Die „Weltmaschine“ läuft wieder

Bausteine des Universums

In dem unterirdischen Ringtunnel zwischen Frankreich und der Schweiz sollen Protonen mit viel höherer Energie als je zuvor aufeinanderprallen. Protonen gehören neben Neutronen und Elektronen zu den Bausteinen der Atome, aus denen alle festen, flüssigen und gasförmigen Stoffe bestehen. In den Zerfallsprodukten suchen die Forscher nach bereits entdeckten und noch unentdeckten Puzzlesteinen des Universums.

„Alles hat hervorragend geklappt“, sagt Cern-Generaldirektor Rolf-Dieter Heuer. Zuvor hatte am Ostersonntag um 10.41 Uhr der erste und um 12.27 Uhr der zweite Teilchenstrahl den 27 Kilometer langen LHC-Ring passiert. „Das Herz des Cern schlägt jetzt wieder im Rhythmus des LHC“, erklärt der Physiker, der an der Universität Stuttgart Physik studierte und sein Diplom erwarb.

Bis die Strahlen aus Protonen mit der nun erstmals möglichen Kollisionsenergie von 13 Teraelektronenvolt (TeV) - fast doppelt so viel wie bisher - aufeinanderprallen, wird es noch etwa zwei Monate dauern. Am Sonntag ging es im Ringtunnel noch mit der vergleichsweise bescheidenen Injektionsenergie von 450 Gigaelektronenvolt los.

„Das steigern wir schrittweise auf die Höchstleistung“, so Heuer. Dann könnten im weltraumähnlichen Vakuum des LHC weit mehr Teilchenkollisionen herbeigeführt werden als bisher - bis zu eine Milliarde pro Sekunde.

Hightech-Wunder soll die Welt erklären

Die Physiker am Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire - so der französische Name für Cern - nennen ihre Schöpfung schlicht „ein Experiment“. Das Hightech-Wunder soll helfen, die letzten Fragen der Physik zu beantworten: Woher kommt das Universum? Woraus besteht es? Was hält es zusammen? Wie geht es weiter? Neben Atlas, dem größten der Messgeräte, gibt es noch drei weitere sogenannte Detektoren: CMS, Alice und LHCb. Sie alle sind Teil der größten, jemals gebauten Maschine: des Large Hadron Collider (LHC).

Der LHC ist der leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger der Welt. Mehr als 10  000 Wissenschaftler und Techniker aus über 100 Staaten waren an seiner Planung und am Bau beteiligt. Das Herzstück der gigantischen Anlage ist der Ringbeschleuniger (sogenannter Synchrotron) in einem 26,7 Kilometer langen unterirdischen Ringtunnel, in dem Protonen oder Blei-Kerne gegenläufig auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und zur Kollision gebracht werden.

Standardmodell der Physik

Beim Cern geht es um wahrhaft Elementares: Die Wissenschaftler wollen mit Hilfe der physikalischen Crash-Tests Elementarteilchen und Materiezustände untersuchen. Ausgangspunkt ist dabei das gegenwärtigen Standardmodells der Teilchenphysik. Dieses hochkomplexe mathematische Modell fasst die zentralen Erkenntnisse der Teilchenphysik zusammen und beschreibt alle bekannten Elementarteilchen und Wechselwirkungen zwischen ihnen. So will man neue Antworten auf offene Fragen finden.

"Gottesteilchen" und "Interstellar"

Higgs „Gottes-Teilchen“

2012 konnten die Cern-Forscher erstmals experimentell die Existenz eines der winzigsten, bis dahin nur theoretisch bekannten Partikel der Welt nachweisen: das Higgs-Teilchen. Benannt ist es nach dem britischen Physiker Peter Higgs (geboren 1929), dem am 8. Oktober 2013 für seine Erforschung des Higgs-Mechanismus zusammen mit François Englert der Nobelpreis für Physik zuerkannt wurde.

„The God Particle“ – das Gottes-Teilchen – nannte der amerikanische Physik-Nobelpreisträger Leon Ledermann jene geheimnisvollen Teilchen, die sein Kollege Higgs 1964 erstmals beschrieb. 29 Elementarteilchen kennt das seit 40 Jahren gültige Standardmodell der Physik. Mit ihm erklären die Forscher, wie der Kosmos entstanden ist, was ihn im Innersten zusammenhält und welche Kräfte in ihm wirken.

Dieser winzige Baustein – auch Higgs-Boson genannt – ist eine Antwort auf die Fragen, die sich Physiker seit Jahrhunderten stellen: Warum hat Materie überhaupt eine Masse? Was macht Blei, Eisen oder Kupfer so schwer und andere Stoffe wie Luft dagegen so leicht? Das Higgs-Teilchen ist dafür verantwortlich, dass Atome, Planeten oder Menschen ihr Gewicht erhalten.

