Kernforschung

DIE ELITE DER PHYSIK SCHAUT GEBANNT AUF GENF: ENDE 2007 WIRD DER TEILCHENBESCHLEUNIGER LHC EINGESCHALTET. DAS GRÖSSTE WISSENSCHAFTSEXPERIMENT ALLER ZEITEN KÖNNTE DAS PHYSIKALISCHE WELTBILD REVOLUTIONIEREN.

Hier wollen sie also Gott auf die Spur kommen. Hundert Meter unter der Erde, in einem ringförmigen Tunnel von 27 Kilometern Länge sucht die Weltelite der Physik nach Antworten auf das Rätsel des Seins. Der Tunnel bohrt sich durch die Gesteinsmassen des Jura, streift das Flughafengelände von Genf, nähert sich dem Genfer See, quert die Grenze nach Frankreich – und beherbergt das größte Wissenschaftsexperiment aller Zeiten: Im Large Hadron Collider (LHC), dem größten Teilchenbeschleuniger der Welt, werden Protonen fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und gegeneinander gejagt. Über 11000 Runden dreht ein Proton durch den Tunnel – pro Sekunde. In turmhohen Detektoren, die in den Ring miteingebaut sind, krachen die Atomteilchen aufeinander. Aus den Spuren ihres Zusammenpralls wollen die Wissenschaftler der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN) mehr über die Bausteine dieser Welt erfahren. Für puristische Naturwissenschaftler sind Steine und Bäume, Tiere und Menschen nichts weiter als eine raffinierte Ansammlung von kleinsten Bausteinen. Atome rotten sich zusammen und formen alle Materie. Aber wieso verbinden sie sich? Darauf möchte die Physik Antworten finden, indem sie die Bedingungen des Big Bang vor gut 14 Milliarden Jahren imitiert. In einem gewaltigen Urknall soll sich das Universum blitzschnell ausgebreitet und sich Energie in Materie verwandelt haben. „Diesen Schöpfungszustand stellen wir nach“, sagt der Physiker Hans Falk Hoffmann. „Wir schaffen im Beschleuniger Energieverhältnisse, wie sie weniger als einen Wimpernschlag nach dem Urknall gewaltet haben.“

RIESIGE MASCHINEN SUCHEN KLEINSTE TEILCHEN
In den Ringbeschleuniger sind Detektoren eingebaut, die teilweise größer sind als das Brandenburger Tor.„Um kleinste Dinge zu sehen, brauchen wir riesige Maschinen.“ Hans Falk Hoffmann steht vor einem der Detektoren, der irgendwo tief unten unter französischen Äckern liegt. Wie Kuchenstücke liegen seine High-Tech- Bauteile um ein Berylliumrohr von fünf Zentimetern Durchmesser, in dem einmal die Teilchen aufeinanderprallen sollen. In ihm wird das Vakuum des Weltalls herrschen. Dort werden dann Protonenbündel durch Hochfrequenz-Resonatoren in Fahrt gebracht, von starken Magneten auf Spur gehalten und kurz vor den Kollisionspunkten auf eine Fläche von weniger als dem Querschnitt eines Haars zusammengedrückt. Ein Proton, ein Baustein des Atoms, ist so klein – auf einem i-Pünktchen in diesem Text hätten gut 500 Milliarden von ihnen Platz –, dass im LHC nur ein Bruchteil dieser Teilchen zusammenprallt. „Das Magnetfeld im Inneren des Beschleunigers ist 100000-fach stärker als das Erdmagnetfeld“, berichtet Dr. Vinod Chohan, Chef des Magnettestcenters des CERN.

Um solch ein irrwitziges Feld zu erhalten, werden die bis zu 15 Meter langen Magnet- Kolosse mit 96 Tonnen flüssigem Helium auf eine Temperatur heruntergekühlt, die niedriger ist als im Universum. Die Superkälte von minus 271 Grad Celsius wird benötigt, damit die Spulen supraleitend werden und fingerdicke Kabel an die 13000 Ampere ohne Widerstand durchlassen. Zum Vergleich: Leitungen in einem normalen Haushalt sind auf gut zehn Ampere ausgelegt.

RÄTSEL DES UNIVERSUMS
In diesem schöpfungsgleichen Zustand soll der LHC die großen Fragen der Menschheit erhellen:Was hält die Welt zusammen? Woher stammt der Stoff des Seins? Wieso dehnt sich der Weltraum schneller aus, als Masse und Schwerkraft es eigentlich erlauben? Eines der verblüffenden Rätsel für Physiker ist, weshalb die Elementarteilchen überhaupt Masse haben und warum diese manchmal klein und manchmal groß ist. „Wir glauben, dass es ein allgegenwärtiges Feld gibt, das Higgs-Feld, mit einem neuen Teilchen, dem Higgs-Boson“, erklärt der Physiker Dr. Jörg Wotschack. „Die Masse eines Teilchens wird umso größer, je intensiver es mit dem Higgs-Feld interagiert. Es könnte also sein, dass das Higgs-Teilchen allen anderen Partikeln ihre Masse verleiht.“ Manche Physiker nennen es auch „Gott-Partikel“, denn es ist der fehlende Baustein in der sogenannten Standard-Theorie. Diese versucht, die fundamentalen Bestandteile der Materie und ihre Wechselwirkungen zu erklären. Stimmt die Theorie, dann müsste das Higgs-Teilchen im LHC auftauchen. Allerdings dürfte es ein höchst flüchtiger Geselle sein:Unter 1013 Kollisionen erwarten die Physiker gerade mal ein zu registrierendes Higgs-Teilchen. „Das ist, wie wenn Sie die ganze Menschheit mit mehr als Tausend multiplizieren und dann einen einzigen Menschen suchen“, sagt Dr. Jörg Wotschack.

