Beschleuniger
Große Maschine sucht kleine Teilchen

Er ist der stärkste Beschleuniger für Elementarteilchen aller Zeiten: der Large Hadron Collider. Die bislang teuerste Teilchenschleuder soll Physikern einen Blick auf den Anfang der Zeit ermöglichen.

DÜSSELDORF. „Eine unermessliche Industrieanlage, kilometerweit, scheint es, Gebäude an Gebäude. ... Wir fahren in einem Auto herum, die Anlage zu besichtigen, zu Fuß wäre es nicht zu schaffen, ein Tagesmarsch.“ So beschrieb der Schweizer Schriftsteller Friedrich Dürrenmatt 1976 seinen Besuch des europäischen Kernforschungszentrums CERN. Würde der Autor des Dramas „Die Physiker“ noch leben, fände selbst er wohl kaum Worte für das, was derzeit rund 150 Meter tief unter der sanft gewellten Landschaft nahe des Genfer Sees entsteht. Der Large Hadron Collider, kurz LHC, ist die größte Maschine, die je von Menschen gebaut wurde – das moderne Pendant zu den Pyramiden.

Der Large Hadron Collider ist der stärkste Beschleuniger für Elementarteilchen aller Zeiten. Seine Kraft schöpft er aus meterdicken Magneten, die wie blaue Metallwürste in einem 27 Kilometer langen Ringtunnel hintereinander gereiht sind und die auf minus 271 Grad Celsius gekühlt werden. Sie zwingen Elementarteilchen in zwei gegenläufigen, armdicken Röhren in ihrem Inneren auf eine Umlaufbahn und damit auf Kollisionskurs, der für viele der Geschosse in einem der vier riesigen Detektoren endet. Jeder von ihnen würde locker den Kölner Dom ausfüllen und spuckt jährlich so viele Messdaten aus, wie auf einen 25 Kilometer hohen Turm aus aufeinander gestapelten DVDs passen.

Dass die Mammutmaschine auch die bislang teuerste Teilchenschleuder ist, versteht sich von selbst. Rund 2,2 Milliarden Euro kostet der nackte Beschleuniger, noch mal 800 Millionen die Detektoren. Rechnet man den Aufwand der rund 100 angeschlossenen Forschungsinstitute in aller Welt dazu, kommt locker das Dreifache zusammen. „Unser heimliches Kapital ist aber die Kreativität der 2500 CERN-Angestellten und der vielen weiteren Gastwissenschaftler aus aller Welt“, verrät Rüdiger Schmidt, der am CERN für die Sicherheit des Beschleunigers zuständig ist und jetzt aktiv an der Inbetriebnahme arbeitet.

Ein krasser Gegensatz zu den gigantischen Ausmaßen der Maschine ist ihre Aufgabe: Wie ein Mikroskop soll sie ins Innere der Atomkerne blicken und dort Elementarteilchen finden, aus denen alle Materie aufgebaut ist. Schon im Kern von „normalen“ Atomen gibt es einen wahren Zoo von Bausteinen. So sind die Protonen und Neutronen, die den Atomkern bilden, aus weiteren Partikeln aufgebaut, den so genannten Quarks, die von Klebeteilchen, den so genannten Gluonen, zusammengehalten werden. Doch die sind für die Physiker längst kalter Kaffee. Sie suchen nach noch exotischeren Teilchen, dem bislang noch hypothetischen Higgs-Boson zum Beispiel. Um es zu erzeugen, braucht man nach Albert Einsteins berühmter Formel E=mc2 gewaltige Energien (E), damit aus dem Quasi-Nichts genügend Masse (m) entstehen kann. Solche Bedingungen mit unvorstellbaren Temperaturen von einer Billion Grad Celsius herrschten etwa eine Zehnmilliardstelsekunde nach dem Urknall. Der Blick mit dem LHC in die Atomkerne ist also gleichzeitig auch eine Reise zurück an den Anfang der Zeit und des Universums.

Um den Urknall milliardenfach im Labor herzustellen, schießen die Physiker am CERN Protonen aufeinander – später sollen sogar schwere Bleikerne als Projektile dienen. Die Protonen werden mit starken Elektromagneten auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und kreisen dann in dem riesigen Doppelring in 2800 Paketen à 100 Milliarden Stück – eine Runde auf der Rennstrecke dauert 90 millionstel Sekunden. In Ruhe wiegen alle Protonen zusammen weniger als ein milliardstel Gramm, bei Lichtgeschwindigkeit gewinnen sie jedoch so viel Masse – und damit Energie – wie eine Kanonenkugel. Diese enorme Energie wird blitzartig frei, wenn Protonen im Zentrum der Detektoren kollidieren – „so als würde man mit einem Maschinengewehr auf einen Sack Steine schießen“, erklärt CERN-Physiker Rolf Landua.

Etwa eine Milliarde solcher Energieblitze erzeugt LHC jede Sekunde, und aus jedem sprüht ein Schauer exotischer Teilchen, die durch unzählige Kammern des Detektors fliegen, bevor sie absorbiert werden. Die Krümmung der Flugbahn jedes Partikels ist für die Physiker wie ein Fingerabdruck, sie können daraus auf seine Masse und seine Ladung schließen und es in ihr Standard-Teilchenmodell einsortieren. Atlas und CMS, die größten der vier Teilchenfänger, wiegen jeder so viel wie der Eiffelturm. Dennoch haben diese Riesen echtes Feingefühl: Sie erkennen Bahnabweichungen der Bruchstücke von 40 Mikrometern, der halben Dicke eines menschlichen Haares.

Der Aufbau des riesigen Beschleunigerrings wird im Laufe dieses Jahres abgeschlossen. Ende April wurde der letzte von 1700 zweipoligen Elektromagneten installiert, die wichtigsten Bestandteile der Anlage. Bis der Teilchenstrahl auf seine endgültige Intensität hochgefahren wird, kann es aber einige Jahre dauern. Dass bei so einem Mammutprojekt nicht immer alles nach Plan läuft, findet Rüdiger Schmidt normal: „Immer wieder gibt es Schwierigkeiten, mit denen wir zurechtkommen müssen.“ LHC sei eben keine Anlage, die man mal kurz aufzeichnen und dann von einer Firma bauen lassen könne. „Wir sind hier an der Grenze des Machbaren, viele Technologien müssen wir selbst entwickeln, weil es sie noch gar nicht gibt“, so Schmidt.

Das ist für den 54-Jährigen auch ein wichtiger Grund, warum man so viele Milliarden Euro ausgeben sollte, um physikalische Gesetze zu ergründen, die ohnehin nur wenige Menschen verstehen. Der technologische Fortschritt für die 20 Mitgliedstaaten – Deutschland als größter trägt ein Fünftel zum Budget bei – sei nicht in Geld zu beziffern. Und nach den Diplomanden, Doktoranden und Postdoktoranden, die am CERN in verschiedenen Forschungsgruppen aus Dutzenden Nationalitäten arbeiten, leckt sich jeder Arbeitgeber die Finger.

Noch bevor der LHC die Arbeit aufgenommen hat, liegen bereits die Pläne für einen Nachfolger in der Schublade. Wann und wo der 31 Kilometer lange International Linear Collider gebaut wird, ist völlig offen. Mit geschätzten sieben bis elf Milliarden Euro Baukosten wird er dem LHC den Titel als teuerster Beschleuniger der Welt abjagen.

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