100 Meter unter der Erde und so schwer wie der Eiffelturm

Bis zu 100 Metern unter der Erde registrieren die LHC-Detektoren Spuren der bei den Kollisionen entstandenen Partikel. Der größte der Detektoren, Atlas, ist halb so groß wie die Kathedrale Notre-Dame in Paris und fast so schwer wie der Eiffelturm. Durch die unvorstellbare große Anzahl von Kollisionen pro Sekunde entstehen gewaltige Datenmengen. Diese werden mit Hilfe von extrem leistungsfähigen Computern ausgewertet.

Vor drei Jahren hätten die Forscher mit dem LHC durch den Nachweis des Higgs-Teilchens, des wichtigsten Bausteins im Standardmodell der Materie, Geschichte geschrieben, betont der Direktor für Teilchenphysik des Deutschen Elektronen-Synchrotons (Desy), Joachim Mnich. „Der Neustart mit deutlich höherer Energie gibt uns die Chance, in neue, unbekannte Regionen vorzustoßen und neue physikalische Phänomene wie zum Beispiel die Dunkle Materie nachzuweisen.“ Auch das Desy bei Hamburg ist an den Experimenten des Cern beteiligt.

„Alle Teilchenphysiker blicken jetzt mit Spannung nach Genf“, sagte Mnich. Cern-Chef Heuer rät aber zur Geduld: Wann es bahnbrechende Erkenntnisse für eine ganz neuen Physik geben werde, sei noch nicht absehbar. „Das kann schnell gehen, aber es kann auch sehr lange dauern, ich bin da sehr vorsichtig.“

„Interstellar“ und die Welt der Physik

Wie aktuell die Forschungen am Cern sind, zeigt auch der Science-Fiction-Film „Interstellar“, der jetzt auch als DVD erschienen ist. Es gibt keinen Film (abgesehen vielleicht von Stanley Kubricks „2001: Odyssee im Weltraum“) bei dem die Astrophysik eine so entscheidende Rolle spielt. In dem amerikanisch-britischen Film „Interstellar“ von 2014, bei dem Christopher Nolan Regie führte, geht es um ganz Großes: schwarze Löcher und Wurmlöcher, Reisen in andere Galaxien und die Relativität der Zeit. Die Gravitation des Schwarzen Loches, das im Film „Gargantua“ heißt, ist so gewaltig, dass einer Stunde auf dem Planeten in seiner Nähe sieben Jahre auf der Erde entsprechen.

Einsteins Relativitätstheorie

Einstein und die Relativität der Zeit

Eben diese Relativität der Zeit habe der Physik-Nobelpreisträger Albert Einstein (1879-1955) erkundet, erklärt Metin Tolan, Professor für Experimentelle Physik an der Technischen Universität Dortmund. „Im Jahr 1905 hat er herausgefunden, dass Raum und Zeit miteinander zusammenhängen. Die Zeit ist nicht irgendetwas Absolutes und für alle gleich. Wenn man sich schnell bewegt, vergeht die Zeit objektiv langsamer. Man altert auch langsamer im Vergleich zu jemanden, der sich nicht so schnell bewegt.“

Ein Beispiel: Der Flug nach Alpha Centauri, dem uns mit vier Lichtjahren am nächsten gelegenen Stern. „Das Licht braucht von dort vier Jahre, um zur Erde zu gelangen“, so Tolan. „Wenn die Lichtgeschwindigkeit von knapp 300 000 Kilometer pro Sekunde die größte Geschwindigkeit ist, die im Universum erreichbar ist, dann wäre man offenbar mindestens vier Jahre unterwegs. Dem ist aber nicht so. Wenn man sich nämlich mit 99,9999 Prozent der Lichtgeschwindigkeit bewegen könnte, würden auf dieser Reise nur drei Tage vergehen. Tatsächlich würde die Zeit also viel langsamer verlaufen.“

Geschichte des Teilchenbeschleunigers

Der LHC-Teilchenbeschleuniger am Cern ist das größte Zyklopengerät der 1954 gegründeten internationalen Forschungsschmiede. Seitdem werden in Genf Teilchenbeschleuniger für die physikalische Grundlagenforschung konstruiert. Der LHC sprengt alle Dimensionen. 100 Meter unter der Erde liegt das „Mekka der Teilchenphysik“, wie es ein deutscher Physiker, der dort seit Jahren arbeitet, nennt. Die Stahlröhre im Ringtunnel, die aus 1232 supraleitenden Magneten mit zwei Vakuumröhren im Inneren besteht, muss auf eine Betriebstemperatur von minus 273 Grad Celsius – dem absoluten Nullpunkt -gekühlt worden, um betriebsbereit zu sein.

