Teilchenphysik Weltbild-Revolution im Supertunnel

Der Teilchenbeschleuniger LHC bei Genf ist das komplexeste Hightech-Gerät der Geschichte - und könnte unser Wissen über die Welt revolutionieren, meint der Physiker Rolf Landua. Es geht um eine Antwort auf die großen Fragen des Universums: Gibt es eine kosmische DNA? Eine Spiegelwelt? Und: Steckt Gott in jedem Teilchen?

Als im Jahr 1492 spanische Seefahrer in die Weiten des Atlantiks aufbrachen, suchten sie einen neuen Weg nach Indien – aber sie fanden einen neuen Kontinent.

Im Jahr 2008 wird im Europäischen Kernforschungszentrum Cern  für mehr als 8000 Physiker aus der ganzen Welt eine Entdeckungsreise anderer Art in noch unerforschte Tiefen des Mikrokosmos beginnen. Werden sie dort den Schlüssel zum Verständnis der Materie und dem Ursprung des Universums finden?


Der Large Hadron Collider (LHC), der größte Teilchenbeschleuniger der Welt, befindet sich in einem Tunnel 80 Meter tief unter der Erde in der schweizerisch-französischen Grenzregion bei Genf. In wenigen Monaten wird er seinen Betrieb aufnehmen.

"Hadron" ist ein Name für Protonen und Atomkerne, die mit dem LHC annähernd auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden können; "Collider" heißt der Beschleuniger deshalb, weil der LHC solche Teilchen mit sehr großer Bewegungsenergie zur Kollision bringt; und das Wort "Large" versteht sich bei einem Umfang von 27 Kilometern von selbst.

Eine ganze Reihe von Superlativen kennzeichnet den LHC. Eine Hauptkomponente sind 1236 supraleitende Magnete, deren Entwicklung viele technische Innovationen erfordert hat. Bei einer Betriebstemperatur von -271 Grad Celsius erzeugen sie Magnetfelder mit der 150.000-fachen Stärke des Erdmagnetfelds, um die beschleunigten Teilchen auf ihrer Bahn zu halten. Weitere 9000 Magnete bilden zusammen mit dem Beschleunigungs-, Vakuum- und Kühlsystem das größte und komplexeste wissenschaftliche Gerät, das die Menschheit jemals gebaut hat.

Gesucht: das Higgs-Teilchen

Vier Experimente im LHC sind um die vier Kollisionspunkte der gegenläufigen Teilchenstrahlen herum aufgebaut. 600 Millionen Mal pro Sekunde werden Protonen kollidieren und jedes Mal eine Energie freisetzen, die dem 15.000-fachen ihrer eigenen Masse entspricht. In solchen Kollisionen werden Hunderte neuer Teilchen produziert, deren Spuren mit Hilfe gigantischer Detektoren vermessen werden. So will man den Geschehnissen im Universum etwa eine billionstel Sekunde nach dem Urknall auf die Spur kommen.

Auf der Liste der meistgesuchten Objekte ist das Higgs-Teilchen die unumstrittene Nummer eins, knapp gefolgt von supersymmetrischen Teilchen – und vielleicht sogar Phänomenen, die die Existenz zusätzlicher Raumdimensionen beweisen könnten.

Welchen Einfluss werden diese Entdeckungen auf etablierte Theorien und unser Bild der Natur haben? Welche Erwartungen und Hoffnungen sind für die Physiker damit verbunden? Die Experimente am LHC werden einen ersten Einblick in eine bisher unerreichbare Region von Raum und Zeit geben, die unser Weltbild revolutionieren könnten.

Das Akronym Cern steht für "Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire", auf deutsch "Europäischer Rat für Kernforschung", benannt nach dem Gründungsrat im Jahr 1954. Das Cern war gegründet worden, um Europas Wettbewerbsfähigkeit in der Kernphysik wiederherzustellen.

Kurz nach dem Zweiten Weltkrieg waren die meisten europäischen Spitzenforscher in den Vereinigten Staaten. Europas Politiker fürchteten um die Zukunft der europäischen Grundlagenforschung und in der Zeit des Kalten Krieges wohl auch um mögliche Wissensdefizite in der Kernforschung. Die Gründung des Cern durch zwölf europäische Staaten sollte aber vor allem ein Signal der Versöhnung zwischen ehemals verfeindeten Nationen sein. Ein weiterer Grund für die Zusammenarbeit war, dass einzelne Länder den Bau von Beschleunigern zur Erforschung von Atomkernen und Elementarteilchen meist nicht finanzieren konnten. Der damals größte Teilchenbeschleuniger der Welt wurde im Jahr 1959 in Meyrin eingeweiht, einem Vorort von Genf nahe der französischen Grenze.

