Physiker planen bei Genf neuen gigantischen Beschleuniger

Der Ring der Ringe, 100 Kilometer lang und Kosten im zweistelligen Milliardenbereich: Ein neuer Beschleunigerring soll viermal so gross wie der jetztige werden. Und was wird damit angestrebt?

Bild: Felix Schaad, Tages-Anzeiger

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Immer grösser, immer stärker, immer teurer – das ist das Motto der Teilchenphysiker am Cern. Kaum sind die Freudentränen über den Nobelpreis für das Higgs-Teilchen getrocknet, denken die Physiker über eine noch grössere Weltmaschine nach, als es der LHC ist. Das Cern erwägt den Bau eines mehrere Milliarden teuren neuen Ringbeschleunigers, der fast viermal grösser ist als der LHC und die kleinsten Teilchen mit einer zehnmal höheren Energie aufeinanderprallen lassen könnte. Damit erhoffen sich die Physiker neue Erkenntnisse über die allerletzten Geheimnisse der Materie. Für sie ist klar: Der Aufbruch in ein neues Zeitalter der Hochenergie-Teilchenphysik hat eben erst begonnen. Und der Weg dahin führt nur über neue Riesenbeschleuniger. Hier möchte auch das Cern nicht abseitsstehen.

Noch im vergangenen Herbst sagte Cern-Direktor Rolf Dieter Heuer, dass ein neuer Beschleuniger auf keinen Fall in Genf gebaut werde. In unangefochtener Poleposition war der Linearbeschleuniger ILC (International Linear Collider), der in Japan gebaut werden soll: ein 31 Kilometer langer, schnurgerader Tunnel, in dem Elektronen aufeinandergeschossen werden und in der Mitte mit hoher Energie kollidieren. Projekte für einen Linearbeschleuniger als Nachfolger des LHC wurden bisher auch am Cern favorisiert. Inzwischen hat die Meinung jedoch gedreht, zumindest unter den europäischen Physikern. «Das Projekt eines neuen Ringbeschleunigers wird nun sehr ernsthaft ins Auge gefasst», sagt Cern-Physiker Jörg Wenninger.

Neue Entdeckermaschine

Der Clou: Das Gerät könnte sowohl als Elektronenbeschleuniger wie auch als Protonenbeschleuniger benutzt werden. Protonenbeschleuniger gelten als Entdeckermaschinen, und mithilfe des Protonenbeschleunigers LHC wurde denn auch das Higgs-Teilchen entdeckt. Bestimmte Eigenschaften des Teilchens wie etwa die Masse können damit wegen der Komplexität der Protonen-Kollisionen nicht mit der nötigen Präzision gemessen werden. Diese Präzision kann jedoch ein Elektronenbeschleuniger liefern, weil dort sehr saubere Kollisionen von Elektronen bei exakt der gewünschten Energie stattfinden.

Nächste Woche nun findet an der Universität Genf ein dreitägiges Kick-off-Meeting statt. Den Anstoss dazu gab eine Vorstudie, welche die europäische Physikergemeinschaft 2012 bei einem Treffen in Krakau empfohlen hatte. Nun sollen die wissenschaftlichen und technischen Herausforderungen des neuen Beschleunigerrings erörtert werden. Zugleich wird eine Machbarkeitsstudie aufgegleist, in der die Physiker bis 2018 die grundsätzlichen Probleme eines solchen Megaprojekts studieren möchten. Für die Studie sind fünf Jahre veranschlagt, denn die Fragen und die technischen Hürden sind noch riesig, ganz zu schweigen von den sozioökonomischen Fragen, die ein solches Projekt aufwirft. Lohnt es sich, Milliarden von Franken – spekulative Schätzungen von Cern-Physikern gehen von mindestens 20 Milliarden Franken aus – für reinste Grundlagenforschung auszugeben?

