LHC – Forschungsgigant im Teilchenkosmos

Wie ist unsere Welt aufgebaut? Und was hält sie im Innersten zusammen? Dies sind grundlegende Fragen, die Physikerinnen und Physiker interessieren. Der LHC mit seinen unerreichten Teilchenenergien bietet ihnen beispiellose Forschungsmöglichkeiten. 2012 gelang am Large Hadron Collider eine Sensation, als Forschende erstmals das seit Jahrzehnten gesuchte Higgs-Boson nachwiesen. Über den sogenannten Higgs-Mechanismus verleiht es allen Elementarteilchen seine Masse und ist daher ein grundlegender Materiebaustein. Die Entdeckung eröffnete den Beteiligten ein umfassendes Forschungsprogramm rund um die Eigenschaften des exotischen Elementarteilchens. Zusätzlich sind sie auf der Suche nach Phänomenen wie Dunkler Materie, die sie am LHC unter Laborbedingungen produzieren und studieren wollen. Besonders durch noch höhere Kollisionsenergien, die im Zusammenhang mit dem LHC Leistungsausbau erreicht werden, stoßen die Forschenden eine Tür in diese unbekannte Welt auf.

Blick in den CMS-Detektor

Die Forschung am LHC verteilt sich auf vier sich ergänzende Experimente (ATLAS, CMS, LHCb und ALICE), die mit leistungsfähigen Detektoren ausgestattet sind. Diese wissenschaftlichen Nachweisgeräte vermessen die Teilchenspuren im Anschluss an die Teilchenkollisionen. Mit den Vielzweckdetektoren ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) und CMS (Compact Muon Solenoid) halten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler unter anderem Ausschau nach Teilchen, aus denen die Dunkle Materie besteht. Dabei ergänzen sich die beiden Experimente mit ihren auf unterschiedlichen Technologien basierenden Detektoren.

ALICE und LHCb sind speziellen Formen von Materie gewidmet. Mit ALICE (A Large Ion Collider Experiment) untersuchen die Forschenden das Quark-Gluon-Plasma. Der Name steht für einen Materiezustand, der kurz nach dem Urknall auftrat und sich nur bei extrem hohen Energien erzeugen lässt. Hierzu werden die Protonen im LHC durch Blei-Kerne ersetzt. So wollen die Physikerinnen und Physiker die Natur der starken Wechselwirkung besser verstehen. Mit dem LHCb-Experiment (Large Hadron Collider beauty) überprüfen sie das Standardmodell der Teilchenphysik, indem sie nach winzigen Unterschieden zwischen Materie und Antimaterie suchen. Das Kuriose: Nach heutigem wissenschaftlichem Verständnis dürfte unsere Welt gar nicht existieren. So hätten sich Materie- und Antimaterie-Teilchen aufgrund ihrer gegensätzlichen Ladung auslöschen müssen. Wie lässt sich also der klare Materieüberschuss erklären? Der LHC hat das Zeug dazu, diese und andere Phänomene zu entschlüsseln.

Large Hadron Collider am CERN

Der Large Hadron Collider befindet sich im Grenzgebiet zwischen der Schweiz und Frankreich. Hauptbestandteil ist ein unterirdischer rund 27 Kilometer langer Beschleunigerring, in dem Protonen – die positiv geladenen Bausteine der Atomkerne – kreisen. Supraleitende Magnetspulen, die keinen elektrischen Widerstand besitzen, halten die geladenen Teilchen über starke Magnetfelder auf ihrer Bahn. Der LHC beschleunigt zwei gegenläufige Protonenstrahlen auf Energien bis zu 6,5 Teraelektronenvolt, ab 2021 bis zu sieben Teraelektronenvolt. Nahezu mit Lichtgeschwindigkeit prallen die Teilchen dann aufeinander.

Die Energien sind bei derartigen Kollisionen so hoch, dass die Protonen im Einzelnen zerstört werden, aber aufgrund der wirkenden physikalischen Kräfte neue und schwere Teilchen erzeugt werden. Zwar zerfallen viele dieser Teilchen rasch wieder in andere Teilchen, so dass die ursprünglichen sich gar nicht direkt detektieren lassen. Jedoch entstehen bei diesen Zerfällen Teilchen, die in den speziell dazu gefertigten Detektoren ihre Spuren hinterlassen. Diese können die Forschenden exakt vermessen und so Schlüsse auf die ursprünglichen Konstellationen ziehen. Bis zu 1,5 Milliarden Teilchen stoßen im LHC pro Sekunde zusammen. Entsprechend groß ist die erzeugte Datenmenge, die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auswerten müssen.

