CERN: Urknall-Simulation im Teilchenbeschleuniger LHC

Physiker ließen Teilchen mit noch nie dagewesener Energie aufeinander prallen. Dadurch sollen Bedingungen wie beim Urknall erzeugt werden. Die Angst vor "kleinen schwarzen Löchern" bleibt unbegründet.

Das bisher spannendste Experiment im weltgrößten Teilchenbeschleuniger Large Hadron Collider (LHC) am europäischen Kernforschungszentrum CERN geht in die nächste Runde. Unter Jubel und Applaus ließen Forscher Protonen mit bisher noch nie dagewesener Energie aufeinanderprallen. Schon Tage zuvor jagten Protonenstrahlen mit einer Stärke von jeweils 3,5 Tera-Elektronenvolt (TeV) durch den ringförmigen 27 Kilometer langen Tunnel der Forschungseinrichtung. Dass die Kollisionen überhaupt stattgefunden haben, war keine leichte Aufgabe, sagt CERN-Generaldirektor Rolf-Dieter Heuer: "Es ist, als ob sie zwei Nadeln über dem Atlantik zusammenstoßen lassen wollen."

Kleine Panne verzögerten Kollisionen

Das CERN überträgt das Experiment als Livestream-Video. Zum geplanten Zeitpunkt der Kollision gab es aber nichts zu sehen. Grund dafür war eine elektrische Störung, die das Sicherheitssystem des LHC dazu veranlasste, die hochenergetischen Teilchenstrahlen aus dem Beschleunigerring wieder hinauszuleiten. Die gigantische Maschine musste neu gestartet werden. Aber selbst die gelungenen Kollisionen waren für Zuseher nicht sonderlich spektakulär, abgesehen vom gezeigten Enthusiasmus der Physiker in den Kontrollräumen. Die Zusammenstöße der Elementarteilchen finden in riesigen Messgeräten statt, selbst die Forscher am CERN sehen nur Zahlen und Grafiken als Ergebnis.

Beginn einer neuen Ära

Für die Forscher beginnt jetzt die schwierige Arbeit, die Daten der Kollisionen zu analysieren. Am CERN freut man sich aber darauf, man sei "voller Emotionen", so Fabiola Gianotti, Sprecherin des Messgeräts ATLAS. Die Strahlen seien perfekt aufeinander geprallt, wodurch man eine Menge Daten gewinnen konnte. "Das ist der Beginn einer neuen Ära der Physik-Forschung", so Gianotti.

Keine schwarzen Löcher

Die Befürchtung vieler Kritiker, dass bei der Kollision mit einer Energie von 7 TeV mikroskopische schwarze Löcher entstehen könnten, teilen die Physiker nicht. Aufgrund der Prinzipien der Schwerkraft sei es unmöglich, dass solche schwarzen Löcher auftreten könnten, schreibt das CERN in einem Artikel über die Sicherheit des LHC. Der Weltuntergang stehe nicht bevor, sagt Heuer. Da bisher die Erde noch nicht implodiert ist, dürfte er Recht behalten. Von ihren Experimenten erhoffen sich die Wissenschafter Aufschlüsse über die Entstehung des Universums und der Materie vor 13,7 Milliarden Jahren. Unter anderem suchen die Forscher auf nach dem bisher nur theoretisch bekannten Higgs-Boson, das für das aktuelle Standardmodell der Physik von großer Bedeutung ist.

Der weltweit größte Teilchenbeschleuniger Large Hadron Collider (LHC) wurde im September 2008 bei Genf in Betrieb genommen. Physiker aus aller Welt erhofften sich Antworten auf grundlegende Fragen nach Ursprung und Aufbau der Welt. Bereits wenige Wochen später musste das Experiment wegen einer Panne abgebrochen werden. Inzwischen läuft die größte Maschine der Menschheit wieder und liefert Ergebnisse. (c) Reuters (Denis Balibouse)

Am 4. Juli 2012 konnten die CERN-Forscher einen bahnbrechenden Durchbruch vermelden. Sie fanden ein neues Teilchen, das recht genau den bisher nur theoretischen Angaben des Higgs-Bosons entspricht. Jubel und Standing Ovations waren die Folge. (c) EPA (DENIS BALIBOUSE / POOL)

Seit Ende März 2010 lief der LHC mit der Hälfte seiner möglichen Energie. Protonenstrahlen prallen mit annähernd Lichtgeschwindigkeit mit einer Energie von 3,5 Teraelektronenvolt (TeV) pro Strahl aufeinander. Noch nie wurden Teilchen mit so einer Energie auf einander gejagt. Am 5. April 2012 wurden erstmals Strahlen mit jeweils 4 TeV genutzt. (c) REUTERS (DENIS BALIBOUSE)