Der neue Ringbeschleuniger wird derzeit noch unter dem Namen Future Circular Collider oder FCC geführt, was übersetzt künftiger Ringbeschleuniger heisst. In den Vorstudien wurde bereits eine Roadmap mit den wesentlichen Eckdaten ausgearbeitet. Demnach soll der Ring einen Umfang von 80 bis 100 Kilometern haben. Zum Vergleich: Der LHC-Beschleuniger hat einen Umfang von 27 Kilometern. Beim Kriterium Kollisionsenergie würde sogar eine zehnfache Verbesserung resultieren. Im FCC könnten mit Protonen Werte von bis zu 100 TeV (Tera-Elektronen-Volt) erreicht werden, während der LHC in Zukunft mit 13 bis 14 TeV laufen wird. Da die Kollisionsenergie die maximale Masse der Teilchen bestimmt, welche entdeckt werden können, ist dieser Wert entscheidend für die Physiker.

Welche Variante einmal gebaut wird und auf welche Art und Weise sie benutzt wird, ist noch alles andere als klar. Antworten darauf hängen auch von den Resultaten ab, welche der LHC in den nächsten Jahren liefert. Je nachdem müsste auch die Auslegung des neuen Tunnels angepasst werden. Doch so lange möchten die Wissenschaftler nicht warten. Denn eine derart grosse Maschine entsteht nicht von heute auf morgen. Von der ersten Idee bis zur Inbetriebnahme des LHC im Jahr 2008 dauerte es beispielsweise 25 Jahre. Heute schätzen die Physiker, dass der LHC bis längstens 2040 spannende Resultate liefern wird. Danach – so die Vermutung – können aus den gewonnenen Daten keine neuen Erkenntnisse mehr gezogen werden.

Magnete, die es noch nicht gibt

«Mit dem neuen Ringbeschleuniger möchten wir zwei Dinge herausfinden», sagt Jörg Wenninger, der selber einen Teil der Machbarkeitsstudie erarbeiten wird. «Zuerst würden wir ihn zehn Jahre lang als Elektronenbeschleuniger laufen lassen, um die Präzisionsphysik des Higgs zu machen. Dadurch versprechen wir uns auch schon Hinweise auf eine neue Physik.» In dieser Zeit könnte man die Technologie für den neuen Protonenbeschleuniger entwickeln. Denn gewisse Teile wie die Magnete, die es für die erforderlichen Magnetstärken von 16 bis 20 Tesla bräuchte, sind noch nicht einmal im Prototypenstadium. Wenn diese dann aus noch besser supraleitenden Materialien gebaut sind, könnte man den Elektronenbeschleuniger aus- und die neue Entdeckermaschine in den fixfertigen Tunnel einbauen. Dasselbe Verfahren wurde auch beim LHC angewandt, der in den Tunneln des vormaligen Elektronenbeschleunigers LEP eingebaut worden war.

Der Elektronenbeschleuniger wäre technologisch einfacher, das grosse Problem hierbei ist jedoch der Energiebedarf. Die mit fast Lichtgeschwindigkeit kreisenden Elementarteilchen werden ständig eine elektrische Leistung von 100 Megawatt abstrahlen. Unter der Annahme, dass der Beschleuniger mit einer Effizienz von 50 Prozent arbeitet, müssten 200 Megawatt allein zur Beschleunigung der Elektronen zugeführt werden. Zum Vergleich: Das AKW Gösgen hat eine elektrische Leistung von 1000 Megawatt. «Mit Sonnenkollektoren werden wir diese Leistung nicht hinbringen», sagt Wenninger. «Da stellt sich die Frage, ob die Physiker es sich leisten können, so viel Energie zu verbrauchen, wenn überall sonst gespart wird.»

Konkurrenz Japan und China

«Ein FCC als Elektronenbeschleuniger wäre das Konkurrenzprojekt zum japanischen Linearbeschleuniger ILC», sagt Wenninger. Allerdings stockt auch das Projekt ILC im Moment, die Finanzierung ist nicht gesichert, und viele europäische Physiker hoffen auf den Standort Genf – zumal hier mit dem Cern bereits ein grosser Teil der nötigen Infrastruktur wie Vorbeschleuniger vorhanden ist. Offiziell unterstützen die Physiker auch das ILC, inoffiziell herrscht eine «friendly competition».

