Die Forschungsschwerpunkte der Teilchenphysik beschäftigen sich
mit der Erforschung grundlegender physikalischer Gesetze, die
über die elementaren Bausteine der Materie und der Struktur von
Raum und Zeit herrschen. Die Inbetriebnahme des LHC, dem Large
Hadron Collider, eines der größten und globalen
wissenschaftlichen Projekte aller Zeiten, markiert einen Wendepunkt
in der Teilchenphysik. Proton-Proton und Bleiionen-Zusammenstöße mit
einer noch nie dagewesenen Energie könnten in den kommenden
Jahren ganz neue Einblicke eröffnen und möglicherweise
einige der fundamentalen Fragen der modernen Physik beantworten, wie
z.B. den Ursprung der Materie, die einheitliche Behandlung der
fundamentalen Kräfte, neue Formen der Materie und
zusätzliche Dimensionen von Raum und Zeit.
Zu Beginn des 20. Jahrhunderts waren die Wissenschaftler der
Meinung, die meisten fundamentalen Prinzipien der Natur verstanden
zu haben. Jedoch beginnend mit Einsteins Relativitätstheorie,
welche die Newton'sche Mechanik ersetzte, wurde den Wissenschaftlern
klar, dass ihr Wissen weit von jeglicher Vollständigkeit
entfernt war. Das spezielle Interesse galt dem wachsenden Bereich
der Quantenmechanik, die die Grundlagen der Physik vollständig
veränderte.
Mit Beginn der ersten Kollisionsexperimente fand man heraus, dass
Atome bei weitem nicht als elementare Bausteine der Natur verstanden
werden konnten, sondern dass sie aus noch kleineren Bestandteilen
bestehen. Ein ganzer Teilchen-Zoo wurde durch die Kollisionsphysik
entdeckt. Die Gesetzmäßigkeiten dieser Teilchen blieb den Physikern
aber lange Zeit ein Rätsel.
Mit der Quark-Theorie von M. Gell-Mann und G. Zweig konnten nicht
nur die Gesetzmäßigkeiten in diesem Teilchen-Zoo beschrieben
werden, sondern auch sehr viele bis dato unbekannte Teilchen
vorhergesagt werden, welche in späteren
Beschleunigerexperimenten nachgewiesen werden konnten. Seit nunmehr
über 30 Jahren ist dadurch schrittweise eine Theorie entstanden, die
auf den Gesetzen der speziellen Relativitätstheorie und der
Quantentheorie basiert, und heute als das "Standardmodell der
Teilchen und Wechselwirkungen" bezeichnet wird.
Doch obwohl das Standardmodell (SM) nahezu alle bisherigen
teilchenphysikalischen Beobachtungen erklären kann, reicht es
nicht aus, um unsere Welt vollständig zu beschreiben. So ist es
weder in der Lage die gravitative Wechselwirkung zu beschreiben,
noch die drei anderen Grundkräfte (starke Wechselwirkung,
schwache Wechselwirkung, elektromagnetische Kraft) in einer einzigen
Theorie zu vereinen. Ausserdem folgen bestimmte freie Parameter
nicht aus der Theorie selbst, sondern müssen experimentell
bestimmt werden.
Ein weiteres Problem des Standardmodells ist, dass die Teilchen,
welche die Theorie bisher vorhergesagt hat, eigentlich keine Masse
haben dürften. Dies deckt sich aber in keinster Weise mit der
Beobachtung. Alleine die Masse des Top-Quarks, entspricht fast
derjenigen eines Goldatoms. Dieses schwerwiegende Problem könnte
durch den Higgs-Mechanismus gelöst werden, aus dem ein weiteres
hypothetisches Teilchen hervorgeht - das Higgs-Boson. Dessen genaue
Masse geht allerdings nicht aus der Theorie hervor, sondern
entspricht ebenfalls einem freien Parameter, welcher experimentell
gemessen werden muss.