Die älteste Web-Adresse der Welt heißt www.cern.ch

Heute hat das Cern 20 Mitgliedsländer und Kooperationsabkommen mit über 30 weiteren Ländern. Sein Territorium von der Größe von 600 Fußballfeldern erstreckt sich inzwischen weit über die schweizerisch-französische Grenze hinweg nach Frankreich hinein. Das Cern beschäftigt im Jahr 2007 etwa 2500 Angestellte. Die eigentliche Physikforschung wird durch die mehr als 7000 Gastwissenschaftler von Universitäten und Forschungsinstituten aus den Mitgliedsländern des Cern und aus 65 weiteren Ländern der Erde betrieben. Das Cern ist damit zum Weltlabor geworden.

Das Projekt hat sich ausgezeichnet: Viele fundamentale Eigenschaften der Materie wurden hier entdeckt, und seit 1984 wurde drei Cern-Forschern der Nobelpreis verliehen. Nicht nur in der Physik wurden beachtliche Ergebnisse erzielt: Die älteste Web-Adresse der Welt aus dem Jahr 1989 heißt www.cern.ch , da Tim Berners-Lee hier das World-Wide-Web erfunden hat, um die Kommunikation zwischen den Physikern aus der ganzen Welt zu erleichtern.

Auf der Suche nach den Gott-Teilchen

Das Profil des Physikers hat sich in den letzten hundert Jahren sehr gewandelt. War es im 19. Jahrhundert noch möglich und sogar üblich, sowohl in experimentellen als auch in theoretischen Feldern der Physik wesentliche Beiträge zu leisten, so hat sich in den letzten Jahrzehnten in der Teilchenphysik eine immer stärkere Aufgabenteilung ergeben. Die Entwicklung neuer physikalischer Modelle liegt heute fest in den Händen der theoretischen Physiker. Deren Richtschnur sind die Symmetrieprinzipien der Natur, ihr Werkzeug ist die Mathematik. Das Cern beschäftigt etwa 30 theoretische Physiker, dazu kommen über 100 Gastwissenschaftler von Universitäten in der ganzen Welt, darunter Kapazitäten auf dem Gebiet der Teilchenphysik und der Kosmologie. Eines ihrer wichtigsten Ziele ist die Ausarbeitung einer vereinigten Theorie der Elementarteilchen, auch Superstring-Theorie genannt.


Die Aufgabe der Experimentalphysiker ist, neue Experimente zu konzipieren und durchzuführen, um die Voraussagen der Theorie zu bestätigen oder zu falsifizieren. Die Komplexität der theoretischen und der experimentellen Fragestellungen hat sich aber derart erhöht, dass sich in beiden Sektoren ein zunehmender Trend zur kollektiven geistigen Entwicklungsarbeit eingestellt hat. Die Entwicklung der theoretischen Physik geht in den letzten Jahrzehnten über ein immer enger werdendes Netzwerk von miteinander kommunizierenden Wissenschaftlern in der ganzen Welt vor sich.

Die Zeiten einsamer Genies sind vorbei

Auch ein modernes Experiment in der Teilchenphysik erfordert heutzutage die jahrzehntelange Kollaboration von Hunderten oder gar Tausenden von Experimentalphysikern mit einer großen Bandbreite von spezifischen Kenntnissen. Nur auf diese Weise kann dieser Zweig der Wissenschaft noch Fortschritte machen. Man könnte von einer Gruppenintelligenz der Physiker-Kollaborationen sprechen, die weit über die des einzelnen Wissenschaftlers hinausgeht. Die Zeiten von einsamen Genies wie Newton oder Einstein, die im stillen Kämmerlein über Jahre hinweg eine Theorie ausarbeiteten, sind unweigerlich vorbei.

