Wie weiter mit der Urknall-Maschine?

Sobald der LHC vollständig läuft, werden sich die Wissenschaftler gespannt auf die Suche nach Teilchen und Phänomenen machen, die für dunkle Materie und dunkle Energie verantwortlich sind. Keystone

Der neue und verbesserte Large Hadron Collider (LHC) am Genfer Cern – der stärkste Teilchenbeschleuniger der Welt – soll bald wieder hochgefahren werden. Und dies mit der zweifachen Energieleistung des ersten Durchlaufs vor drei Jahren. Physiker Dave Charlton gibt einen Einblick, was dabei zu erwarten ist.

swissinfo.ch: Der LHCExterner Link im Boden unter der Europäischen Organisation für Kernforschung Cern in GenfExterner Link wird eben erst nach einer wichtigen Operation aus dem Tiefschlaf geholt. Wie wurde sichergestellt, dass er auf dem doppelten Energieniveau als bisher laufen kann?

Dave Charlton: Die Hauptarbeit während der letzten zwei Jahre war, alle Verbindungen zwischen den supraleitenden Magneten rund um den Ring des LHC zu öffnen, zu testen und nötigenfalls zu reparieren. Das bedeutet, das System kann die höheren elektrischen Ströme aufnehmen, die für die grösseren Energien in den neuen Durchläufen des LHC nötig sind. Es ist gewissermassen eine neue Maschine.

swissinfo.ch: Wann wird der LHC mit voller Kapazität laufen, das heisst mit 13 TeV (Tera Elektronvolt) im Vergleich zu den 8 TeV beim Durchlauf von 2012?

D.C.: Der erste Protonenstrahl sollte Ende März im LHC laufen. Wir erwarten die ersten Daten der Strahlen, die mit hoher Energie kollidieren, etwa Mitte Mai.

swissinfo.ch: Sie sind sicher sehr gespannt auf die ersten Resultate… und mögliche neue Partikel.

D.C.: Es ist eine sehr aufregende Zeit. Doch man muss sich bewusst sein, dass es viel Zeit braucht, um diese Phänomene zu beobachten, die wir in den nächsten Jahren zu finden hoffen. Dazu brauchen wir viele Kollisionen und müssen zahlreiche Ereignisse untersuchen, um uns ein Bild davon zu machen, was genau geschieht. Nur so können wir nach aussergewöhnlichen Prozessen suchen.

Wir werden diesen Sommer Resultate haben. Das erwarten wir mit Zuversicht. Doch diese Resultate werden vermutlich nicht Entdeckungen neuer Partikel sein. Das kommt erst später. Wir wissen nicht, wann.

swissinfo.ch: Es wird viel darüber geredet, dass der neue LHC etwas Licht auf das Phänomen der dunklen Materie werfen soll. Was denken Sie darüber?

D.C.: Dunkle Materie ist ein echtes Problem in der heutigen Physik. Sie ist eines der grossen Rätsel. Wir verstehen nicht, aus was 95% des Universums bestehen. Von astronomischen Beobachtungen wissen wir, dass es im Universum dunkle Materie gibt – vermutlich fünf Mal so viel wie normale Materie, die wir sehen können.

Was ist sie also? Wir wissen es nicht. Eine sehr wahrscheinliche Möglichkeit ist die Theorie der Supersymmetrie, gemäss der dunkle Materie aufgrund von Partikeln existiert, die wir mit dem LHC sollten reproduzieren können.

Dave Charlton, Physiker und Sprecher des Atlas-Experiments am Cern. cern.ch

Wenn wir also die Maschine wieder anschalten, sind wir echt daran interessiert, ob wir dabei zusehen können, wie Partikel von dunkler Materie entstehen. Generell reden wir von Teilchen dunkler Materie. In den Modellen der Supersymmetrie aber, in den so genannten SUSY-Modellen, gibt es jede Menge an verrückten und wundervollen Namen wie Charginos, Neutralinos, Gluinos und so weiter.

swissinfo.ch: Wie funktioniert Supersymmetrie?

D.C.: Die Supersymmetrie ist ein Modell, das voraussagt, dass es eine ganz neue Reihe von Teilchen gibt, die wir noch nicht entdeckt haben. Es ist symmetrisch insofern, als dass zu jedem Partikel, den wir sehen können, ein Gegenstück mit ähnlichen, aber unterschiedlichen Eigenschaften existieren sollte.

Es ist schwierig, das in einfachen Worten zu erklären. Man kann es aber ähnlich betrachten wie damals vor einem Jahrhundert, als entdeckt wurde, dass neben der normalen Materie auch Antimaterie existiert. Das Anti-Elektron wurde Mitte des letzten Jahrhunderts entdeckt. Die Leute kratzten sich am Kopf, als sie realisierten, dass es der Partner des Elektrons, tatsächlich aber ein Anti-Partikel ist. Sollte es die Supersymmetrie geben, werden wir eine ganze neue Reihe an Partikeln entdecken, die schwerer als sichtbare Teilchen sein sollten.