Heute existieren viele alternative Modelle, die auf dem
mathematischen Fundament des Standardmodells basieren, es aber
derart erweitern, dass dadurch eine Vereinigung der drei
Grundkräfte möglich wird (Grand Unification Theory). Andere
Modelle unterscheiden sich, durch die Annahme zusätzlicher
Dimensionen fundamental von der Mathematik des Standardmodells, so
z. B. die Stringtheorie. Doch welches Modell beschreibt die Natur am
besten?
Um diese Frage zu beantworten, müssen aus einer Theorie
Vorhersagen hervorgehen, welche experimentell gemessen werden
können. Das Problem - viele Theorien der heutigen Teilchenphysik
liefern Vorhersagen, die außerhalb des Energiebereichs bisheriger
Teilchenbeschleuniger liegen. Mit dem LHC wurde ein Beschleuniger
entwickelt, mit dem die Physiker Zugang zu diesem unbekannten
Energiebereich erhalten und dadurch viele Theorien bestätigt
oder widerlegt werden könnten.
Was immer mit dem LHC entdeckt werden wird, die Teilchenphysik
hält noch viele Überraschungen und neue Fragen bereit.
Diese Erkenntnisse werden auch in das noch junge Gebiet der
Astroteilchenphysik miteinfließen. Die mikroskopische Welt der
Moleküle, Atome und Quarks trifft auf die makroskopische Welt der
Planeten, Sterne und Galaxien. Der Kreis ist dabei sich zu
schließen.
Das Unverständlichste am Universum ist im Grunde, dass wir
es verstehen können. Albert
Einstein
Das LHC-Projekt
Der Large Hadron Collider (zu Deutsch; Großer Hadronen-Speicherring)
ist ein knapp 27 Kilometer langer Teilchenbeschleuniger des
europäischen Kernforschungszentrum CERN bei Genf in der
Schweiz. Der LHC beschleunigt Hadronen (wie z.B. Protonen) auf
Beinahe-Lichtgeschwindigkeit und bringt diese an vier Stellen zum
Zusammenstoß. An diesen vier Kollisionspunkten befinden sich
Detektoren (ATLAS,
CMS, LHCb, ALICE, TOTEM, LHCf), um die
Wechselwirkungen der entstehenden Teilchenschauer zu untersuchen.
Der LHC-Speicherring wurde in dem ca. 27 Kilometer langen Tunnel
errichtet, in welchem sich bis zum Jahr 2000 der Beschleuniger LEP
(Large Electron-Positron Collider) befand. Der Tunnel verläuft
unter der schweizer-französischen Grenze in einer Tiefe von 50
bis 175 Metern, wobei sich der Großteil der Anlage auf
französischem Staatsgebiet befindet.
Das CERN-Gelände bei Genf und die
Lage des LHC-Speicherringes (roter Kreis)
Quelle: CERN
Animation LHC
Quelle: CERN
Protonenmodus und Blei-Ionen-Modus
Im LHC werden Teilchen im und gegen den Uhrzeigersinn beschleunigt. Der LHC wurde dabei für zwei Betriebsmoden ausgelegt. Zum
einen können einfach, positiv geladene Protonen und zum
anderen 82-fach positiv geladene Bleiionen beschleunigt werden.
Eine Protonenfüllung besteht dabei aus 2808 Protonenpaketen
(115 Milliarden Protonen pro Paket), eine Füllung mit Bleiionen
aus 592 Paketen (70 Millionen Ionen pro Paket). Die Teilchenpakete
werden, je nach Experiment, am Kollisionspunkt auf bis zu 16 µm im
Durchmesser (Durchmesser eines menschlichen Haares: 50 µm) und einer
Länge von 8 cm fokussiert. Dabei kommt es im Schnitt zu 20
Kollisionen, pro Kreuzung zweier Teilchenpakete. Mit einer maximalen
Beschleunigung der Protonen auf 7 Billionen Elektronenvolt und 2.76
Billionen Elektronenvolt der Blei-Ionen wird der LHC für eine
lange Zeit der leistungsfähigste Teilchenbeschleuniger der Welt
sein. Die Kollisionsenergie wird durch die Schwerpunktenergie angegeben.
Dabei verdoppelt sich die Energie der einzelnen Teilchenstrahlen.