Kommt hinzu, dass auch China einen neuen Mega-Ringbeschleuniger erörtert. Und obwohl die finanzielle Lage in den USA derzeit düster ist, möchten auch die US-Physiker die eigene neue Physik machen. Einig sind sich alle Wissenschaftler nur darin, dass wegen der ungeheuren Kosten nur eine Anlage gebaut werden wird. Deshalb will auch Cern-Direktor Heuer ein Nachfolgeprojekt in Genf nicht mehr von vornherein ausschliessen. Vor kurzem deutete er anlässlich eines Besuchs von Schweizer Wissenschaftsjournalisten unzweideutig an, dass das Cern der beste Ort wäre, um einen neuen Beschleuniger zu bauen. (Tages-Anzeiger)

(Erstellt: 06.02.2014, 06:33 Uhr)

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Das im LHC entdeckte Higgs-Teilchen ist zwar ein sehr wichtiger Bestandteil des Standardmodells der Teilchenphysik, das den Aufbau der bekannten Materie erklärt, also der Atome, Protonen, Elektronen und Neutronen, die unsere belebte und unbelebte Umwelt bilden. Astronomische Beobachtungen legen aber nahe, dass das Universum nur zu 5 Prozent aus der bekannten Materie besteht. Der Rest ist dunkle Materie und dunkle Energie.

«Theorie von allem»

Um diese Rätsel zu lösen, suchen die Physiker nach einer umfassenderen Theorie, der sagenhaften Weltformel oder «Theorie von allem». Sie glauben heute, dass zumindest für die dunkle Materie ein Teilchen gefunden werden kann, dessen Existenz aber noch unsicher ist und dessen Eigenschaften unbekannt sind. Nun mögen Zyniker sagen, dass Teilchenphysiker einfach die Zahl der postulierten Teilchen verdoppeln, wenn sie nicht mehr weiterwissen. Laut ETH-Physiker Rainer Wallny weisen aber viele experimentelle Befunde aus der Kosmologie und Astronomie auf die Existenz des Teilchens hin, das für die dunkle Materie verantwortlich sein soll.

Eine Theorie, die die Existenz von dunklen Materieteilchen erklären kann, ist die Supersymmetrie, die jedem Elementarteilchen ein Superteilchen als Partner zuordnet. Der Steckbrief eines solchen Teilchens: Es verhält sich elektrisch neutral wie das bekannte Neutrino des Standardmodells, ist aber viel schwerer. Erste experimentelle Hinweise auf ein solches Neutralino könnten schon die ab 2015 geplanten Laufzeiten am LHC bringen, in denen die Protonen mit nahezu doppelt so hoher Energie aufeinanderprallen sollen wie bisher. «Der LHC hat erst etwa 10 Prozent seines Potenzials ausgeschöpft», sagt Wallny.

Bleibt die Frage, wieso diese Maschinen immer grösser werden müssen. Der Grund erklärt sich aus Einsteins berühmter Formel E = mc2. Sie besagt, dass sich eine hohe Energie proportional zur Masse der Teilchen verhält.

Schwere Teilchen gesucht

In einem Teilchenbeschleuniger prallen Protonen oder Elektronen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aufeinander und zerbersten. Dabei wird die Kollisionsenergie in die Masse der Teilchen umgewandelt. Je mehr Energie eingesetzt wird, desto schwerere Teilchen lassen sich produzieren. Weil nach der Theorie alle unentdeckten Teilchen zur schwereren Sorte gehören, benötigen sie für die neue Physik immer stärkere Teilchenbeschleuniger.

Bei einem Ringbeschleuniger ist die maximale Energie abhängig von seinem Radius sowie von der Stärke der Magnete. Zum Vergleich: Die im Beschleunigerring auftretenden Energien entsprechen in etwa der Bewegungsenergie einer fliegenden Mücke. Die Kunst der Beschleunigerphysik ist es jedoch, diese Energie auf einen Bereich zu konzentrieren, der rund eine Milliarde Mal kleiner ist als eine Mücke.

Matthias Meili

Zum Vergrössern auf die Grafik klicken. (Bild: TA-Grafik)

Der Rap, der den Teilchenbeschleuniger LHC erklärt. (Quelle: Youtube)

Bildstrecke

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