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Teilchenbeschleuniger LHC: Neustart für die Weltmaschine

Eine Multimedia-Reportage von , und

Anderthalb Jahre lang stand der mächtigste Teilchenbeschleuniger der Welt still - weil er noch kraftvoller werden sollte. Mit dem Neustart wollen Forscher nun dem dunklen Teil des Universums seine Geheimnisse entreißen.

REUTERS
Der Einfachheit halber, sagt Gianluigi Arduini, könne man sich das Ganze als eine Art Eisenbahnzug vorstellen. Aber selbst das ist gar nicht so simpel - schließlich redet der Mann von einem Zug mit 2800 Waggons, von denen jeder einzelne mit 120 Milliarden Passagieren besetzt ist. Damit nicht genug: "Die Wagen sind extrem schnell, sie bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit", sagt der italienische Physiker. Ab und zu, sagt er in Englisch mit melodischem Singsang, stoßen die Wagen zusammen - und dann wird es interessant.

Wer zu Besuch am Europäischen Kernforschungszentrum (Cern) ist, muss sich an derartige Vergleiche gewöhnen. Zu weit entfernt von der Alltagswelt ist das, was hier passiert ist - und bald wieder passieren wird. Nach anderthalb Jahren Wartungspause geht der Large Hadron Collider (LHC), der mächtigste Teilchenbeschleuniger der Welt, in wenigen Tagen wieder an die Arbeit. Mit fast dem Doppelten der bisherigen Kollisionsenergie werden dann die Partikel aufeinander rasen.

Klicken Sie in die interaktive Grafik, um mehr über die Umbauarbeiten zu erfahren:

CMS
Um Strahlenschäden an diesem riesigen Detektor durch erhöhte Strahlungsintensität zu vermeiden, wird er künftig bei minus 15 Grad Celsius betrieben. Dazu wurde die Isolierung verbessert, damit kondensierendes Wasser die Elektronik nicht beschädigt. Auch wurden effizientere Fotodetektoren eingebaut und die automatische Voranalyse der Daten verbessert.
LHCb
An diesem Detektor haben die Forscher auf eine neue Strategie zur Datennahme umgestellt: die Kalibration in Echtzeit. Weil nun besser bekannt ist, in welchem Zustand sich der Detektor gerade befindet, lassen sich präzisere Messungen durchführen.
ATLAS
Beim größten Teilchendetektor am LHC wurde eine innerste Detektorlage (“IBL”) neu eingebaut, um die Präzision zu erhöhen. Zudem wurde der Pixeldetektor repariert. Isolierung, Kühlung und Ventilation sowie die automatische Vorauswahl der Daten wurden verbessert.
ALICE
Dieser Detektor kommt zum Einsatz, wenn im LHC nicht Protonen, sondern Bleikerne kollidieren. Während der Wartung wurde der Übergangsstrahlungsdetektor komplettiert. Außerdem wurden unter anderem neue Szintillationsdetektoren eingebaut.
LHC
Im Beschleunigerring wurden 18 der 1232 Magnete ausgetauscht. Mehr als 10.170 elektrische Verbindungen wurden verbessert, auch durch den Einbau von 27.000 Nebenwiderständen. 3000 der elektrischen Verbindungen wurden komplett ausgetauscht. Auch am Vakuum-, Kühl- und Elektroniksystem des LHC gab es Verbesserungen. 612 Druckentlastungsventile wurden neu eingebaut.
2013 haben die Cern-Forscher das langgesuchte Higgs-Boson nachgewiesen - das letzte Puzzleteil im Standardmodell der Physik. Doch dieses Modell beschreibt nur die sichtbare Materie, die gerade einmal fünf Prozent des Universums ausmacht. Beim zweiten Lauf des LHC verfolgen die Forscher nun ein monumentales Ziel: Sie wollen das Universum jenseits der gewöhnlichen Materie erforschen. Das Higgs-Teilchen soll als Brücke in die Welt von Dunkler Energie und Dunkler Materie dienen.

Gianluigi Arduini, Chef der Gruppe für Beschleuniger- und Strahlenphysik am Cern, steht im Kontrollraum, von dem aus der Start vorbereitet wird. Große Fenster geben den Blick frei auf die unten grünen und oben weißen Gipfel des Jura an der schweizerisch-französischen Grenze. Doch niemand der gut 30 Mitarbeiter im Raum hat Augen für die Postkartenlandschaft. Die (vielen) Männer und (nicht ganz so vielen) Frauen starren auf Computermonitore, telefonieren, diskutieren. Es ist verdammt viel zu tun in den kommenden Tagen.

Sehen Sie sich im Cern-Kontrollraum um:

Panorama

Foto: SPIEGEL ONLINE

Vermutlich noch in diesem Monat wird im LHC erst ein Teilchenstrahl angeschaltet, dann der zweite. Ab Ende Mai sollen dann in einer 27 Kilometer langen Vakuumröhre, die etwa hundert Meter tief im Boden vergraben ist, Pakete winziger Elementarteilchen mit ungekannter Wucht aufeinanderprallen.