Vielleicht erklärt sich die dunkle Materie aber auch durch etwas, was nicht Supersymmetrie ist, uns aber trotzdem Partikel liefert, die wir reproduzieren können. Es gibt so viele offene Fragen, die wir untersuchen wollen.

swissinfo.ch: Droht das Risiko, dass Sie nichts Neues finden?

D.C.: Es gibt diese Möglichkeit im nächsten dreijährigen Durchgang, dass wir neben dem einen [dem Higgs-Boson], das wir bereits gefunden haben [im Juli 2012], keine neuen Teilchen entdecken.

Doch ich möchte betonen, dass wir ein tolles Programm aufgegleist haben, um das Higgs-Boson zu untersuchen. Wir wissen nicht viel darüber. Wir haben eine Prognose, wie es im Standardmodell aussehen sollte, doch wir sind erst daran, seine Eigenschaften zu bestimmen.

Es ist ein Programm über 20 Jahre, um das Higgs-Boson zu untersuchen und es besser zu verstehen. Es könnte ein Fenster in eine neue Physik oder was auch immer sein, indem wir diesen Partikel im Detail untersuchen und genauer ausmessen.

Es könnten auch weitere Higgs-Teilchen existieren. Die Supersymmetrie sagt mindestens fünf davon voraus. Zu jedem anderen Partikel, den wir entdeckt haben, fanden wir schwerere Partner. Vielleicht gibt es eine schwerere Variante des Higgs.

Der Large Hadron Collider (LHC) mit seinen vier Detektoren-Experimenten (ATLAS, CMS, LHCb und ALICE) befindet sich in einem 27 km langen, kreisförmigen Tunnel, 100 m unter der Erdoberfläche bei der Europäischen Organisation für Kernforschung (Cern) an der schweizerisch-französischen Grenze nördlich von Genf. (Ansicht von Norden) cern.ch

swissinfo.ch: Wie genau hilft Ihnen eine Leistungssteigerung der Energie bei der Suche nach neuen Teilchen?

D.C.: Der grösste Effekt dieses Jahr wird durch die höhere Energie der Strahlen erreicht werden. Mit energiereicheren Strahlen schaffen wir stärkere Kollisionen, und gemäss Einsteins Formel E=mc2 bedeutet das, wir können massivere Partikel herstellen. Das heisst, wir haben viel mehr Reichweite und Leistungsfähigkeit als zuvor, um sehr schwere Partikel zu produzieren. Das ist dieses Jahr der grosse Schritt.

In den folgenden Jahren werden wir die Kraft der kollidierenden Strahlen noch viel stärker erhöhen und so mehr Daten sammeln können. Damit sollten wir auch in der Lage sein, nach seltenen Prozessen Ausschau zu halten. Doch den wirklich grossen Schritt machen wir dieses Jahr. Es ist der grösste Schritt im LHC-Programm.

swissinfo.ch: Wie ist die Stimmung unter den verschiedenen Teams am Cern im Moment?

D.C.: Die Aufregung ist greifbar. Die Leute sind 24 Stunden am Tag an sieben Tagen pro Woche da. Es herrscht eine super Stimmung. Alle freuen sich auf die neuen Daten. Da wir das Experiment schon einmal durchgeführt haben, wissen wir, dass es funktioniert, und wir tolle Daten erhalten werden. Und diese können wir sofort physikalisch nutzen. Deshalb ist die Aufregung bei weitem die dominierende Stimmung.

LHC

Der 6,5 Mrd. Fr. teure Large Hadron Collider (LHC)Externer Link, erdacht in den frühen 1980er-Jahren, ist der stärkste je gebaute Teilchenbeschleuniger. Er befindet sich in einem kreisrunden Tunnel von 27 km Durchmesser, 100 Meter unter der Europäischen Organisation für Kernforschung CernExterner Link an der schweizerisch-französischen Grenze nördlich von Genf.

In dieser riesigen so genannten Protonenschleuder rotieren hochenergetische Protonen auf zwei Strahlen in gegenteiliger Richtung und prallen jede Sekunde hunderte Male kontrolliert aufeinander. Auf diese Art werden an vier Punkten in der Maschine exotische Partikel gesucht. Tausende supraleitende Magneten lenken die mit annähernd Lichtgeschwindigkeit rotierenden Strahlen. Die Spuren der nach einer Kollision neu entstandenen Materie werden dann auf riesigen Detektoren festgehalten. Der LHC soll während der nächsten 20 Jahre laufen, mit mehreren Pausen für Aufrüstungs- und Wartungsarbeiten.

(Übertragen aus dem Englischen: Christian Raaflaub)