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Teilchenbeschleuniger LHC: Das Tor zu einer neuen Physik ist offen

Aus Genf berichtet

Die Premiere des Teilchenbeschleunigers LHC klappte reibungsfrei. Nun müssen die Physiker die Leistung des riesigen Ringes so weit hochfahren, wie es noch kein Mensch zuvor gewagt hat - dann können sie das Feuer des Urknalls zünden.

Ein kurz aufleuchtender runder Fleck auf dem Monitor - darauf hatten Tausende Physiker weltweit hingearbeitet. An diesem Mittwoch war es so weit.

Ein Häufchen Protonen hatte kurz vor halb elf eine komplette Runde im Superbeschleuniger LHC gedreht und dabei 27 Kilometer zurückgelegt. "Wow, ziemlich cool", sagt Jochen Thäder, ein junger deutscher Wissenschaftler, der in der Datenaufbereitung am Cern arbeitet. "Ich dachte, wir schaffen die Runde erst am Nachmittag."

Die LHC-Techniker brauchten nicht einmal eine Stunde, um den Strahl Segment für Segment durch den leistungsstärksten Teilchenbeschleuniger der Welt zu leiten.

"Das ist ein großer Erfolg", sagt deutsche Physiker Jürgen Schukraft, der ebenfalls am Cern arbeitet, am "Alice"-Experiment. "Es ging unwahrscheinlich schnell. Jetzt wissen wir, dass keine Flasche in dem Strahlenkanal steckt wie bei Lep."

Lep war der Vorgänger vom LHC. In dem Beschleunigerring hatten Forscher vor einigen Jahren zwei leere Bierflaschen entdeckt, die für das Scheitern einiger Experimente verantwortlich gewesen waren. In den unterirdischen Lep-Kanälen wurde in den vergangenen Jahren der neue Teilchenbeschleuniger aufgebaut.

Der designierte Cern-Generaldirektor und Karlsruher Physik-Professor Rolf-Dieter Heuer spricht wie viele von einem "historischen Moment. Ich bin schlichtweg begeistert. Das ist einer der Meilensteine. Man hat gezeigt, dass der Beschleuniger lebt".

Schukraft glaubt, dass dieser 10. September 2008 in die Geschichtsbücher eingeht: "Ich glaube, wir sind Zeuge des Anfangs einer wissenschaftlichen Revolution." Die Situation sei durchaus mit der vor hundert Jahren vergleichbar, als Quantenmechanik und Relativitätstheorie das mechanische Weltbild der Menschheit komplett umkrempelten. Ähnliches erwartet Schukraft in den kommenden Jahren vom Cern.

"Wir arbeiten seit hundert Jahren mit der Relativitätstheorie und der Quantenmechanik - aber seit 20 Jahren stecken wir fest", sagt er. In den vergangenen Jahrzehnten seien immer neue fundamentale Fragen aufgetaucht. Was ist Dunkle Materie und Dunkle Energie? Gibt es das sogenannte Higgs-Boson? Braucht die Physik neue Theorien wie die sogenannte Supersymmetrie?

"Alle diese Fragen werden wir womöglich beantworten", hofft der Physiker.

Mit der heutigen Inbetriebnahme des LHC geht für die Physiker auch eine lange Durststrecke zu Ende. Im Jahr 2000 wurde der Vorgänger Lep stillgelegt, in dem Elektronen mit Positronen kollidierten. Eigentlich sollte der LHC schon vier Jahre später den Betrieb aufnehmen, doch das Mammutprojekt verzögerte sich um mehrere Jahre.

30 Gigabyte pro Sekunde an Daten

"Die Planung war von Anfang an unrealistisch", sagt heute Cern-Physiker Schukraft. Neue, nie zuvor gebaute Detektoren hätten erst entwickelt werden müssen. Ein nicht zu unterschätzendes Problem stellte auch die EDV dar, sagt Jochen Thäder. Die nötigen Computersysteme für Experimente wie "Atlas", bei dem nach dem Higgs-Boson gefahndet wird, habe es vor wenigen Jahren noch gar nicht gegeben.