Wie die Kollisionen zustande kommen, erfahren Sie im Video:

Cern
Im Cern-Kontrollzentrum gibt es vier rote Schalter. Sie erlauben ein blitzschnelles Abschalten des Strahls, wenn es zu Problemen am LHC kommen sollte. Das gleiche würden auch zahlreiche Computersysteme automatisch tun, wenn sie unnormale Messewerte bemerkten. In diesem Fall werden die Protonen aus dem Ring hinausgelenkt und landen in einem mächtigen Kohlenstoffblock, dem sogenannten beam dump. Dort werden die Partikel in einer Art kontrolliertem Auffahrunfall abgebremst, sodass sie keinen Schaden mehr anrichten können.

Geht aber alles glatt, werden die Spuren der Teilchenkollisionen von riesigen Detektoren aufgezeichnet. Ganze Kaskaden an Partikeln entstehen, die schnell wieder zerfallen. Je heftiger die Zusammenstöße, desto exotischere Partikel können auftauchen. Deshalb haben die Cern-Ingenieure den LHC in der planmäßigen Abschaltphase so umgebaut, dass die Kollisionsenergie um fast die Hälfte von 8 auf 13 Teraelektronenvolt steigen soll.

Im Video: Die Aufrüstung des LHC

Cern
Der Nachweis des Higgs-Bosons hat das Standardmodell der Physik komplett gemacht. Doch dieses Modell reicht nicht ansatzweise aus, um alle tatsächlichen Beobachtungen im Universum zu erklären - weil es nur die gewöhnliche Materie berücksichtigt. Die aber macht nur etwa fünf Prozent des Alls aus. Die weitaus größeren Anteile halten die Dunkle Materie (rund 27 Prozent) und die Dunkle Energie (etwa 68 Prozent). "Das Standardmodell beschreibt hervorragend die sichtbare Welt, es lässt aber extrem viele Fragen offen", sagt Cern-Chef Rolf Heuer.

Bisher hat sich das Standardmodell als ausgesprochen stabil erwiesen, auch wenn die Forscher nach seinen Grenzen gesucht haben. "Bei einer ganzen Reihe von Messungen haben wir angefangen, Unstimmigkeiten zu sehen", sagt Johannes Albrecht von der TU Dortmund, der am LHCb-Experiment arbeitet. Diese Unstimmigkeiten seien aber statistisch nicht signifikant gewesen.

Mit anderen Worten: Die Forscher brauchen mehr Daten. Der zweite Durchgang am LHC soll sie nun liefern. Erstens wird es in der Vakuumröhre mehr Kollisionen geben, zweitens werden dabei schwerere Teilchen erzeugt, die sich in längeren Zerfallsketten in andere Partikel umwandeln können. So können die Wissenschaftler darauf hoffen, neue und exotische Bewohner des Teilchenzoos zu finden. "Das Higgs ist die Brücke zur Physik jenseits des Standardmodells", sagt Rolf Heuer. Nun hoffen die Forscher darauf, diese Brücke beschreiten zu können.

Im Video verrät der Cern-Chef, was er auf der anderen Seite erwartet:

SPIEGEL ONLINE
Ein wichtiger Erklärungsansatz für die Welt auf der anderen Seite ist die Theorie der Supersymmetrie, kurz Susy genannt. "Sie ist elegant, fundamental, es passt alles", sagt Andreas Weiler vom Deutschen Elektronen-Synchrotron (Desy), der auch am Cern forscht. "Die Supersymmetrie ist auch ein mögliches Modell, um Dunkle Materie zu erklären." Sehr vereinfacht besagt die Theorie, dass es zu jedem uns bekannten Teilchen noch einen schwereren Partner gibt. Für das Photon, das Lichtteilchen, wäre das zum Beispiel das Photino. Für ein Boson das Bosino. Nur hat bisher niemand solche Partikel beobachten können - auch nicht im ersten Lauf des LHC. Nicht wenige Forscher waren deswegen enttäuscht.

Jetzt könnte sich das ändern, so hofft man jedenfalls. "Ich erhöhe die Wahrscheinlichkeit, das Biest zu erzeugen", sagt Rolf Heuer. "Das heißt aber nicht, dass wir es auch finden." Andere sind da optimistischer. So zitierte die BBC die Physikerin Beate Heinemann vom Atlas-Teilchendetektor mit der Aussage, dass vielleicht schon im Spätsommer das sogenannte Gluino entdeckt werden könnte. Das wäre der Superpartner des Gluons, das die Quarks innerhalb von Protonen und Neutronen zusammenhält.

