Teilchenbeschleuniger LHC Die Jäger der Dunkelmaterie

Ein bisschen unheimlich ist die Aufzugfahrt 100 Meter unter die Erde zum größten wissenschaftlichen Instrument der Welt. Die Maschinen sind gigantisch. Was sie in Kürze dort jagen, hört sich nach Science-Fiction an.
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Der Teilchenbeschleuniger ist seit 2009 in Betrieb. Hier wird Grundlagenforschung über den Aufbau von Materie betrieben. Quelle: AFP
Teilchenbeschleuniger LHC

Der Teilchenbeschleuniger ist seit 2009 in Betrieb. Hier wird Grundlagenforschung über den Aufbau von Materie betrieben.

(Foto: AFP)

GenfDie mächtigen Magnete der Experimente sind 100 Meter unter der Erde schon wieder in Betrieb. In riesigen Metallzylindern und -gehäusen sind tausende der filigranen Messgeräte gewartet und auf den neusten Stand gebracht worden. Hier beginnt in Kürze die Jagd auf eines der größten Rätsel der Physik: die dunkle Materie.

Wie alle, die zum weltgrößten Teilchenbeschleuniger der Europäischen Organisation für Kernforschung (Cern), dem Large Hadron Collider (LHC), in die Tiefe hinabsteigen, hat Karl Jakobs ein Dosimeter zur Messung radioaktiver Strahlung dabei. Der Freiburger Physiker leitet eines der beiden Experimente, die suchen, was niemand je gefunden hat. „Wir sind an der vordersten Grenze der Technologie“, sagt Jakobs im Aufzug in die Tiefe.

Neustart für die Weltmaschine
Neustart für den LHC
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Nach rund zweijähriger Pause nimmt der leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger der Welt, der LHC am europäischen Kernforschungszentrum Cern bei Genf, im März wieder den Betrieb auf.

Komplexeste Maschine der Welt
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Seit Anfang 2013 wurde der LHC, die komplexeste Maschine der Welt, umgerüstet und modernisiert.

Neuer Energierekord
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Nach dem Anschalten soll er Kollisionen mit der bislang unerreichten Energie von 13 Teraelektronenvolt ermöglichen. Zum Vergleich: Seinen bisherigen Energierekord erreichte der LHC 2012 mit acht Teraelektronenvolt.

Kontrollzentrum des LHC
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Entdeckungen bei solchen Energien könnten die Grenzen der Physik verschieben. So hoffen Forscher auf die Entdeckung einer neuen Art von Teilchen, mit denen sich das Geheimnis des dunklen Universums lüften ließe – also jenen Teil des Kosmos, der nicht direkt zu beobachten ist, sondern sich nur durch seine Wechselwirkung mit dem sichtbaren Universum verrät.

Spurensuche am Cern
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Forscher gehen davon aus, dass die sichtbare Materie nur rund vier Prozent des Universums ausmacht, während 96 Prozent auf sogenannte Dunkle Materie und die ebenso rätselhafte Dunkle Energie entfallen.

Forschungsziel Supersymmetrie
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Eine Erklärung für die unsichtbare Dunkle Materie lautet, dass alle aus dem bewährten Standardmodell der Teilchenphysik bekannten Partikel schwerere Zwillingsteilchen haben – sogenannte supersymmetrische Teilchen, aus denen dann die Dunkle Materie bestehen könnte. Wissenschaftler glauben, dass der generalüberholte LHC genug Energie besitzt, um supersymmetrische Teilchen zu entdecken – wenn diese denn existieren.

Projekt der Superlative
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Der unterirdische Hadronen-Speicherring im französisch-schweizerischen Grenzgebiet, von Wissenschaftsbegeisterten auch „Weltmaschine“ genannt, ist ein Projekt der Superlative: Das Spitzentempo der beschleunigten Protonen beträgt 99,9 Prozent der Lichtgeschwindigkeit.

Der Teilchenbeschleuniger ist seit 2009 in Betrieb. Hier wird Grundlagenforschung über den Aufbau von Materie betrieben. 2012 kam seine bisherige Sternstunde: Die Physiker konnten das Higgs-Teilchen nachweisen, das eine uralte Frage löste, nämlich wie die kleinsten Bausteine des Universums ihre Massen bekommen.

Die Theorie stammte aus dem Jahr 1964, konnte aber bis dahin nie bewiesen werden. Jakobs war dabei, und er wurde für seinen Beitrag zu der „epochalen Entdeckung“ 2015 mit dem höchsten deutschen Preis für experimentelle Physik, die Stern-Gerlach-Medaille, ausgezeichnet.

Wie Gulliver im Riesenland

Der Teilchenbeschleuniger ist das größte wissenschaftliche Instrument der Welt und steht im Guinness-Buch der Rekorde. Er befindet sich in einem knapp 27 Kilometer langen kreisförmigen Tunnel. Rennbahn, sagt Jakobs, weil die Protonen fast mit Lichtgeschwindigkeit unterwegs sind. Bei mehr als 11.000 Umläufen pro Sekunde bringen elektromagnetische Wellen und Magnetfelder sie auf Kollisionskurs.

„Wir wollen sehen, was in der ein milliardstel Sekunde nach dem Urknall passiert ist“, sagt Jakobs. Er schreit es fast, denn die Kühlsysteme der Magneten machen einen Höllenlärm. Wie Gulliver im Riesenland Brobdingnag wirken die Arbeiter, die in diesem gigantischen Tunnelstück letzte Hand an Jakobs' Atlas-Experiment anlegen: Sie sind im Vergleich zu der 24 mal 45 Meter großen Maschine winzig.

Die eigentliche Röhre, durch die demnächst die Teilchen schießen, hat einen Durchmesser von knapp vier Metern. Die Protonen kommen aus einer 10-Liter-Wasserstoffflasche. Sie werden in eine Vakuumröhre geschossen und mit Hilfe von elektrischen Feldern und Magneten auf Touren gebracht. Zig Milliarden davon, die Hälfte im Uhrzeigersinn, die andere Hälfte in entgegengesetzter Richtung.

Nur der Bruchteil einer Sekunde interessiert die Forscher
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