09.10.2000

PHYSIKWattwanderung durchs All

In einem Monat wird der weltgrößte Teilchenbeschleuniger bei Genf abgeschaltet. Bis dahin haben die Physiker Zeit, das Higgs-Teilchen zu finden. Wenn es ihnen gelingt, darf ein emeritierter Professor in Schottland hoffen, dass er für die einzige Idee seines Lebens den Nobelpreis bekommt.
Am zweiten November werden sich mehr als 10 000 Tonnen der vielleicht komplexesten Elektronik auf Erden in Sondermüll verwandeln. Um die Verschrottung zu feiern, sind in dieser Woche 700 Ehrengäste, darunter 13 europäische Forschungsminister, nach Genf geladen.
Rund 7000 Physiker und 3000 Techniker arbeiten in den schmucklosen Billigbauten des Forschungszentrum Cern direkt an der Schweizer Grenze. Sie sind stolz darauf, Äußerlichkeiten wenig Beachtung zu schenken. Nicht die Baracken über der Erde sind es, die für die Cernianer zählen. Ihnen geht es einzig um die Maschine im Untergrund.
Elf Jahre lang haben die Forscher hier Elektronen und Positronen durch einen 27 Kilometer langen Tunnel gejagt. 11 200-mal in jeder Sekunde flitzen die Teilchen auf ihrer Kreisbahn von der Schweiz nach Frankreich und wieder zurück - bis sie schließlich aufeinander krachen und in einem Sprühfeuer von Teilchen zersplittern.
Die erste milliardstel Sekunde nach diesen Crashs bis in alle Einzelheiten zu rekonstruieren ist Aufgabe der Detektor-Kolosse, die in unterirdischen Kavernen auf Teilchenbeute lauern. Die Physiker erhoffen sich aus der Analyse dieser Daten Aufschlüsse über den Beginn allen Seins. Denn die Elektronen und Positronen kollidieren mit Energien, wie sie die Natur sonst nur unmittelbar nach dem Urknall hervorbrachte.
Nun aber hat die Maschine der Superlative ausgedient. Elf Jahre nachdem sie in Betrieb ging, wird sie nun demontiert. Sie muss einer neuen, noch 100-mal leistungsfähigeren Maschine weichen: dem LHC ("Large Hadron Collider"), der allerdings erst in fünf Jahren fertig sein soll.
In dieser Woche ziehen die Forscher in einer notdürftig zum Festsaal umgebauten Experimentierhalle das Resümee ihrer elfjährigen Expedition an die Grenzen des Wissens. Die Teilchenschleuder 100 Meter unter ihren Füßen sollte ursprünglich zu diesem Zeitpunkt bereits für immer verstummt sein.
Tatsächlich jedoch hetzen die Physiker die Teilchen in dem Beschleuniger-Veteran fieberhafter denn je aufeinander. Denn das Cern-Direktorium hat ihnen noch vier Wochen Galgenfrist gewährt. Bis Anfang November haben sie Zeit, jenes Teilchen zu finden, dem über all die Jahre ihre Jagd mehr als jedem anderen galt: das Higgs.
Keinen anderen Bewohner der Teilchenwelt umgibt eine ähnliche Magie. Immer aufs Neue haben die Forscher nach ihm gesucht. Immer wieder wurden sie enttäuscht.
Im Laufe dieses Jahres aber pressten die Ingenieure der Teilchenschleuder das Letzte an Leistung ab. Immer mehr Energie pumpten sie in den Ring, bis die Elektronen mit der 100fachen, der 102fachen, schließlich mit der 103fachen Energie eines Protons im Kreis herumjagten.
Dann, vor zwei Monaten - die Gäste zum Abschlussfest waren bereits geladen -, tauchten sie plötzlich auf, die Teilchenspuren, auf die sie alle so sehnlich gewartet hatten.