Der Cern liegt wenige Kilometer vom Genfer Stadtzentrum entfernt in einer ländlichen, idyllischen Landschaft mit Blick auf das Juragebirge. Das Gelände ist ungefähr so groß wie 600 Fußballfelder. Tausende Physiker aus mehr als 60 Staaten forschen dort im Auftrag von Elite-Universitäten und Unternehmen, davon rund 1000 deutsche Forscher. Eine globale Denkfabrik, in der die Grundlagen für die Technologie von morgen geschaffen werden.

Kleinste Teilchen, riesige Maschinen

Um die kleinsten Teilchen der Welt zu untersuchen, braucht es riesige Maschinen. Sie rekonstruieren die erste Billionstelsekunde nach dem Urknall vor 13,7 Milliarden Jahren, indem sie enorme Energie auf engstem Raum konzentrieren. Im LHC werden Atomkernteilchen mit annähernder Lichtgeschwindigkeit (exakt 299 792 458 Meter pro Sekunde) gegeneinandergeschleudert.

Mehr als drei Jahrzehnte ist es her, da tauchte erstmals die Idee des LHC auf. Die damaligen Beschleuniger stießen an ihre Grenzen. 1985 begannen Schweizer Ingenieure mit dem Bau des Tunnels, den sie drei Jahre später fertigstellten. Danach ging der Large Electron Positron Collider (LEP) an den Start, der 2000 abgeschaltet wurde. Nun stoßen die Physiker mit dem LHC, dem leistungsstärksten Teilchenbeschleuniger aller Zeiten, das Tor zum 21. Jahrhundert auf.

Fiktion und Realität

Fiktion und Realität

Doch was haben die Experimente am Cern und der Science-Fiction-Film „Interstellar“ gemeinsam? Mehr als man denkt. Hier einige Antworten:

Die weltweite Physiker-Gemeinde sucht nach dem Weltmodell. Jenem theoretischen Konstrukt, mit dessen Hilfe man die Rätsel des Kosmos entschlüsseln kann. Die beiden großen physikalischen Theorien des 20. Jahrhunderts, die Quantenphysik und die allgemeine Relativitätstheorie, erklären jede auf ihre (Weise die Kräfte, die das Weltall zusammenhalten.

Was ist Quantengravitation?

Quantengravitation heißt das Zauberwort der modernen Physik – eine Symbiose aus beiden Theorien. Während Albert Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie sich mit der Gravitation, einer der vier Elementarkräfte des Universums, befasst, beschreibt die Quantentheorie die übrigen drei kosmischen Elementarkräfte: elektromagnetische Wechselwirkung, schwache Wechselwirkung und starke Wechselwirkung. Sie geht vor allem auf die deutschen Physiker Max Planck (1858-1947) und Werner Heisenberg (1901-1976) zurück.

Man könnte es auch so ausdrücken: Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie beschreibt den Aufbau des Weltalls im Großen und erklärt die Vorgänge bei großen Massen wie Planeten und Beschleunigungen. Die Quantentheorie wiederum will die Wechselwirkung zwischen den kleinsten Teilchen erklären. Die Probleme bei der Zusammenführung beider Theorien sind so kompliziert und die Lösungen – bisher zumindest – so undenkbar, dass selbst ein Genie wie Einstein vor den geistigen Herausforderungen kapitulieren musste.

Löcher im Weltall

Doch noch einmal zurück zum Hollywood-Film „Interstellar“. Science-Fiction-Fans kennen Wurmlöcher, die in dem Streifen eine zentrale Rolle spielen, auch aus den „Star-Trek“-Serien und -Kinofilmen. „Wurmlöcher sind in der gekrümmten Raumzeit quasi Abkürzungen“, sagt Physiker Metin Tolan. „Materie und Energie krümmen den Raum, wodurch Gravitation entsteht. Wenn Raumbereiche so stark gekrümmt werden, dass sie nah zusammenkommen, kann ein Wurmloch entstehen. Bisher sind Wurmlöcher nur ein theoretisches Konstrukt. Ob es sie wirklich gibt, weiß man nicht. Theoretisch könnte ein Wurmloch – geschickt konstruiert – als Zeitmaschine dienen. Denn die Zeit würde auch verändert werden, weil Raum und Zeit eine Einheit sind. Man geht an der einen Seite rein und kommt auf der Seite in der Vergangenheit wieder raus.“

Der Traum vom Reisen durch Raum und Zeit

Es sei ein Trau des Menschen zu wissen, ob im Universum noch andere Lebensformen existierten, sagt Metin Tolan. „Wenn es so eine Zeitmaschine gäbe, dann wäre ich neugierig herauszufinden, ob es uns beispielsweise in 100 Jahren gelungen ist, andere Lebensformen im Universum aufzuspüren.“

Am Cern ist man diesen und anderen Rätseln des Universums so dicht auf der Spur wie sonst nirgends auf der Erde.