Eine der größten wissenschaftlichen Errungenschaften des 20. Jahrhunderts war die Entdeckung, dass die große Vielfalt der Erscheinungen auf der Erde und im gesamten Universum auf einer kleinen Zahl elementarer Bausteine beruht, die unter dem Einfluss von vier fundamentalen Kräften stehen. Die mathematische Formulierung dieser Theorie wurde 1973 gefunden und wird heute als das "Standardmodell" bezeichnet. Es macht präzise Voraussagen über alle fundamentalen Reaktionen zwischen Elementarteilchen. Bisher wurden keine signifikanten Abweichungen zwischen Vorhersagen und Messungen gefunden, weshalb es von den Physikern als die Theorie der Teilchenphysik betrachtet wird. Viele wichtige Präzisionstests wurden am Cern mit dem Vorgänger des LHC-Beschleunigers, dem "Large Electron Positron Collider" – kurz LEP genannt – durchgeführt.

Greift Gott so permanent in die Schöpfung ein?

Aber es gibt noch eine klaffende Lücke im Standardmodell: Um die Theorie vor dem mathematischen Kollaps zu bewahren, wird ein Mechanismus benötigt, mit dem die Teilchen ihre jeweilige Masse erhalten. Dieser Mechanismus könnte durch das "Higgs-Feld" zustandekommen, das unser gesamtes Universum gleichmäßig erfüllt und durch eine neue Wechselwirkung mit Elementarteilchen eine Art "Reibung" mit dem Vakuum erzeugt, die sich als die Masse der Teilchen manifestiert. Ohne das Higgs-Feld wären alle Teilchen masselos und würden mit Lichtgeschwindigkeit durchs Universum sausen. Es gäbe keine Sterne, Planeten – und uns auch nicht.

Das Higgs-Teilchen ist das zum Higgs-Feld gehörende Feldteilchen und sollte, wenn die Theorie richtig ist, in den Kollisionen am LHC produziert werden. Es wird von Journalisten gerne als das "Gott-Teilchen" bezeichnet. Greift Gott so permanent in die Schöpfung ein? Wohl kaum. Aber das Higgs-Feld hat doch eine Sonderrolle im Universum. Angenommen, man wollte einen Batzen Energie in neue Teilchen umwandeln. Dafür gibt es feste Regeln, da in der Natur nur bestimmte Teilchen mit exakt definierten Eigenschaften existieren.

Beispielsweise muss ein Elektron hier auf der Erde exakt die gleiche Masse haben wie alle anderen Elektronen im Universum. Woher aber "weiß" das ein neuproduziertes Elementarteilchen? Die Antwort ist: vom Higgs-Feld. Und dieses Feld bestimmt auch die Masse der anderen Teilchen und die Masse der Feldquanten der schwachen Wechselwirkung. Diese wiederum birgt den Schlüssel zum Verständnis der Evolution der Materie. Das Higgs-Feld beeinflusst viele zentrale Geschehnisse im atomaren Bereich, die enorme Auswirkungen auf die Möglichkeit der Entstehung von Leben im Universum haben.

Das Nichts scheint extrem kompliziert zu sein

Vielleicht werden die Forschungen im Cern auch eine neue Art von Teilchen finden, die eine Brücke herstellen zwischen den Bausteinen der Materie und den Feldquanten der vier Wechselwirkungen. Die Theorie der "Supersymmetrie” (kurz Susy) besagt, dass es bei extrem hohen Energiedichten, wie sie kurz nach dem Urknall herrschten, für jedes Materieteilchen einen zugehörigen Feldteilchenpartner gab, und umgekehrt.


Während der Abkühlung des Universums in den ersten Momenten nach dem Urknall wurde diese Symmetrie spontan gebrochen, und die supersymmetrischen Teilchen erhielten eine sehr viel größere Masse als die heute im Standardmodell enthaltenen Bausteine. Durch den LHC sollen jetzt solche Susy-Teilchen produziert und nachgewiesen werden. Die dunkle Materie könnte aus solchen Susy-Teilchen bestehen, die vom Urknall übrig geblieben sind und seither durchs Universum vagabundieren. Hinweise auf die Richtigkeit der Supersymmetrie-Hypothese werden von theoretischen Physikern sehnlich erwartet, da sie auf dem Weg zur Vereinigung aller Wechselwirkungen auf die Richtigkeit der Susy-Hypothese angewiesen sind.

Wie viele Dimensionen hat der Raum?