Das Gluino oder andere Susy-Teilchen ließen sich nicht direkt in den beiden großen Detektoren am LHC nachweisen, sondern nur über ihre Zerfallsprodukte. Zu diesen könnte das Neutralino gehören, Superpartner verschiedener Bosonen. Nun sind die bereits bekannten Neutrinos schon wundersam genug: Elektrisch neutral und mit sehr geringer Masse sausen sie beinahe ungestört durchs Universum. Das Neutralino, auf das ein Experiment auf der Internationalen Raumstation bereits Hinweise geliefert hat, wäre noch geheimnisvoller. Andreas Weiler nennt es einen "Standardkandidaten für das leichteste Teilchen der Dunklen Materie".

Aber wie findet man das Unbekannte? Die Antwort im Video:

SPIEGEL ONLINE
Der Haken an der Sache mit der Supersymmetrie ist: Niemand weiß, ob es sie wirklich gibt. "Der Fortschritt ist in der Theorie schneller möglich als im Experiment", sagt Cern-Chef Heuer. Auch deswegen gibt es viele Modelle der Supersymmetrie, die sich jeweils in Details unterscheiden. "Es gibt einen Wald an Theorien, darin roden wir nach und nach. Ich hoffe nur, dass ein paar Bäume stehen bleiben", sagt der Dortmunder Forscher Albrecht.

Mit kleinen Schritten tasten sich die Physiker voran in das unbekannte Land jenseits des Standardmodells. Es ist ein Land, das sie nicht kennen, für das sie aber viele Landkarten haben. Nun gilt es herausfinden, welche stimmt. "Wir müssen offen sein, damit uns nichts durch die Lappen geht", sagt Kerstin Borras vom Desy, die stellvertretende Sprecherin des CMS-Experiments.

Mehr Eindrücke vom Cern:

Eine Reihe leerer Champagnerflaschen kündet davon, dass man im ersten Durchgang des LHC bereits recht erfolgreich war: Moët & Chandon, Piper Heidsieck, Bollinger steht auf den Flaschen, die auf den weißen Schränken am Rand des Kontrollzentrums aufgebaut sind. Jede von ihnen markiert einen Erfolg beim Betrieb des Beschleunigers. Dabei war alles mit einem großen Knall losgegangen: Kurz nach dem ersten Start im Jahr 2008 hatte sich ein Magnet zu stark erwärmt, Heliumleitungen explodierten, 500 Meter des Tunnels wurden beschädigt. Die Aufräumarbeiten dauerten ein Jahr.

"Es kann immer etwas passieren", sagt Rolf Heuer. Im Gespräch rattert der Generaldirektor des Cern eine ganze Liste an Verbesserungen herunter, die seine Leute in den vergangenen Monaten abgearbeitet haben: Im Beschleunigerring wurden 18 gigantische supraleitende Magnete ausgetauscht. Außerdem wurden mehr als zehntausend elektrische Verbindungen zwischen den Magneten verbessert, unter anderem durch den Einbau von 27.000 Nebenwiderständen - damit die Magnete bei einem Problem nicht mehr überhitzen. Im Helium-Kreislauf wurden außerdem 612 Druckentlastungsventile eingebaut, um einen erneuten zerstörerischen Gasaustritt zu verhindern. Der Rest ist Hoffen.

Heuer, seit Januar 2009 Generaldirektor am Cern, gibt sein Amt im kommenden Jahr an die Italienerin Fabiola Gianotti ab, die erste Frau an der Spitze des riesigen Forschungszentrums. Ist er nicht traurig, da die nächste wissenschaftliche Sensation vielleicht schon vor der Tür steht? "Eine wichtige Entdeckung im Leben eines Generalsekretärs ist schon gar nicht so schlecht", sagt er.

Die hat Heuer mit dem Nachweis des Higgs-Bosons gehabt, der 2013 mit dem Nobelpreis für Physik belohnt wurde. Die Auszeichnung ging allerdings nicht ans Cern, sondern an die Theoretiker Peter Higgs und François Englert, die das Boson fast ein halbes Jahrhundert zuvor postuliert hatten. "Ich hätte einen Nobelpreis nicht abgelehnt", sagt Heuer - und spricht sich für Änderungen in den Statuten zur Vergabe der Auszeichnung aus. In Zukunft sollten auch Organisationen wie das Cern den Preis bekommen können.

Bis 2035 soll der LHC laufen. Doch was braucht man danach? Eine noch größere und noch teurere Anlage? Einen riesigen Ring, wie ihn die Chinesen bauen wollen? Einen Linearbeschleuniger, über den man in Japan, aber auch am Cern nachdenkt? Oder einen sogenannten Kielfeldbeschleuniger, dessen Anhänger mit den deutlich kompakteren Abmaßen einer solcher Anlagen werben? "Es wird einen Push in der Diskussion um neue Anlagen geben, wenn wir jetzt etwas Spannendes entdecken", sagt Borras. Dann wird wohl auch zu den Champagnerflaschen im Kontrollzentrum noch die eine oder andere dazukommen.

Testen Sie im Quiz, wie gut Sie sich mit Quarks und Higgs-wirklich auskennen:

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