollisionen von Elektronen und Positronen fanden im Cern schon im LEP statt, dem Vorgänger des LHC, der bis 2000 in Betrieb war. Im LEP war die Energie der Kollisionen auf 209 GeV (Gigaelektronenvolt) limitiert. Im künftige ILC werden bei voller Leistung bis zu 1000 GeV möglich sein.

Energie ist aber nicht alles. Grosser Vorteil des Elektron-Positron-Beschleunigers sind die klaren Resultate. Denn Elektron und Positron sind Elementarteilchen, während die Protonen aus dem aktuellen LHC aus mehreren anderen und viel kleineren Partikeln bestehen.

Um das populäre Bild eines japanischen Physikers zu verwenden, prallen im LHC beschleunigte Stücke Kirschenkuchen aufeinander. Deren Kollisionen führt zu einem Brei aus Teig, Früchten und Zucker. Und manchmal hat man das Glück zu beobachten, wie zwei Kirschenkerne aufeinanderprallen. Im Gegensatz dazu gibt es im ILC nur Kollisionen von Kirschenkernen.

Die Metapher der fliegenden Kirschenkuchen

© Sandbox Studio for Symmetry Magazine

Was hoffen die Forscher zu finden? Nicht das berühmte Higgs-Teilchen, denn dieses wurde schon im LHC entdeckt, bei 126 GeV. Der neue Riesenbeschleuniger wird alle schon bekannten Teilchen produzieren. Er ermöglicht aber, ihre gegenseitigen Wechselwirkungen zu studieren.

Das ist aber nicht alles. «Ein Vorteil des ILC ist beispielsweise, dass man den Zerfall der Higgs-Teilchen zu schwarzer Materie verfolgen kann», erklärt der französische Physiker François Le Diberder von der Pariser Universität 7 und Mitglied des europäischen Komitees des ILC. Die Kollision von Elektron und Positron führe zum Verfall der Teilchen, aus der gleichzeitig ein Z- und ein Higgs-Teilchen entstünden, die ihrerseits rasch zerfielen. «Man verfolgt aber nur der Zerfall des Z-Teilchens. Man misst die Energie und Quantität der Bewegungen der entstehenden Teilchen und kann von da auf die Masse dessen schliessen, was man nicht sieht. Ist es 126 GeV, ist das der Beweis, dass Higgs-Teilchen in unsichtbare Teilchen zerfallen können», sagt Le Diberder.

Dies führt zum Beginn einer Antwort auf eines der grossen Rätsel der Physik und der Kosmologie. Die «normale», sichtbare Materie macht lediglich 4% von all dessen aus, was im Universum besteht. 22% sind schwarze Materie und 74% schwarze Energie. Was schwarze Materie betrifft, hat man gute Gründe zur Annahme, dass sie aus Teilchen besteht.

Schwarze Energie dagegen bleibt nach dem französischen Physiker ein «totales Mysterium». Sie widersteht allen Versuchen, sie in Begriffen der Teilchenphysik zu beschreiben. Laut Le Diberder ist es nicht Aufgabe des ILC, dieses Enigma zu lösen, «eine Überraschung ausgenommen».

François Le Diberder, Physiker

Eine der Schönheiten des ILC ist es, den Zerfall des Higgs-Teilchens in Parikel schwarzer Materie entdecken zu können.

Japan in Poleposition

«Es besteht absolut keine Chance, dass der neue Beschleuniger hier gebaut wird», sagt Cern-Generaldirektor Rolf-Dieter Heuer. «Wir haben mit dem LHC alle Hände voll zu tun. Das einzige kandidierende Land, das den ILC innert nützlicher Frist bauen könnte, ist Japan.» Die japanische Regierung scheine bereit, Gelder von ausserhalb des Forschungssektors bereit zu stellen, so Heuer. Dies ist bei geschätzten Kosten von fast 8 Mrd. Franken ein nicht zu unterschätzender Faktor.

Vorgesehen sind die Beschleunigungstunnel in den Bergen von Kitakami, rund 500 Kilometer nördlich von Tokio gelegen. Im Rennen sind aber auch Deutschland, Russland und die USA. Der definitive Entscheid fällt erst 2015. Ob die Struktur der Betreiber-Organisation auf jener des Cern fusst oder der neue Riesenbeschleuniger gar als dessen Zweigstelle betrieben wird, ist ebenfalls noch unklar. «Eines aber ist sicher: Es wird sich nur um eine internationale, wenn nicht gar globale Organisation handeln», sagt Rolf-Dieter Heuer.

Der ILC in zwei Minuten

© Rey.Hori/KEK

CERN bleibt CERN

Der ILC könnte zwischen 2025 und 2030 startklar sein. Dann wird der LHC am Ende seines Zyklus angelangt sein. Wobei es sich beim ILC nicht um einen direkten Nachfolger des LHC handelt, sondern eher um eine komplementäre Einrichtung. «Es ist wie in der Astrophysik: Man beobachtet den Himmel mit Teleskopen mit sichtbarem Licht, Infrarot, Ultraviolett und Radioteleskopen. Alle Geräte sind nötig, um ein Gesamtbild zu erhalten. Bei uns prüfen die verschiedenen Beschleuniger ähnliche Fragen, aber aus anderen Blickwinkeln», erklärt Heuer weiter.

Was wird dann aus dem Cern, wenn alle Augen auf den ILC in Japan gerichtet sein werden? «Für die Wissenschaftler und Ingenieure in Genf wird sich nicht viel ändern», sagt der Generaldirektor. «Wir beteiligen uns von hier aus an den ILC-Experimenten, analysieren die Daten und arbeiten an dessen Nachfolger.»

Tatsächlich brüten Experten der Teilchenphysik schon heute an dem, was nach dem ILC kommen soll. Dabei spielt nicht nur die technologische Entwicklung eine Rolle, sondern vor allem auch die Resultate, die der LHC in den nächsten 15 Jahren liefern wird.

Um Licht hinter die letzten Rätsel der Materie zu bringen, braucht es nach dem ILC wahrscheinlich einen noch leistungsfähigeren Beschleuniger. Ob darin dereinst Elektronen gegen Positronen prallen, Protonen gegen Protonen oder gar andere Teilchen im Spiel sein werden: Das Cern hat schon einen Plan, zumindest für den ersten Fall. Für die anderen Möglichkeiten ist das Zentrum bereit, neue solche aus der Schublade zu ziehen.

Wieso geradeaus statt im Kreis?

Im LHC werden die Teilchen im Kreis beschleunigt, im ILC in geraden Tunneln.

Der Vorteil? Wird ein Teilchen im Kreis beschleunigt statt natürlicherweise gerade aus, verliert es Energie, weil es Licht aussendet. Je schneller die Beschleunigung, desto stärker wird das Licht, das bis das 10’000-fache eines Sonnenstrahls erreichen kann.

Das ausgesendete Licht ist die Synchrotronstrahlung. Sie ist umgekehrt proportional zur Teilchenmasse und zur Kraft hoch vier.

Anders gesagt: Je schwerer das Teilchen, desto weniger Energie verliert es im Kreis. Für Protonen sind Kreis-Beschleuniger logisch, weil sie durch die Synchrotronstrahlung viel weniger Energie verlieren.

Für Elektronen, die viel leichter sind, liegen lineare Beschleuniger auf der Hand.

(Übersetzung aus dem Französischen: Renat Kuenzi)