HUNDERTE MILLIONEN KOLLISIONEN PRO SEKUNDE
Auf seine Spuren werden superempfindsame Giganten angesetzt, die Detektoren. ATLAS ist der größte unter ihnen, ein Riese mit 25 Metern Höhe und 46 Metern Länge. Mit feinster Elektronik, Millionen von Sensoren, liest er die Spuren der Teilchenkollisionen aus. Mehr als eine Milliarde Teilchen werden pro Sekunde in den Detektoren gegeneinanderknallen und in Subteilchen zersplittern. Die Detektoren registrieren das so hochsensibel, dass sie ein Petabyte Daten pro Sekunde liefern. Ein Petabyte – das sind eine Billiarde Datenpäckchen.„Am meisten Anstrengungen haben wir darauf verwendet, wie wir in dieser Datenlawine die Spreu vom Weizen trennen“, sagt Hans Falk Hoffmann, Teamleiter beim CMS-Detektor. „Aus einer Milliarde Ereignissen pro Sekunde behalten wir nur 100 Ereignisse, mehr können wir gar nicht analysieren.“ Um den Datenmassen Herr zu werden, vernetzen die Wissenschaftler weltweit Großrechner.

DIE GANZE WELT MACHT MIT
Aus allen Kontinenten kommen Physiker, Ingenieure und Monteure, Institute und Firmen, um am LHC mitzubauen. Die 1232 Dipolmagnete, die den Teilchenstrahl auf seiner Spur halten, haben Deutschland, Frankreich und Italien gebaut. In Deutschland hat die Babcock Noell GmbH (BNG), eine auf Magnet-, Kern- und Umwelttechnik spezialisierte Tochterfirma von Bilfinger Berger Power Services, den Auftrag übernommen.„Das ist für uns eines der herausragenden Projekte“, sagt Michael Gehring, Leiter des Bereiches Magnettechnik bei der BNG. Die 15 Meter langen, 32 Tonnen schweren Dipole mussten auf 20 Mikrometer genau gebaut werden, das ist so fein wie ein Haar. „Wir brauchen diese Präzision, um den Teilchenstrahl ganz exakt zu führen und damit der Magnet supraleitend bleibt, sonst könnte er sogar durchbrennen“, sagt Michael Gehring. Dass Babcock Noell seine Magnete mehr als sieben Monate vor dem vertraglich fixierten Zeitpunkt ablieferte, brachte dem Unternehmen den Golden Hadron Award ein, einen Preis, den das CERN für besonders gute Zusammenarbeit vergibt.

WIE DIE FAHRT DES KOLUMBUS
„CERN ist wie ein Orchester“. Lucio Rossi sitzt in seinem Büro und schwärmt von einem Beethoven-Violinkonzert, in dem die Sologeige mit dem Orchester ringt,um schließlich in Harmonie mit ihm aufzugehen. Ein treffendes Bild für das Zusammenspiel von Topwissenschaftlern, Instituten und Industrie am CERN, wie der Chef der Beschleunigungstechnik findet:„Die Kunst ist, dass hier jeder sein Bestes gibt, und man das Ganze verbindet. Wir dürfen nie vergessen, wie viel einzelne Intelligenzleistungen hier drinstecken“, sagt der Professor. Wenn der Beschleuniger voraussichtlich im November 2007 eingeschaltet wird, dann läuft er noch nicht auf vollen Touren.„Das ist, wie wenn Sie zum ersten Mal in einen Ferrari steigen“, sagt Lucio Rossi. Den Sportwagen fahre man schließlich auch nicht sofort am Limit. „Wir können unseren Ferrari erst 2011 optimal nutzen“, erklärt der Physiker.„ Allerdings brauchen wir dazu Hunderte von Piloten.“ Doch was bedeutet es für die Physik, wenn der größte Teilchenbeschleuniger aller Zeiten nichts findet? Wenn sich das Higgs-Teilchen nicht zeigt? „Das wäre eine wunderbare Revolution“, sagt Hans Falk Hoffmann. Sein Fachkollege Lucio Rossi stimmt zu und erklärt den wundersamen Optimismus des Wissenschaftlers: „Der LHC ist wie die Fahrt des Kolumbus. Nicht das zu finden,was man erwartet, sondern etwas anderes – auch das ist eine Entdeckung.“

(Kirsten Wörnle / Text /// Cira Moro / Fotos)