Eine neue Ära der Physik steht uns bevor: Am Teilchenbeschleuniger am Forschungszentrum CERN nehmen Ereignisse ihren Anfang, deren Folgen wir noch gar nicht abschätzen können.
Das CERN, die Europäische Organisation für Kernforschung, ist eine Forschungseinrichtung in der Nähe von Genf in der schönen Schweiz, die vor allem der physikalischen Grundlagenforschung dient. Man könnte sagen: Hier werden kleinste Teilchen zur Kollision gebracht, um die Grundzüge unser physikalischen Realität zu verstehen. Denn wenn wir herausfinden, wie kleinste Elementarteilchen miteinander wechselwirken, dann ist das der Schlüssel dazu, wie das Universum eigentlich funktioniert.
Teilchen auf Kollision bringen
Um diese Wechselwirkung zwischen Elementarteilchen zu untersuchen, benötigt man riesige Teilchenbeschleuniger. In diesen großen Anlagen können Teilchen auf knapp Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und zur Kollision gebracht werden. So weit so gut, aber wie misst man dann den Effekt, wenn zwei Teilchen miteinander kollidieren? Dafür sind im CERN eine Vielzahl von sogenannten Teilchendetektoren installiert, die dann die Flugbahn der kollidierten Teilchen messen könnten. Durch die Flugbahn wiederum kann man Rückschlüsse auf den Effekt der Kollision ziehen und insbesondere darauf, welche neuen Teilchen eventuell durch die Kollision entstanden sind.
Und nun stehen am Forschungszentrum CERN wirklich revolutionäre Zeiten bevor. Der weltweit größte und leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger, der Large Hadron Collider, kurz LHC, wurde im April nach einer dreijährigen Modernisierungspause wieder in Betrieb genommen, um seinen dritten Durchlauf vorzubereiten. Und dieser Durchlauf hat’s in sich. Im Internet, vor allem bei TikTok, kursieren schon seit Tagen Gerüchte, dass nun dort ein Tor in ein Paralleluniversum geöffnet oder unsere Realität zerrissen wurde. So spektakulär ist es leider nicht.
Rekordgeschwindigkeit bei Proton-Kollision
Ab heute wird der LHC fast vier Jahre lang rund um die Uhr mit einer Rekordenergie von 13,6 Billionen Elektronenvolt arbeiten. Zwei Protonenstrahlen werden mit nahezu Lichtgeschwindigkeit in entgegengesetzte Richtungen um einen 27 Kilometer langen Ring geschickt, der 100 Meter unter der schweizerisch-französischen Grenze vergraben ist. Die dabei entstehenden Kollisionen werden von Tausenden von Wissenschaftlern im Rahmen einer Reihe von Experimenten aufgezeichnet und analysiert, um mehr über geheimnisvolle Konzepte wie dunkle Materie, dunkle Energie und andere grundlegende Geheimnisse des Kosmos herauszufinden. Und in diesem Durchlauf wird das alles mit einer nie dagewesen und wirklich unvorstellbaren Energierate stattfinden. Mike Lamont, Leiter der Abteilung Beschleuniger und Technologie am CERN, beschreibt es so: “Unser Ziel ist es, 1,6 Milliarden Protonen-Protonen-Kollisionen pro Sekunde zu liefern. Um die Kollisionsrate zu erhöhen, werden dieses Mal die Protonenstrahlen auf weniger als 10 Mikrometer verengt – ein menschliches Haar ist etwa 70 Mikrometer dick.”