"Wir haben einen Datenstrom von 30 Gigabyte pro Sekunde, der in Echtzeit analysiert und auf ein Gigabyte pro Sekunde reduziert wird", sagt er. Diese Daten würden dann auf Magnetband geschrieben und später analysiert: "Erst dann fängt die eigentliche Physik an." Ohne die Datenreduktion, bei der für die Auswertung voraussichtlich nicht brauchbare Messdaten verworfen werden, sei das Experiment kaum zu beherrschen.

Die mehrjährigen Verzögerungen des Projekts LHC führten auch zu Leerlauf in der Forschung. Mangels neuer Beschleunigerdaten fehlte Teilchenphysikern schlicht die Arbeit. "Das war keine einfache Situation", sagt Christoph Rembser aus Deutschland, der in den vergangenen Jahren mehrere Doktoranden und Nachwuchsforscher am Cern betreut hat. Eine Dissertation dauere drei, vier Jahre, und etwa um diesen Zeitraum habe sich der LHC verzögert. Manchem Forscher sei schließlich nichts anderes übrig geblieben, als alte Daten vom Vorgänger Lep zu analysieren - die meisten Betroffenen hatten sich von ihrem Aufenthalt am Cern sicher mehr erhofft.

Mit der heutigen LHC-Premiere ist dieses Problem übrigens noch nicht gelöst. Daten erster Kollisionen von gegenläufig rotierenden Protonen sind zwar noch in diesem Jahr zu erwarten. Allerdings werden diese anfangs nur bei sehr niedrigen Energien stattfinden - bei denen zum Beispiel der Nachweis des Higgs-Bosons noch nicht möglich ist.

Noch läuft der LHC mit angezogener Handbremse

Der LHC läuft derzeit nämlich nicht auf vollen Touren. Das eingespeiste Protonenbündel hatte nur fünf Prozent der für Kollisionsexperimente vorgesehenen Masse, und "der Strahl ist auch noch nicht fokussiert", sagt Thomas Müller von der Universität Karlsruhe, dessen Team einen Detektor für das CMS-Experiment entwickelt hat.

Dies zeigte sich auch nach der ersten absolvierten Runde im Beschleuniger. Der Strahl kam rund zwei Millimeter neben dem Punkt in der Vakuumröhre an, an dem er gestartet war. Da müssen die Techniker noch nachjustieren.

Die wohl größte Herausforderung: Die Energie der rotierenden Protonen beträgt bisher 450 Giga-Elektronenvolt (GeV, Giga = 1 Milliarde, die Ruheenergie eines Protons beträgt etwa 0,94 GeV).

Das ist genau der Wert, den der Vorbeschleuniger SPS erreicht, aus dem die Protonen eingeleitet werden. Beschleunigt wird im LHC also bisher noch nicht.

Das soll sich in den kommenden Wochen natürlich ändern. 5 Tera-Elektronenvolt (TeV, tera = 1 Billion) lautet das bis zum Jahresende ausgegebene Ziel. "Das Beschleunigen geht nur Schritt für Schritt", sagt Thomas Müller. Immer wieder müsse man dabei nachjustieren.

5 TeV reicht den Wissenschaftlern aber immer noch nicht. Sie wollen die Protonen bis auf den Wert von 7 TeV bringen - in beide Richtungen.

Dann sind die Elementarteilchen mit 99,9999991 Prozent der Lichtgeschwindigkeit unterwegs. So schnell wie nie zuvor in einem Experiment. Genug, hoffen die Physiker, um das Tor zu einer neuen Physik aufzustoßen. Und das Feuer des Urknalls zu zünden, dessen Umstände im Cern erforscht werden sollen.

Irgendwann 2009 wird es so weit sein.

Korrektur: Leider waren in der ursprünglichen Version zwei Forschernamen vertauscht. Das Zitat am Anfang des Textes stammt von Jochen Thäder und nicht, wie es fälschlicherweise hieß, von Christian Klein-Boesing. Beide deutsche Forscher arbeiten am "Alice"-Experiment. Wir bitten den Fehler zu entschuldigen.

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