Links: Wasserstoffatom / Rechts: Bleiatom
Der LHC benötigt geladene Teilchen, deshalb werden die Elektronen entfernt (gestrippt). Übrig bleibt ein
einfach, positiv geladener Wasserstoffkern und ein 82-fach, positiv geladener Bleikern.
Energie des Teilchenstrahls
Je höher die Protonen und Bleikerne beschleunigt werden, umso grösser wird ihre
kinetische Energie und umso mehr neue Teilchen entstehen bei ihrer Kollision. Diese
Beziehung wird ausgedrückt durch Einsteins berühmte Formel
E=mc2. Die Energie des Teilchenstrahls
wird in Elektronenvolt, abgekürt eV, angegeben. Ein Elektronenvolt ist die Energie, die
ein Proton oder ein Bleiion erhält, wenn es ein elektrisches Feld von 1 Volt im Vakuum
durchläuft, dadurch beschleunigt wird und somit kinetische Energie gewinnt. Der LHC wurde
ursprünglich für eine Energie von 7 Teraelektronenvolt (7'000'000'000'000 eV) pro Teilchenstrahl ausgelegt.
Probleme der Magnete führten dazu, dass vorerst nur ein Betrieb mit 3.5 und 4.0 TeV
möglich war. In den nächsten Jahren (2013/2014) soll dieses Problem behoben werden, damit auch
7 TeV erreicht werden können.
Viele Teilchen entstehen bei einer Teilchenkollision äusserst selten. Deshalb ist es wichtig, dass der LHC möglichst viele Teilchenkollisionen liefern kann. Eines der Leistungsmerkmale des LHC ist seine hohe
Luminosität von 1034
cm-2 s-1. Die Luminosität ist ein
Maß für die Teilchenstrahldichte in Bezug zur
Kollisionsfrequenz. Die Luminosität steigt mit der Zahl der
Teilchen pro Teilchenpaket (Bunch), der Häufigkeit (Frequenz),
mit der die Teilchenpakete zusammentreffen und dem Kehrwert des
Strahlquerschnittes.
Simulation der Teilchenschauerdichte im
Detektor bei unterschiedlicher Luminosität
Magnetstrukturen
Um die Leistung des LHCs zu erreichen, mussten
unzählige neue Technologien eingesetzt werden. Die wichtigste
Komponente stellt dabei die Beschleunigung und Kontrolle der
Teilchen mittels supraleitenden Magneten dar. Dafür musste das
weltgrößte Kühlsystem errichtet werden, das durch rund
140 Tonnen flüssiges Helium gespeist wird. Nur durch diese
supraleitfähigen Strukturen konnte das LHC-Projekt in einem
finanziell vertretbaren Rahmen überhaupt erst realisiert
werden. Würden normalleitende Magnete eingesetzt, so
müsste der Ring bei gleicher Leistung einen Umfang von
mindestens 120 km haben und würde ca. 40-mal mehr Strom
verbrauchen. Im gesamten LHC-Komplex kommen ca. 10000 Magnete und
über 50 verschiedene Magnettypen zum Einsatz.
Supraleitender Dipolmagnet
Quelle: CERN
Energieverbrauch
Der Energieverbrauch des gesamten LHC-Projekts liegt bei
ca. 1000 Gigawattstunden, was rund einem Zehntel des
Energieverbrauchs des Kanton Genf mit 450000 Einwohnern entspricht.
Da die Strompreise aufgrund des erhöhten Heiz- und Lichtbedarfs
der Bevölkerung im Winter erheblich höher ausfallen als im
Sommer, wird der LHC-Betrieb während dieser Zeit
üblicherweise eingestellt. Dieser jährliche Wintershutdown
dauert jeweils von November bis Mai.
Eine weitere technische Höchstleistung wurde durch das Worldwide
LHC Computing Grid (WLCG) realisiert. Durch die Detektion der
Teilchenschauer wird pro Jahr eine Datenmenge von 15 Petabytes (=15
Millionen Gigabytes) generiert. Durch die Vernetzung von tausenden
Computern wird das WLCG diese anfallenden Datenmengen speichern,
verwalten und miteinander verarbeiten können.