Neue Erkenntnisse über Higgs-Bosom
Die Forscher am CERN erhoffen sich durch diesen neuen Durchlauf mehr über das Higgs-Bosom zu erfahren. Dieses rätselhafte Elementarteilchen entdeckte man erstmals 2012 mit dem LHC. Das Higgs-Bosom wird manchmal auch als Gottesteilchen bezeichnet und ist im Prinzip verantwortlich für die Masse von Elementarteilchen. Klingt alles ein wenig kurios, aber man kann sich ja schon mal die Frage stellen: Was ist eigentlich Masse? Und woher kommt sie? Klar, man Dinge wiegen und sieht dann, wie viel sie auf die Waage bringen. Aber was ist Masse, woher kommt sie? Sehr schwierig zu definieren und hier kommt das Higgs-Bosom ins Spiel oder besser gesagt der Higgs-Mechanismus, benannt nach dem britischen Physiker Peter Higgs.
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Nach der Theorie des Higgs-Mechanismus gibt es überall im Universum ein unsichtbares Feld, das sogenannte Higgs-Feld. Bewegt sich ein Teilchen durch dieses Feld, tritt es mit dem Higgs-Feld in Wechselwirkung und erhält dadurch seine Masse. Dieses Higgs-Feld und sein Elementarteilchen, das Higgs-Bosom, waren lange reine Theorie, bis man sie eben vor einigen Jahren am CERN nachweisen konnte.
20 Mal mehr Kollisionen im LHC
Doch es bleiben natürlich noch sehr viele Rätsel bestehen. Zum Beispiel entstand das Higgs-Feld wohl nicht gleichzeitig mit dem Urknall. In der kurzen Zeitspanne zwischen dem Urknall und der Entstehung des Higgs-Felds besaßen die ersten Teilchen nach der Ansicht vieler Physiker keine Masse und bewegten sich mit Lichtgeschwindigkeit durch das schnell expandierende Universum. Um solche astrophysikalischen Kuriositäten besser zu verstehen und vielleicht den Geheimnissen des Urknalls selbst auf die Schliche zu kommen, will man im neuen Durchlauf des aufgerüsteten LHC also das Higgs-Bosom nun noch mal viel genauer unter die Lupe nehmen.
Im Vergleich zum ersten Durchlauf des Colliders, bei dem das Boson entdeckt wurde, wird es dieses Mal 20 Mal mehr Kollisionen geben. Die Chancen stehen also gut, dass wir Erkenntnisse gewinnen werden, die die Physik auf den Kopf stellen wird. Cern-Forschungsdirektor Joachim Mnich sagt: “Das Higgs-Teilchen könnte ein Tor sein, um in Richtung Supersymmetrie zu schauen. Dort gäbe es minimal fünf verschiedene Higgs-Teilchen. Wir fragen also: Gibt es nur exakt ein Higgs-Boson oder mehrere? In diesem Fall würden die Eigenschaften des entdeckten Higgs-Bosons leicht von den Erwartungen abweichen.”
Aber, wie anfangs erwähnt, ist die Suche nach neuen Details des Higgs-Felds nicht der einzige Forschungsschwerpunkt. Durch den verbesserten Durchlauf des LHC erhofft man sich auch neue Erkenntnisse zu Dunkler Materie, Antimaterie und vielleicht sogar eine quantenphysikalische Erklärung zur Existenz der Schwerkraft, der Gravitation. Das alles sind fundamentale Fragen der Physik, die nicht weniger als das Wesen des Kosmos, unserer Realität selbst betreffen. Denn Stand der Dinge heute ist es so, dass wir zwar schon sehr viel über den Kosmos wissen und viele Dinge entweder mit einsteinscher Physik oder quantenphysikalisch beschreiben können, aber wenn man auf den Grund der Dinge kommt, dann wird es meistens sehr rätselhaft. Warum gibt es Elementarteilchen? Warum vergeht die Zeit? Warum sind die Naturgesetze so, wie sie nunmal sind? Es bleibt also spannend, was der neue Durchlauf am CERN uns für wundersame Erkenntnisse bescheren wird. Und übrigens kann man sich auch jetzt schon auf den nächsten LHC-Durchlauf freuen. Nach diesem Lauf jetzt wird der Collider im Jahr 2029 mit seinem vierten Durchlauf zurückkehren und die Zahl der nachweisbaren Ereignisse um den Faktor zehn erhöhen.
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