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Die Zukunft der Elementarteilchen#

Umbruch im Cern, dem größten Forschungszentrum der Teilchenphysik: Ab jetzt geht es um das unbekannte Universum.#


Mit freundlicher Genehmigung übernommen aus der Wiener Zeitung, 5. Oktober 2019

Von

Eva Stanzl


Cern
Das Higgs-Teilchen konnten die Cern-Forscher schon nachweisen. Welche Grenzen des Wissens sie nun überschreiten wollen, erfuhr die "Wiener Zeitung" bei einem Besuch auf Einladung des Instituts für Hochenergie
Foto: © APA (AFP)

Und stopp. In 103,4 Meter Tiefe bleibt der Lift stehen. Das Ziel ist erreicht. Die Helme tragende Besuchergruppe folgt Niko Neufeld zum Untertag-Experiment im schweizerisch-französischen Grenzgebiet zwischen den Voralpen und den Ausläufern des Jura. Der Physiker führt zum "Large Hadron Collider beauty" (LHCb). Die zinshausgroße Messanlage ist einem Welträtsel auf der Spur: Antimaterie.

Die Teilchenphysik geht davon aus, dass der Kosmos kurz nach dem Urknall aus 19 Elementarteilchen bestand, die sich in Leptonen, Quarks und Bosonen gruppieren. Aus diesen Materieteilchen und den Wechselwirkungen zwischen ihnen entstanden die fundamentalen Bausteine, aus denen die Welt wurde, wie sie ist. Aus Quarks entstanden Protonen und Neutronen, aus denen Atomkerne aufgebaut sind. Die bekannte Materie besteht aus Atomen. Menschen, Tiere, Pflanzen, Planeten und Sterne sind also im Grunde ein Produkt der elementaren Materieteilchen.

Am Cern, der größten Maschine der Welt, wird physikalische Grundlagenforschung betrieben. Im 27 Kilometer umspannenden Beschleunigerring "Large Hadron Collider" (LHC) werden die Zustände im All kurz nach dem Urknall nachgestellt. Als Grundlage dient Albert Einsteins Formel E=mc2: Energie und Masse können ineinander umgewandelt werden.

Die seltene Schönheit der Antimaterie#

Im LHC werden Protonen (Blei-Kerne) auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und gegenläufig um den Ring gejagt in der Hoffnung, dass sie zusammenprallen. Bei der Kollision zerfallen sie zu Elementarteilchen, sodass eine Situation entsteht, die den Bruchteil-Sekunden nach dem Urknall gleichkommt. Auf diese Weise wurde 2012 das Higgs-Boson, das der Welt Masse verleiht, nachgewiesen. Nachweis und Vorhersage wurden mit dem Nobelpreis gekrönt. Doch nicht jedes Experiment liefert so eindeutige Antworten. Physiker haben Hinweise, dass in der kosmischen Vergangenheit zu jedem Teilchen ein Antiteilchen gehörte, das die entgegengesetzte Ladung hatte. Das Problem ist nur, dass die Antiteilchen seither verschwunden sind und niemand weiß, warum. Präzise Beobachtungen mit dem LHCB sollen helfen, dahinterzukommen.

"Das Experiment spezialisiert sich auf eines der sechs Quarks, nämlich das Beauty-Quark. Dieses weist einen ausgeprägten Unterschied zu seinem eigenen Anti-Quark auf und ist relativ langlebig. Man kann es also recht gut studieren", erklärt Neufeld. Der Wiener Experte zeichnet für die IT-Infrastruktur des LHCb verantwortlich und arbeitet seit 15 Jahren am Cern. "Je mehr Energien wir durch den Beschleuniger schicken, desto mehr verschiedene Teilchen bekommen wir. Ab und zu erhalten wir seltene Zerfälle, darunter auch Antiteilchen." Allerdings sehen die Forscher sie nur im Messgerät. Im All finden sie nichts davon. "Da Materie und Antimaterie einander vernichten, wenn sie aufeinandertreffen, müssten wir Strahlenblitze am Nachthimmel sehen. Doch es gibt keine dieser charakteristischen Energieblitze", erklärt der Forscher der aufmerksam zuhörenden Gruppe.

Physiker gehen davon aus, dass die Natur symmetrisch ist. Es stellt sie vor Rätsel, wenn etwas in der Symmetrie fehlt. Sie begründen die Asymmetrie damit, dass Antimaterie schneller zerfällt als Materie, und zwar so lange, bis keine Antimaterie mehr da ist. Der bisher gemessene Unterschied ist jedoch zu gering. "Es gibt eine echte Differenz zwischen den Messergebnissen und den Beobachtungen in der Natur", betont Neufeld, während er gelenkig in Turnschuhen um das Experiment herumgeht: "Das heißt, es muss noch ein anderer Unterschied existieren. Ihn wollen wir finden."

Nachweis, dass das Bekannte "ekelhaft gut funktioniert"#

Das Standardmodell der Teilchenphysik beschreibt alle bekannten Phänomene des Mikrokosmos anhand der elementaren Materieteilchen. "Bisher konnten wir nachweisen, dass das Standardmodell ekelhaft gut funktioniert", sagt Neufeld. Ekelhaft daher, weil es in seiner Perfektion bisher kein Tor zu einer neuen Physik eröffnet hat. Seit dem Nachweis des Higgs-Teilchens, das der Materie Masse verleiht, gilt das Standardmodell als bewiesen. Alles darüber hinaus bleibt ein Mysterium. Zumindest bisher.