Teilchenbeschleuniger

Deutschland finanziert mit rund zweihundert Millionen Euro im Jahr circa zwanzig Prozent des CERN-Haushaltes und damit den Betrieb des LHC. Das macht Deutschland zum größten Geldgeber und sichert seine herausragende Position innerhalb der Teilchenphysik. Insgesamt sind mehr als neunhundert deutsche Forscherinnen und Forscher in die LHC-Experimente eingebunden. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert außerdem alle vier LHC-Experimente mit Mitteln der Projektförderung im Rahmen von ErUM-Pro. Sie erlaubt deutschen Universitäten, sich mit wesentlichen Beiträgen an ATLAS, CMS, ALICE und LHCb zu beteiligen. Mit ihrem Fachwissen – vor allem im Detektorbau und in der Datenauswertung mit leistungsfähigen Analysetechniken basierend auf maschinellem Lernen – sorgen die Universitäten dafür, dass die LHC-Experimente weiterentwickelt werden. Damit sind sie für Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus der ganzen Welt attraktiv.

Zusätzliche Mittel stellt das Bundesforschungsministerium für den weiteren Ausbau (Upgrade Phase II) von ATLAS und CMS im Rahmen des geplanten Leistungsausbaus (High Luminosity Upgrade) des LHC bereit. Sie fließen in Forschungs- und Entwicklungsarbeiten sowie in den anschließenden Aufbau neuer leistungsstärkerer Detektorkomponenten an den beiden Experimenten.

Rund zehn Jahre sind vergangen, seit das CERN den weltweit leistungsfähigsten Teilchenbeschleuniger in Betrieb nahm. Seitdem haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern immer wieder von sich Reden gemacht, etwa mit der Erkenntnis, dass sich das Quark-Gluon-Plasma – ein Materiezustand unmittelbar nach dem Urknall – bei hohen Energien eher wie eine zähle Flüssigkeit als wie ein Gas verhält. Oder mit neu entdeckten Teilchen, die den bisher bekannten Teilchenkosmos ergänzen.

Erweiterungen

Die größte Sensation gelang den Forschenden 2012, als sie das lange gesuchte Higgs-Teilchen erstmals nachwiesen. In den Folgejahren nutzten die Physikerinnen und Physiker die vom Large Hadron Collider erzeugten Daten, um die Eigenschaften des jüngst bestätigten masseverleihenden Higgs-Teilchens weiter zu erforschen. Im Sommer 2018 gelang es ihnen, den Zerfall in zwei sogenannte Bottom-Quarks nachzuweisen. Bei Quarks handelt es sich um Teilchen, aus denen der Atomkern besteht. Physikerinnen und Physiker unterscheiden dabei unterschiedliche Arten von Quarks, darunter das Bottom-Quark und das Top-Quark. Schon vor dem konkreten Nachweis hatten Theoretikerinnen und Theoretiker seit längerem den Zerfall vorhergesagt. Doch obwohl es sich demnach um ein häufiges Zerfallsmuster handelt – es tritt in 58 Prozent der Fälle auf –, ist es erst sechs Jahre nach der Entdeckung gelungen, die Teilchenbruchstücke eindeutig auf das Higgs-Teilchen zurückzuführen. Im nächsten Schritt wollen die Forschenden weitere Eigenschaften sowie Wechselwirkungen mit anderen Teilchen präzise untersuchen und vermessen. Teilchen für Teilchen gewinnen sie so ein genaueres Bild des einzigartigen Kosmos.

Der Ausbau des Large Hadron Collider wird bis 2021 (Upgrade Phase 1) und zwischen 2025 und 2027 (Upgrade Phase 2) erfolgen. Im Upgrade Phase 1 werden die Vorbeschleuniger sowie die LHC-Magnete vorbereitet, damit ab 2022 die Protonenstrahlen auf Energien bis zu sieben Teraelektronenvolt beschleunigt werden können. Im Rahmen des zweiten Upgrades bauen die Verantwortlichen zentrale Komponenten ein. Dann wird der LHC zeitweise komplett abgeschaltet. Ziel ist es, mit noch höheren Wechselwirkungsraten und noch höheren Energien völlig neue physikalische Phänomene zu beobachten. Denn je mehr Teilchenkollisionen im LHC stattfinden, desto höher ist die Anzahl der für die Analyse geeigneten Teilchen und desto wahrscheinlicher ist eine weitere große Entdeckung. Nach dem großen Phase-2-Umbau steigt die heutige Kollisionsrate von 1,5 Milliarden pro Sekunde um den Faktor drei bis vier. Parallel vergrößert sich die Datenmenge erwartungsgemäß um circa das Zwanzigfache. Entsprechend wichtig ist es, die Detektoren für die neuen Anforderungen – höhere Strahlenbelastung und steigende Datenrate – vorzubereiten und deren Messgenauigkeit weiter zu steigern. Dies wird während zwei geplanten Betriebsunterbrechungen unter starkem deutschem Engagement geschehen. Zusätzlich nutzen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Zeit, um die bereits erhobenen Daten auszuwerten.