Mit Wucht ins Innere der Materie

Genf - In einer gigantischen Anlage bei Genf wollen Forscher Bausteine der Atome aufeinander schießen und damit tiefe Einblicke in die Materie gewinnen. Mehr als drei Milliarden Euro sind unter der Erde vergraben worden. Anfang August soll der Large Hadron Collider (LHC) starten.

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  Von Rainer Klüting

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Das europäische Forschungszentrum Cern bei Genf hat eine lange Tradition darin, Elementarteilchen auf hohe Geschwindigkeiten zu bringen und mit ihnen die inneren Strukturen der Materie zu erforschen. 1954 wurde der "Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire" (Europäischer Rat für Kernforschung) im Grenzgebiet zwischen der Schweiz und Frankreich gegründet. Inzwischen sind zwanzig Staaten Europas Mitglied, mehrere Beschleuniger wurden gebaut.

Das jüngste dieser Riesenmikroskope, gebaut seit 1998, wird Geschichte machen. Und das nicht nur, weil es dort vor technischen Superlativen nur so wimmelt. "Die größte Maschine der Welt", wie das Cern sie nennt, steht in einem kreisförmigen Tunnel von 27 Kilometer Umfang, rund 100 Meter unter der Erdoberfläche Frankreichs und der Schweiz.

Den Physikern geht nicht um diesen und andere Superlative. Es geht ihnen um Antworten auf Kernfragen ihrer Wissenschaft. Nur eine Maschine der Größe des Large Hadron Colliders (LHC) könne sie diesen Antworten näher bringen, sagen sie seit den ersten Planungen in den 1980er Jahren.

In wenigen Wochen, noch im August, wird die Maschine angefahren werden. Bis die ersten Experimente stattfinden können, werden Monate vergehen, und weitere Monate wird es dauern, bis sie ausgewertet sind. Am Ende hoffen die Forscher zum Beispiel zu verstehen, warum manche Bausteine der Materie eine Masse haben, also schwer sind, und andere nicht, und was es mit der Dunklen Materie im All auf sich hat.

Seit den siebziger Jahren haben sich die Physiker ein Bild davon geschaffen, aus welchen Urbausteinen die Materie besteht und wie zum Beispiel Atomkerne und ihre Bausteine, die Protonen und Neutronen, zusammenhalten. Das sogenannte Standardmodell führt alle Elementarteilchen auf zwölf Urbausteine zurück, sechs Quarks und sechs Leptonen. Das Modell erklärt die Wechselwirkungen der Teilchen und den Aufbau der Materie recht gut. Doch es hat Schönheitsfehler. So hat es unter anderem keinerlei Erklärung für das Phänomen der Masse.

Vor 44 Jahren hat Peter Higgs, ein schottischer Physiker, einen Trick versucht. Was, so schlug er vor, wenn die Elementarteilchen ihre Masse erst eine Weile nach dem Urknall erhalten hätten, weil im abkühlenden Universum ein neues Teilchen entstand, das für die Eigenschaft der Schwere verantwortlich ist? Seitdem suchen Physiker nach diesem Schwereteilchen. Wenn es das Higgs-Teilchen gibt, dann könnte der LHC es finden. Nicht jeder wäre darüber froh, denn das Higgs passt nicht recht in das Standardmodell. Doch sollte der LHC es nicht finden, könnte es dennoch existieren, auffindbar nur mit einer noch gewaltigeren Maschine.

Es gibt weitere Fragen an den LHC: Was ist die rätselhafte Dunkle Materie, die Theoretiker erfinden mussten, um erklären zu können, wie Galaxien im All zusammenhalten? Und: Im Urknall sind Materie und Antimaterie in gleichen Mengen entstanden. Wo ist die Antimaterie geblieben? Auch weiterführende, sehr abstrakte Theorien vom Aufbau der Materie und des Alls - sie tragen Namen wie Supersymmetrie und Stringtheorie - können in Teilen experimentell auf die Probe gestellt werden. Und wer weiß, ob die bisher vergeblichen Versuche, alle Naturphänomene in einer einheitlichen Theorie zu erklären, nicht ein wenig vorankommen.

9600 Magnete bei minus 271,3 Grad Celsius

Damit solche Expeditionen ins Innere der Materie möglich werden, sind sie da, die zahlreichen Superlative, mit denen sich die "Großanlage für Kollisionen zwischen schweren Elementarteilchen", wie man den Namen LHC übersetzen kann, schmücken darf. Am LHC arbeiten die meisten der 2500 Beschäftigten des Cern und der 8000 Gastwissenschaftler von 580 Universitäten in 85 Ländern. 9600 Magnete, durch flüssiges Helium auf eine Temperatur von minus 271,3 Grad Celsius gebracht, halten Protonen oder Blei-Ionen, die mit 99,99 Prozent der Lichtgeschwindigkeit fliegen, in der 27 Kilometer langen Partikelrennbahn fest. Sie drehen ihre Runde 11245 mal pro Sekunde, ein Strahl rechts herum, der andere auf Kollisionskurs links herum. Eine Energie von sieben Teraelektronenvolt (TeV) erreichen die Protonen. Ein TeV entspricht zwar nur der Energie eines fliegenden Moskitos. Doch diese Energie ist auf einem Raum von dem Millionsten eines Millionstel eines Moskitos konzentriert.

Prallen Teilchen aufeinander, was etwa 600 Millionen Mal pro Sekunde geschehen wird, erzeugen sie für Bruchteil von Sekunden Temperaturen, die hunderttausendfach höher sind als im Inneren der Sonne. Die Bruchstücke und die erhofften neuen Teilchen werden in Messgeräten (Detektoren) registriert, die die Ausmaße mehrstöckiger Wohnhäuser haben. Vier große und zwei kleinere Messanlagen sind entlang der Flugbahn aufgebaut. Ihre Namen sind Alice, Atlas, CMS, LHCb, LHCf und Totem. Jeder Detektor ist spezialisiert. Ihr gemeinsames Ziel: Bruchstücke von Kollisionen zu untersuchen, die die Materie zeigen, wie sie in verschiedenen Stadien der Entstehung des Universums vor 13,7 Milliarden Jahren war. So wollen die Forscher quasi im Labormaßstab die Entstehung und Entwicklung der heute bekannten Form der Materie nachvollziehen - und, wenn möglich, etwas besser verstehen.