Viermal konnten die Forscher aus dem Wust der Daten einzelne Ereignisse herausfiltern, die aussehen, als hätten hier, weniger als eine trillionstel Sekunde lang, Higgs-Teilchen das Licht der Welt erblickt.
*
Beim Durchblättern seiner Zeitung stieß Peter Higgs auf eine Meldung, von der er glaubte, dass sie ihn interessieren sollte. Forscher am Cern, so las er dort, hätten das Teilchen aufgespürt, das seinen Namen trägt.
Seit mehr als 20 Jahren weiß Higgs, 71, dass dieser Tag irgendwann kommen wird. Diesmal, auch das konnte er der Zeitung entnehmen, reicht es noch nicht aus für eine Einladung nach Stockholm. Dafür sind die Ergebnisse des Cern noch mit zu viel Ungewissheit behaftet. Aber wenn das Higgs-Teilchen erst einmal zweifelsfrei nachgewiesen ist, darf sein geistiger Vater auf den Nobelpreis hoffen.
Wenn ihn der Ruf nach Stockholm einmal erreicht, wird Higgs die Physik hinter sich gelassen haben. Die monströsen Beschleuniger waren nie seine Welt. Und selbst im Reich der Formeln und Theoriegebäude war er so etwas wie ein Außenseiter.
Seit er nicht mehr regelmäßig in die Universität geht, um vor einem kleinen Grüppchen Studenten in kurzatmigen, stockenden Sätzen seine etwas angestaubte Vorlesung über Quantenfeldtheorie zu halten, verbringt er den größten Teil seiner Zeit damit, Musik zu hören, zu lesen oder einfach durch die Straßen von Edinburgh zu spazieren.
Natürlich kennt der scheue Mann mit dem unsicheren Lächeln um die Mundwinkel den Spott seiner Kollegen. "Böse Zungen sagen mir nach, ich hätte es zu internationalem Ruhm gebracht, ohne je dafür gearbeitet zu haben", sagt er. Und ganz wolle er ja gar nicht bestreiten, dass da etwas Wahres dran sei.
Nicht mehr als vier Formeln stehen in jener Arbeit, der Higgs seinen Ruf verdankt. Ganze anderthalb Seiten füllt der Artikel. Auf diesen wenigen Zeilen formulierte der gänzlich unbekannte schottische Physiker jenen einzigen Gedanken seines Lebens, der wirklich bedeutsam war: Er beschrieb einen mathematischen Trick, durch den plötzlich die Teilchen in den Gleichungen Masse bekommen.
Noch immer erinnert sich Higgs gern an die wenigen Tage, als sein großer Gedanke in ihm reifte. Beim Einsortieren von Zeitschriften in der Uni-Bibliothek sei ihm die zündende Idee gekommen. "Es war genau am 16. Juli 1964", sagt er. "Das Datum weiß ich noch so genau, weil es in meiner Handschrift neben der Signatur einer bestimmten Zeitschrift steht."
So ganz kann es Higgs bis heute nicht fassen, dass ausgerechnet ihm die Ehre zu-
teil wurde, Namenspate eines Teilchens zu werden. "Wahrscheinlich hatte ich einfach Glück", mutmaßt er. "Als Außenseiter habe ich mich eben für Dinge interessiert, um die sich niemand anders gekümmert hat."
So ungewohnt war die Idee von Higgs, dass sein Artikel von dem renommierten Fachblatt "Physical Review Letters" im ersten Anlauf abgelehnt wurde: "Die fanden, das habe nichts mit Physik zu tun." Erst in einer zweiten Fassung stimmte die Zeitschrift dem Abdruck schließlich zu.
Dann, zwei Jahre später, schoss Higgs das Adrenalin in die Adern, als er einen Brief von Freeman Dyson in seinem Postfach fand. "Der war für mich damals ein Gott", erinnert sich Higgs. Und nun lud ihn der weltbekannte Quantenphysiker zum Seminarvortrag nach Princeton ein.
