Large Hadron Collider feiert 10. Geburtstag

Luftaufnahme des LHC an der französisch-schweizerischen Grenze, mit Genfersee und Alpen im Hintergrund. Maximilien Brice/CERN

Vor zehn Jahren explodierten Protonen und Champagnerkorken vor den Toren Genfs, als Wissenschaftler den Beginn einer neuen Ära der Teilchenphysik feierten. Ein Blick zurück auf die Inbetriebsetzung des Large Hadron Collider (LHC) und die wichtigsten Meilensteine des grössten wissenschaftlichen Experiments der Menschheitsgeschichte.

Am 10. September 2008 wurde der LHCExterner Link, der weltweit leistungsfähigste Teilchenbeschleuniger bei der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN), in Betrieb genommen. Zur Eröffnung wurde ein erster Protonenstrahl um den 27 Kilometer langen Ring supraleitender Magnete tief unter der schweizerisch-französischen Grenze geschickt.

Für die tausenden Wissenschaftler, Ingenieure und Techniker war es eine bahnbrechende Leistung. Sie hatten während Jahrzehnten eine kolossale Untergrundmaschine geplant und gebaut, welche die Geheimnisse der modernen Physik erschliessen, Fragen nach dem Universum und dessen Ursprüngen beantworten und die Bedingungen kurz nach dem sogenannten Urknall vor 13,7 Milliarden Jahren wiederherstellen sollte.

Die Maschine im Wert von 9,6 Milliarden Franken hatte allerdings einen problematischen Start. Nur wenige Tage nach der Einweihung wurde das Projekt ausgesetzt, als eine schlecht gelötete elektrische Verbindung überhitzt wurde, was zu erheblichen Schäden an Teilen des Colliders in einer Tiefe von etwa 100 Metern führte. Nach rund 40 Millionen Franken an Reparaturen wurde sie im November 2009 wieder in Betrieb genommen – und die verlorene Zeit schnell wieder aufgeholt.

Auf der Suche nach exotischen Teilchen prallen im riesigen unterirdischen Collider hochenergetische Protonen, die sich in zwei gegenläufigen Strahlen nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegen, an vier Stellen in der Maschine aufeinander. Der Schutt wird dann von riesigen Detektoren erfasst, und Wissenschaftler analysieren die Ergebnisse.

Laut CERN sind die Partikel so klein, dass das Ziel, sie zum Kollidieren zu bringen, vergleichbar ist mit dem Experiment, zwei Nadeln im Abstand von 10 Kilometern mit einer solchen Präzision abzufeuern, dass sich diese auf halbem Weg treffen.

Eine Luftaufnahme des LHC an der französisch-schweizerischen Grenze, im Hintergrund der Genfersee und die Alpen. © 2008-2018 CERN (License: CC-BY-SA-4.0)

In den letzten Jahren lief der LHC reibungslos. Die Leistung wurde langsam gesteigert und die Quote der Partikelkollisionen nahm zu, so dass die Wissenschaftler auf der Suche nach exotischen Partikeln wertvolle Daten erhielten.

2012 war für das CERN ein Durchbruchsjahr. Am 4. Juli gaben die Wissenschaftler bekannt, dass sie überwältigende Beweise für ein neues Teilchen hätten: das kaum fassbare Higgs-Teilchen (Boson), der Dreh- und Angelpunkt des Standardmodells der Teilchenphysik-Theorie über den Urknall. Von diesem Teilchen wird angenommen, dass es anderen Objekten und Kreaturen im Universum Masse verleiht.

Die Entdeckung des Higgs-Teilchens markierte den Höhepunkt jahrzehntelanger intellektueller Bemühungen vieler Menschen auf der ganzen Welt. Zwei Wissenschaftler – Peter Higgs aus Grossbritannien und François Englert aus Belgien – erhielten den Nobelpreis für Physik für ihre Arbeiten zur Theorie des Higgs-Bosons. Aber die Entdeckung des Higgs-Bosons bedeutet noch lange nicht das Ende der Geschichte. Die Forscher müssen das Teilchen im Detail untersuchen, um seine Eigenschaften zu messen.

Um neue physikalische Fragen zu beantworten und ein klareres Bild der subatomaren Welt sowie neuer Phänomene wie dunkle Materie und dunkle Energie zu erhalten, wurde der LHC seit seiner ersten dreijährigen Laufzeit verbessert, wodurch die Energie und die Anzahl der Kollisionen stetig erhöht wurden.

Sechs Jahre nach der Bestätigung der Existenz des Higgs-Teilchens wird die Maschine mit Kosten von 1,2 Milliarden Franken überholt, um die «Leuchtkraft» zu erhöhen. Die Strahlen der aufeinanderprallenden Protonen werden fokussiert, um die Anzahl der Partikelkollisionen zu verzehnfachen, was die Wahrscheinlichkeit erhöht, etwas Ungewöhnliches zu entdecken. Nach der Aufrüstung soll das LHC laut CERN in der Lage sein, 15 Millionen Higgs-Teilchen pro Jahr zu produzieren, anstatt «nur» drei Millionen wie 2017.

Der LHC soll bis 2040 betrieben werden. Aber das CERN denkt bereits über seinen Nachfolger nach. Wissenschaftler arbeiten an Entwürfen für eine leistungsfähigere Maschine, bekannt als Future Circular ColliderExterner Link (FCC), um die derzeit am LHC durchgeführte Forschung zu erweitern.

Der FCC könnte einen Umfang von 80 bis 100 Kilometern haben und die Energie- und Intensitätsgrenzen der Partikelcollider stark erhöhen, mit dem Ziel, Kollisionsenergien von 100 Tera Elektronenvolt (TeV) zu erreichen. Der LHC läuft mit 14 TeV. Derzeit wird eine fünfjährige Forschungsstudie durchgeführt.

(Übertragung aus dem Englischen: Peter Siegenthaler)