Die Kollisionen seien technisch höchst schwierig zustande zu bringen, so CERN-Direktor Rolf Heuer. "Wie wenn man zwei Stecknadeln im Flug treffen will." (c) AP (SALVATORE DI NOLFI)

Trotzdem gelang den Forschern und Technikern aber diese scheinbar unmögliche Aufgabe. Der LHC produziert inzwischen unzählige Kollisionen, die ausgewertet werden müssen. (c) EPA (SALVATORE DI NOLFI)

Vor dem Neustart des Large Hadron Collider im November 2009 herrschte Hochbetrieb am CERN. Alle Systeme wurden sorgfältig überprüft. (c) AP (Fabrice Coffrini)

Die Forscher jubelten bei der Wiederinbetriebnahme der größten Maschine der Menschheit. (c) EPA (BRICE / CERN / HANDOUT)

Erste Kollisionen konnten damals schon durchgeführt werden. Hier im Bild der ATLAS-Detektor.

Auch der riesige CMS-Detektor konnte Kollisionen aufzeichnen. Noch ist der Teilchenbeschleuniger aber mit reduzierter Leistung unterwegs. Die großen Entdeckungen sollen erst später kommen.

CERN-Direktor Rolf Heuer warnte vor allzu großer Euphorie. Der LHC sei wie ein neues Auto, das man erst langsam einfahren müsse. "Wir können nicht gleich Vollgas geben", erklärte Heuer bei einer Pressekonferenz anlässlich des Neustarts. Die Vorsicht ist berechtigt. Immerhin warf ein Fehler im Kühlsystem das gigantische Experiment um ein Jahr zurück. (c) AP (LAURENT GILLIERON)

Der Schaden trat im Sektor 3 - 4 der Anlage auf. Dort war eine fehlerhafte elektrische Verbindung zwischen zwei Magneten die Ursache für einen Defekt. Der Teilchenbeschleuniger musste deshalb bis Ende Oktober 2009 ruhen. (c) CERN

Die fehlerhafte elektrische Verbindung (im Bild) verursachte einen Schaden an den Supraleiter-Magneten, weshalb aus diesen das Kühlmittel Helium austrat. (c) CERN

Im Bild ist die Halterung eines Magneten zu sehen. Insgesamt mussten die Techniker des CERN 53 Magneten ausbauen. Anfang Mai war die Reparatur fertig und alle 53 Stück wieder unter der Erde. Bis Herbst soll die Reparatur abgeschlossen sin. (c) CERN

Mehr als 100 Meter unter der Erde hatten die Wissenschafter Elementarteilchen fast mit Lichtgeschwindigkeit aufeinander schießen und dabei eine Glut entstehen lassen, wie sie unmittelbar nach dem Urknall herrschte, also bei der Geburt des Universums. (c) EPA (FABRICE COFFRINI)

Rascher als erwartet war es den CERN-Technikern nach dem Start am 10. September gelungen, zwei Protonenstrahlen in die 26,7 Kilometer langen Vakuumröhren des LHC einzuschießen. Bereits innerhalb des ersten Tages legten die Teilchen bereits eine Strecke von 8000 Kilometer zurück. Zu Kollisionen ist es dann nicht mehr gekommen ... (c) reuters (Denis Balibouse)

Die Maschine musste nach einer Überhitzung abgeschaltet werden. Die Betriebstemperatur von minus 271,3 Grad konnte nicht gehalten werden. Im Herbst 2009 soll der LHC wieder in Betrieb genommen werden und dann kontinuierlich laufen. Weiter: Spektakuläre Fakten über die "größte Maschine der Welt". (c) AP (Fabrice Coffrini)

Obwohl der LHC gebaut wurde, um die kleinsten Bausteine der Welt zu erforschen, ist er die größte und komplexeste Maschine, die je geschaffen wurde. Der LHC hat einen Durchmesser von 27 Kilometer und liegt 100 Meter unter der Erde. (c) reuters (Denis Balibouse)

Bei voller Energie rasen rund 11.000 Mal pro Sekunde Billionen an Protonen durch den LHC. Die Teilchen bewegen sich mit 99,9 Prozent der Lichtgeschwindigkeit. (c) reuters (Denis Balibouse)