Der Besuch in diesem Tempel der modernen Physik sollte für Higgs'' Karriere Höhe- und Endpunkt in einem sein. Dem Kreuzfeuer kritischer Fragen hielt der 36jährige Nachwuchsphysiker stand. Am Ende hatte er seine vier Gleichungen erfolgreich gegen all die Koryphäen des Fachs verteidigt.
Nach diesem Auftritt jedoch wurde es still um Higgs. Einige Jahre noch mühte er sich vergebens, mit der Konkurrenz der Großdenker auf dem Gebiet der Teilchenphysik mitzuhalten. "Dann habe ich beschlossen, dass ich wohl zu alt bin für die Physik."
"Bescheiden" und "schüchtern": Das sind die beiden Adjektive, die die Kollegen von Higgs unweigerlich nutzen, wenn sie ihn zu charakterisieren versuchen. Vermutlich sind es auch diese Eigenschaften, die ihn davor bewahren, den Neid der weniger Erfolgreichen auf sich zu ziehen.
Higgs selbst empfindet noch immer Beklommenheit, wenn er daran denkt, wie viele Milliarden die Suche nach dem Teilchen mit seinem Namen bereits verschlungen hat. Trotzdem wäre er froh, wenn das lange Warten endlich ein Ende hätte.
Denn aller Bescheidenheit zum Trotze hatte er jahrzehntelang Zeit, sich an den Gedanken zu gewöhnen, dass ihm, wenn das Higgs-Teilchen endlich dingfest gemacht ist, der Physik-Nobelpreis zusteht - "schon aus politischen Gründen", wie er anmerkt. Schließlich habe schon lange kein Brite mehr die begehrte Ehrung aus Stockholm bekommen.
*
"Teilchen Gottes", "Heiliger Gral", "Verkünder des gelobten Landes": Wenn Physiker vom Higgs-Teilchen reden, dann bemühen sie mit Vorliebe religiöse Metaphern. Was aber ist es, das nüchterne Wissenschaftler zu solchen Vergleichen reizt? Was gibt dem Higgs seinen göttlichen Glamour?
"Und Gott betrachtete die Welt und sah, dass sie langweilig war." Mit diesen Worten hebt Leon Lederman in seinem Buch über das Higgs-Teilchen zu einer Schöpfungsgeschichte an. Und auch wie Gott der Welt die Langeweile austreibt, weiß der amerikanische Nobelpreisträger zu berichten - er schuf das Higgs.
Denn ohne den Trick des Außenseiters aus Schottland sind die Gleichungen der Teilchenphysik fad: Sie beschreiben eine Welt, die aus insgesamt 12 Partikeln besteht (siehe Grafik); doch all diese Bestandteile der Materie sind masselos. Geistern gleich irren sie im Universum umher.
Higgs hingegen schlug vor, die Materie schwimme in einem den ganzen Kosmos erfüllenden See aus verborgenen Teilchen, die nur innerhalb gigantischer Beschleuniger nachweisbar sind. Auf magische Weise, so wies er nach, verleiht dieser See der übrigen Materie ihre Masse.
"Stellen Sie sich vor, das Universum sei mit Schlick gefüllt", erklärt John Ellis, der in seinem Büro am Cern inmitten mannshoher Papierberge über die Wechselwirkung von Elementarteilchen nachsinnt. Wenn sich nun irgendeines der Elektronen, Neutrinos oder Quarks bewege, so sei dies mit einer Wattwanderung zu vergleichen: "Die Teilchen haben sozusagen Schuhe, an denen der Schlick hängen bleibt", erläutert Ellis. "So bekommen sie ihre Masse."
Inzwischen sind sich die meisten Theoretiker darin einig, dass der Higgs-Trick zu schön ist, um falsch zu sein. Irgendwann, davon sind sie seit langem fest überzeugt, wird sich das Higgs-Teilchen offenbaren.