Der LHC könnte sogar Hinweise darauf liefern, dass der Raum mehr als drei Dimensionen hat. Für große Abstände ist unser Raum sicherlich dreidimensional, denn hätte er vier (oder mehr) makroskopische Dimensionen, würde das Newtons Gravitationsgesetz verändern. Dann wären die Planetenbahnen instabil und über kurz oder lang würden alle Planeten entweder in die Sonne stürzen oder ins endlose Nichts des Universums entfliehen. Für die Entstehung von Leben im Universum sind also drei Dimensionen eine Notwendigkeit. Aber im mikroskopischen Bereich könnte es zusätzliche Dimensionen geben, die mit dem LHC entdeckt werden könnten. Es ist noch unbekannt, ob Newtons Gesetz auch bei sehr kleinen Abständen von weniger als einem Hundertstelmillimeter richtig ist.

Die Gravitationskraft zwischen kleinen Objekten ist extrem gering und bei diesen Abständen nur sehr schwer nachweisbar. Es ist also experimentell nicht ausgeschlossen, dass der Raum für sehr kleine Abstände höherdimensional ist. Wenn Newtons Gesetz dort modifiziert wäre, könnte das zu einer wesentlich stärkeren Gravitationskraft bei diesen kleinen Abständen führen. Bei Kollisionen im LHC könnten deshalb winzige schwarze Löcher produziert werden, die uns erste Hinweise auf die Existenz höherer Dimensionen liefern würden. Das wäre eine willkommene Entdeckung für die Weiterentwicklung der Superstring-Theorie, in der Elementarteilchen durch vibrierende Energiefäden in zehn Dimensionen repräsentiert werden.

Die Experimente mit dem LHC werden viele brennende Fragen nach den Bausteinen der Materie und der Evolution des Kosmos beantworten können. Aber sie werfen auch theologische und philosophische Fragen auf:

  • Ist das Higgs-Teilchen eine Art kosmischer DNA, die die Eigenschaften jedes Teilchens im Universum festlegt und die Einhaltung der Naturgesetze überwacht?
  • Ist, pantheistisch gedacht, Gott in jedem seiner Elemente enthalten? Oder ist der Raum selbst Träger der Informationen, welche die Elemente definieren?
  • Ist unser vertrauter dreidimensionaler Raum nur die Oberfläche eines zusammengequetschten zehndimensionalen Superraums?
  • Warum ist die Antimaterie im Kosmos abwesend? Ist das wirklich nur die Konsequenz einer winzigen Materie-Antimaterie-Asymmetrie in den allerersten Momenten des Universums, der zufällig richtigen Feineinstellung bestimmter Zerfallseigenschaften?
  • Existiert eine supersymmetrische Spiegelwelt?
  • Was ist die dunkle Energie, die mysteriöseste Zutat im Kochrezept des Universums?
  • Warum liefern die Theorien der Vakuumenergie Voraussagen, die um viele Größenordnungen falsch sind? Das Nichts scheint viel komplizierter zu sein, als Physiker und Philosophen jemals geahnt haben.

Während der Entstehung des Universums gab es anscheinend viele Zufälle. Aus einem – vermutlich – völlig symmetrischen Anfangszustand kam es zu einem scheinbar willkürlichen Bruch von Symmetrien, aus denen letztendlich unsere heutigen Naturgesetze entstanden. Wie dies genau geschah – und ob es dabei deterministisch oder zufällig zuging – ist eine Frage, die wir heute noch nicht beantworten können. Diese Ereignisse im frühen Universum haben aber die Gestalt unserer Welt festgelegt, und sie kommen damit einer direkten göttlichen Intervention am nächsten. Die Idee einer Einwirkung Gottes am Beginn des Universums ist nicht einfach von der Hand zu weisen.

Die Menschheit bewohnt einen unbedeutenden Planeten, der eine ganz gewöhnliche Sonne umkreist, eine unter Hunderten von Milliarden ähnlicher Sterne in der Milchstraße. Diese ist nur eine von Hunderten von Milliarden anderen im Universum. Vielleicht ist sogar unser Universum nur eines von unzählbar vielen anderen? Und was ist die Ewigkeit? Materie hat sich zwar zu Strukturen wie Pflanzen, Tieren und Menschen gefügt. Sie alle aber sind vergänglich, nur ihre Bestandteile selbst – die Elementarteilchen – sind ewig.

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