Menschen, Tiere, Pflanzen, Erde, Sonne und Sterne sind für uns alles. Auf einer größeren Skala macht die sichtbare Materie jedoch lediglich fünf Prozent des Universums aus. Im Dunklen steht die Physik, was die unsichtbaren Phänomene betrifft. Dunkle Materie und dunkle Energie nennt sie bezeichnenderweise "die dunkle Seite des Universums".

Da sie kein Licht reflektiert, ist dunkle Materie für das Auge nicht sichtbar. Ihre Existenz wird postuliert, weil laut dem Standardmodell nur sie die Bewegung der sichtbaren Materie im All erklärt, insbesondere die Geschwindigkeit, mit der Sterne das Zentrum ihrer Galaxien umkreisen. Die Natur der Dunklen Materie ist eine offene Frage der Kosmologie. Genau genommen ist nicht einmal klar, aus welchen Teilchen sie besteht. Noch weniger weiß die Wissenschaft über die dunkle Energie, die wie eine unsichtbare Kraft das Universum immer schneller auseinandertreibt.

Den Schlüssel zu einer Physik, die diese fremdartigen Phänomene schlüssig erklärt, vermuten die Cern-Forscher darin, bekannte Phänomene in Hochauflösung unter die Lupe zu nehmen. Das mag paradox erscheinen, doch eine neue Theorie gibt es nicht. Sie wollen das noch wenig bekannte Higgs-Teilchen in großem Detail studieren und neue Zerfallsprodukte mit gesteigerten Energiemengen erzeugen. In einer ersten Ausbaustufe wird der LHC zum HiLumi LHC (von "High Luminosity" für hohe Leistungsfähigkeit) aufgerüstet. Der Beschleuniger soll ab 2025 viel leistungsstärkere Magneten besitzen und es sollen mehr Protonen auf Kollisionskurs gebracht werden. Der LHC schafft heute eine Milliarde Protonenkollisionen in der Sekunde. Die Physiker wollen mindestens fünf Milliarden Zusammenstöße erreichen und stärker fokussieren.

Danach wird gebohrt und getunnelt. Für die Zeit ab 2040 ist ein gigantischer Teilchenbeschleuniger angedacht. Anders als das HiLumi LHC-Projekt, dessen Kosten mit einer Milliarde Euro beziffert werden, soll der rekordartige Future Circular Collider (FCC) bei den 23 Mitgliedsstaaten mit 10,5 Milliarden Euro zu Buche schlagen. (Zum Vergleich: Die bisherigen Gesamtkosten für ihren selbst verschuldeten Diesel-Skandal beziffert die Firma VW mit 40 Milliarden Euro.) Eine Alternative zum Ring wäre ein günstigerer Linear-Beschleuniger, der aber laut den Cern-Forschern einer neuen Physik weniger zweckdienlich ist.

Zukunftsplanung ohne neue Theorie#

Als Entscheidungsgrundlage für oder gegen den 100 Kilometer umspannenden FCC, der in 500 Metern Tiefe teils unter dem Genfer See verlaufen soll, haben sie im Rahmen einer neuen europäischen Strategie für Teilchenphysik ihr Konzept vorgelegt. Bis zum Frühling 2020 soll über die Richtung entschieden werden.

Michael Benedikt rührt im "Restaurant 1" des Cern im Grenzort Meyrin seinen Kaffee um. "Wir verfolgen zwei Stoßrichtungen", sagt der in Tirol geborene Studienleiter. "Wir wollen entweder bekannte Teilchen wesentlich genauer vermessen oder in Bereiche vorstoßen, in denen wir neue Teilchen erzeugen können. Da beide Stoßrichtungen sich in dem gigantischen Ringbeschleuniger verfolgen lassen, wäre es logisch, eine nach der anderen durchzuführen."

Dem ersten Ansatz zufolge werden in einem Leptonen-Beschleuniger Elektronen und Positronen aufeinandergejagt, um bekannte Teilchen präziser zu vermessen. Der zweite, "längerfristige" Ansatz ist ein Hadronen-Beschleuniger, in dem so wie im LHC Protonen mit Protonen kollidiert, jedoch auf einer viel höheren Energieskala. "Man hofft, durch eine extreme Energie eine neue Physik zu entdecken", erläutert Benedikt.

Leptonen sind Fundamentalteilchen. Sie haben keine Unterstruktur, sind also wie zwei Punkte. Zwei leichte Leptonen treffen sich entweder, oder sie treffen sich nicht. "Wenn sie sich aber treffen, sind nur die zwei Teilchen am Stoß beteiligt. Somit kennen wir die Kollisionsparameter wahnsinnig genau", erklärt er. Das ermögliche hochpräzise Messungen, etwa am Higgs-Boson. Im Hadronen-Collider kollidieren Protonen, die eine Unterstruktur von Quarks haben. "Sie treffen sich in einer weniger klar definierten Umgebung. Doch ihre Schwere erlaubt es, auf viel höhere Energien zu beschleunigen, was die Chancen auf unbekannte Teilchen erhöht." Rundherum tragen Forscher Tabletts mit Mittagessen zu Tischen. Es ist 12.30 Uhr im weltgrößten Forschungszentrum der Teilchenphysik mit seinen 3400 Mitarbeitern und 14.000 Gastforschern, die Kantine brummt.

Wiener Zeitung, 5. Oktober 2019