Im Laufe der Jahre konnten die Forscher den Energiebereich immer mehr einengen, in dem die Jagd endlich zum Ende kommen würde. Schließlich waren sie sicher: Etwas mehr als die 100fache Energie eines Protons müssten sie Elektronen mit auf den Weg geben, um bei der Kollision ein Higgs zu erzeugen. Der Cern-Beschleuniger musste sich also schon ganz dicht bis an die entscheidende Schwelle herangepirscht haben.
Eben deshalb waren die Forscher so erregt, als jetzt erstmals die erwartete Signatur in den Daten auftauchte. Noch allerdings sind die vier beobachteten Ereignisse allenfalls Indizien. Um wirklich sicher sein zu können, müssten die Physiker mindestens doppelt so viele Higgs-Signale einfangen. Und ob dies innerhalb der nächsten vier Wochen gelingen wird, ist mehr als zweifelhaft.
Noch mehr Zeit aber will die Cern-Leitung den Higgs-Jägern nicht zubilligen: Der Strom in den Wintermonaten ist extrem teuer, außerdem drohen Konventionalstrafen, wenn sich der LHC-Bau verzögert.
So könnte es sein, dass die Natur den Cern-Physikern ein Schnippchen schlägt und sie zwingt, unmittelbar vor ihrem Ziel aufzugeben. Denn wenn die alte Teilchenrennbahn erst einmal abgeschaltet ist, dann werden sie fünf Jahre lang warten müssen, bis sie sich weiter in unbekanntes Neuland vortasten können. Ohnmächtig werden sie ihren US-Kollegen am Fermilab zusehen müssen, wie diese versuchen, ihnen die begehrte Higgs-Trophäe abzujagen.
Erst im Jahre 2005, wenn der LHC ans Netz geht, sind wieder die Cernianer am Zug. Dann werden sie ins Reich noch weit höherer Energien vorstoßen. Und zu ihren ersten Trouvaillen wird - wenn die Amerikaner dem Cern nicht schon zuvorgekommen sind - ein ganzer Schwarm von Higgs-Teilchen gehören.
Falls erst diese neue Super-Maschine über jeden Zweifel erhabene Beweise für die Existenz des Higgs-Partikels liefert, dann ist eines schon jetzt gewiss: Es wird 2000 Entdecker haben. Allein die Namen aller Physiker, die an einem einzigen LHC-Experiment mitarbeiten werden, würden zwei SPIEGEL-Seiten füllen.
Welchen der 2000 Forscher aber sollte das Nobelpreiskomitee dann ehren? Wahrscheinlich, darin sind sich viele der Cern-Forscher einig, wird es nur einen Namen geben, der ausgezeichnet ist: Higgs. JOHANN GROLLE
* Eines der vier möglichen Higgs-Ereignisse am Cern; die bunten Linien sind vom Computer rekonstruierte Bahnen von Teilchensplittern, die nach der Elektron-Positron-Kollision entstanden.
Von Johann Grolle

DER SPIEGEL 41/2000
Alle Rechte vorbehalten
Vervielfältigung nur mit Genehmigung


DER SPIEGEL 41/2000
Titelbild
Abo-Angebote

Den SPIEGEL lesen oder verschenken und Vorteile sichern!

Jetzt Abo sichern
Ältere SPIEGEL-Ausgaben

Kostenloses Archiv:
Stöbern Sie im kompletten SPIEGEL-Archiv seit
1947 – bis auf die vergangenen zwölf Monate kostenlos für Sie.

Wollen Sie ältere SPIEGEL-Ausgaben bestellen?
Hier erhalten Sie Ausgaben, die älter als drei Jahre sind.

Artikel als PDF
Artikel als PDF ansehen

PHYSIK:
Wattwanderung durchs All

  • Videoanalyse aus Brüssel: "Der Gipfel droht zum Frustgipfel zu werden"
  • Nordsyrien: 120 Stunden Gefechtspause
  • Walkadaver in der Tiefsee: Gefundenes Fressen
  • Kuriose Operation: Flügeltransplantation für Schmetterling