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Überhitzter Supermagnet: Das teuerste Experiment der Welt ist kaputt

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Der Schaden ist noch größer als zunächst befürchtet - der nagelneue, Milliarden Euro teure Cern-Teilchenbeschleuniger LHC muss für mindestens zwei Monate abgeschaltet werden. Grund: Die Überhitzung von mächtigen Elektromagneten, die den Teilchenstrahl im Zaum halten müssen.

Genf - Für die Forscher im Kernforschungszentrum Cern bei Genf ist es ein Alptraum: Nur 10 Tage nach der feierlichen Einweihung des Teilchenbeschleunigers Large Hadron Collider (LHC) ist das teuerste Experiment der Menschheitsgeschichte kaputt. Offenbar hat eine fehlerhafte elektrische Leitung eine Kettenreaktion ausgelöst, die zu schweren Schäden führte: Einer der gigantischen Magneten, die das Herz des Beschleunigers bilden, wurde zu heiß - oder besser: zu wenig kalt. Die Reparatur der mehr als zwei Milliarden Euro teuren Maschinerie wird Monate dauern. Zunächst hatte Cern-Sprecher James Gillies noch die Hoffnung geäußert, der Schaden könne deutlich schneller behoben werden.

Modell des LHC-Tunnels: Gigantische Elektromagneten steuern einen vernichtenden Teilchenstrahl
Getty Images

Modell des LHC-Tunnels: Gigantische Elektromagneten steuern einen vernichtenden Teilchenstrahl

Die Magneten, die den Partikelstrahl führen, müssen extrem kalt sein: Auf unter -270 Grad werden sie mit flüssigem Helium heruntergekühlt, um die dünnen Drähte, aus denen sie bestehen, supraleitend zu machen. Cern-Sprecher James Gillies erklärte nun der Nachrichtenagentur AP, zumindest der beschädigte Abschnitt des LHC müsse nun aufgewärmt werden, damit Experten die Schäden genau untersuchen und dann reparieren können.

"Wenn so etwas in einem anderen Beschleuniger passiert, dauert es ein paar Tage, das zu reparieren", sagte Gilles der AP. "Aber weil dies eine supraleitende Maschine ist, mit langen Aufwärm- und Abkühlphasen, bedeutet das, dass wir sie ein paar Monate lang ausschalten müssen."

Während Menschen sich in dem Tunnel in hundert Metern Tiefe aufhalten, darf der Teilchenbeschleuniger niemals laufen - wegen der gewaltigen Energien, die während des Betriebs in den Röhren unterwegs sind. Ein außer Kontrolle geratener Partikelstrahl würde tiefe Löcher in den Untergrund reißen. Will man den Strahl stoppen, muss er umgeleitet, mit eigens dafür konstruierten Magneten aufgefächert und anschließend in acht Meter lange, in Beton eingegossene Graphitkerne gelenkt werden, um seine zerstörerische Wucht zu bremsen.

Eine Tonne Helium freigesetzt

Nun wird es Monate dauern, bis das am 10. September in Betrieb genommene Forschungsinstrument wieder einsatzbereit ist. Der Schaden sei entstanden, weil eine elektrische Verbindung zwischen zwei der Magneten schadhaft gewesen sei. Superkaltes Helium sei ausgetreten. Medienberichten zufolge handelt es sich um mindestens eine Tonne Helium.

Der LHC ist damit bereits das zweite Mal in kurzer Zeit abgeschaltet. Bereits eine Woche nach dem offiziellen Start, am vergangenen Mittwoch, musste der Teilchenbeschleuniger wegen eines Problems mit der Stromversorgung außer Betrieb gesetzt werden.

Der Schaden ist die extreme Folge eines Phänomens, das die Wissenschaftler "Quench" nennen: das plötzliche Überhitzen eines der gewaltigen, supraleitenden Magneten, die den Partikelstrahl in der Beschleunigerröhre auf Kurs halten sollen.

Diese Magneten werden mit flüssigem Helium auf eine Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt heruntergekühlt, um ordnungsgemäß funktionieren zu können. Erhitzt sich auch nur ein kleiner Teilbereich der aus sehr dünnen Drähten zusammengesetzten Elektromagneten, kann das katastrophale Folgen haben. Wenn die Drähte nicht mehr superleitend sind, entwickeln sie plötzlich einen viel höheren elektrischen Widerstand - und heizen sich dadurch noch stärker auf. Die empfindlichen Magneten können durch einen solchen Vorfall sogar zerstört werden.

Wenn ein solcher Vorfall auftritt, werden die Partikelstrahlen und die Stromzufuhr zu dem betroffenen Magneten sofort abgeschaltet. Dann wird ein zunächst paradox anmutendes Rettungsmanöver eingeleitet: Der Magnet wird von außen gleichmäßig aufgeheizt, um die plötzlich auftretende Energie gleichmäßig zu verteilen. Insgesamt seien durch den Vorfall die Temperaturen in 100 der Magneten im letzten Sektor des LHC um über 100 Grad Celsius angestiegen - im Normalbetrieb muss ihre Temperatur bei 1,9 Kelvin liegen, also niedriger als -270 Grad Celsius.

Die Energie einer rasenden Lokomotive

BBC News zitiert aus einem LHC-internen Logbuch, demzufolge auch die Vakuumbedingungen im Beschleuniger selbst dem Vorfall zum Opfer fielen - die rasenden Protonen im Beschleuniger brauchen luftleeren Raum, um auf ein Tempo knapp unterhalb der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt zu werden.

Ein "Quench", wie er im LHC nun offenbar aufgetreten ist, ist in einem Teilchenbeschleuniger an sich nicht ungewöhnlich. Solche Vorfälle werden bei der Konstruktion einkalkuliert, entsprechende Sicherungsmechanismen eingebaut. Laut einem Bericht der Teilchenphysik-Fachpublikation "Symmetry" sind sowohl im Tevatron des Fermi National Accelerator in den USA als auch im Hera-Beschleuniger in der Hamburger Forschungseinrichtung Desy bereits ähnliche Probleme aufgetreten. Der LHC spielt jedoch in einer anderen Liga, was die Größe angeht: Jeder seiner acht Sektoren ist in etwa so groß wie das gesamte Tevatron.

Die Wissenschaftler sind also auf derartige Probleme vorbereitet - wie lange es jedoch dauern wird, die entstandenen Schäden zu beheben, ist unklar. Sicher ist, dass perfekt funktionierende Supermagneten, die den Partikelstrahl im Zaum halten, das Herzstück des LHC sind - denn wenn der Strahl außer Kontrolle gerät könnte er gewaltige Löcher in den schweizer Untergrund schlagen - und dabei vermutlich Teile des Beschleunigers selbst zerstören. In dem hauchdünnen Strahl ist, wenn der Beschleuniger mit voller Leistung läuft, die Energie einer Lokomotive, die mit 200 Kilometern pro Stunde unterwegs ist, gebündelt.

Die Weltgemeinde der Physiker erhofft sich von dem 27 Kilometer langen Tunnel tief unter der Grenze zwischen Schweiz und Frankreich Antworten auf grundlegende Fragen nach der Entstehung und dem Aufbau des Universums. Wenn die rasenden Teilchen in den zwei Röhren des LHC eines Tages zur Kollision gebracht werden können, werden dabei Zustände entstehen, wie sie unmittelbar nach dem Urknall herrschten.

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