Wenn zwei Protonenstrahlen aufeinandertreffen, entstehen Temperaturen, die 100.000 Mal heißer sind als die Sonne. Das Kühlsystem hält den LHC durch flüssiges Helium auf einer Temperatur von minus 271,3 Grad Celsius. (c) reuters (Denis Balibouse)

Die Daten, die bei dem Experiment anfallen, werden rund 100.000 Dual-Layer DVDs pro Jahr füllen.Im Bild: Der GRID-Speicherraum im CERN Computer-Zentrum. (c) EPA (FABRICE COFFRINI)

Um die Ergebnisse der Teilchenkollisionen erfassen zu können, haben die Wissenschaftler Geräte konstruiert, mit denen sich die dabei entstehenden Partikel bis auf wenige Milliardstel Sekunden messen lassen und ihr Ort auf Millionstel Meter genau bestimmt werden kann. (c) reuters (Denis Balibouse)

Das CERN übernimmt mit dem Beschleuniger wieder eine Führungsrolle bei der experimentellen Teilchenphysik. Das als "Europäischer Rat für Kernforschung" gegründete Institut hat seinen Namen später um "Europäisches Zentrum für Teilchenphysik" ergänzt. (c) EPA (FABRICE COFFRINI)

"Uns bewegen heute zweierlei Gefühle", sagte CERN-Direktor Robert Aymar, "die Freude, dass wir ein großes Ziel erreicht haben, und die Hoffnung auf große Entdeckungen, die vor uns liegen." (c) EPA (FABRICE COFFRINI)

Befürchtungen, dass durch die Experimente Schwarze Löcher entstehen könnten, wurden vom CERN entschieden zurückgewiesen. (c) AP (Martial Trezzini)

Der europäische Teilchenbeschleuniger LHC ist am 22. Oktober 2008 offiziell eröffnet worden - obwohl er derzeit gar nicht funktioniert. Bei der Feier beim Europäischen Teilchenphysiklabor CERN in Genf fehlten sowohl der französische Präsident Nicolas Sarkozy, der stattdessen Premierminister Francois Fillon schickte, wie auch die deutsche Bundeskanzlerin Angela Merkel. Sie wurde von Forschungsministerin Annette Schavan vertreten. (c) EPA (LAURENT GILLIERON)

Österreich forscht mit

Auch in Wien wartet man schon sehnsüchtig auf die ersten Ergebnisse von Kollisionen im LHC. So wertet eine Gruppe des Instituts für Hochenergiephysik (HEPHY) die anfallenden CERN-Daten auf Hinweise auf Dunkle Materie aus. Über die Natur dieser mysteriösen Materie, die bisher nur anhand ihrer Schwerkraftwirkung nachgewiesen werden konnte, gibt es derzeit nur Theorien. Eine weitere HEPHY-Gruppe arbeitet an der sogenannten starken Wechselwirkung, also an der Kernkraft. Auch daran gäbe es noch genug zu forschen. "Wir müssen zuerst die bekannte Physik verstehen, um neue, unbekannte Physik zu erkennen", sagte HEPHY-Leiter Christian Fabjan.

Neuer Energierekord

Seit November läuft alles am LHC nach Plan. Davor musste die größte Maschine der Welt fast ein Jahr pausieren, nachdem ein technischer Defekt zu einem Austritt von Kühlmittel und Schäden am Beschleuniger geführt hatte. Am 19. März 2010 wurde ein neuer Energie-Weltrekord aufgestellt. Mit 3,5 TeV jagen die Protonenstrahlen seitdem mit der dreifachen Energie durch die Röhre wie beim bisherigen Rekord, der vom Tevatron-Beschleuniger bei Chicago gehalten wurde.

Neuartige Entwicklungen

Das LHC-Projekt ist unter Kritik gekommen, da es enorm viel Energie und Geld verschlingt, ohne offensichtliche praktische Anwendungen zu liefern. Oft werden aber am CERN Dinge entwickelt werden, die erst Jahre später im Alltag Einzug erhalten. So wurde etwa 1973 im Zuge des CERN-Beschleunigerprojekts SPS (Super Proton Synchrotron) von einem dänischen Forscher der erste kapazitive Touchscreen entwickelt. Damals sorgte die Idee in der Öffentlichkeit noch nicht für Furore, inzwischen ist das Konzept dank dem Erfolg des iPhone aus der Technikwelt aber nicht mehr wegzudenken. Man kann also nicht wissen, welche Erkenntnisse des LHC-Experiments eines Tages in jeder Jackentasche stecken werden.

(Ag./db)