Teilchenbeschleuniger LHC Urknall-Experiment Alice führt zurück zu den Anfängen des Universums

Am riesigen Teilchenbeschleuniger LHC haben Physiker derzeit nur noch Augen für „Alice“. Das neue Experiment soll sie auf die Spur der ersten Momente nach dem Urknall führen.
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Die 10.000 Tonnen schwere Anlage soll Daten liefern, aus denen Forscher Erkenntnisse über die ersten Momente unseres Universum gewinnen können. Quelle: dpa
Blick in den Alice-Detektor

Die 10.000 Tonnen schwere Anlage soll Daten liefern, aus denen Forscher Erkenntnisse über die ersten Momente unseres Universum gewinnen können.

(Foto: dpa)

GenfKurz vor einer zweijährigen Betriebspause schaltet der weltgrößte Teilchenbeschleuniger LHC bei der Europäischen Organisation für Kernforschung (Cern) in Genf noch einmal in einen anderen Gang. Seit Mittwoch läuft die Maschine mit Blei-Ionen statt Protonen auf Hochtouren. Die Blei-Ionen werden in dem 27 Kilometer langen ringförmigen Tunnel unter der Erde mit nahezu Lichtgeschwindigkeit zur Kollision gebracht. Worum geht es?

Am 3. Dezember wird der Beschleuniger für eine routinemäßige Wartung abgeschaltet. Bis dahin kommt das Experiment „Alice“ zum Zuge. Die Abkürzung steht für „A Large Ion Collider Experiment“, die Forscher sind damit den ersten Sekundenbruchteilen nach dem Urknall auf der Spur.

„Wir wollen das Quark-Gluon-Plasma erzeugen“, sagte Physiker Robert Münzer von der Universität Frankfurt, mitverantwortlich für das Experiment. Plasma entsteht, wenn Kernmaterie sehr stark erhitzt wird. Quarks sind die Bestandteile von Protonen und Neutronen, Gluonen die Elemente, die Quarks verbinden – vom englischen „glue“ für Kleber. Die Blei-Ionen zerfallen bei entsprechend großer Hitze in diese Bestandteile.

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.

„Wir brauchen bis zu 200.000 Mal die Kerntemperatur der Sonne“, sagte Münzer. „In dem Zustand müsste etwa die Materie kurz nach dem Urknall gewesen sein.“ Das war vor fast 14 Milliarden Jahren. „Wir wollen herausfinden, was innerhalb der ersten Nanosekunden des Weltalls vor sich gegangen ist.“

Der Moment, in dem Blei-Ionen in Quarks und Gluonen zerfallen, hält weniger als eine trilliardstel Sekunde an. Dabei werden Teilchen erzeugt, die aus dem Beschleuniger fliegen. Es sind etwa 4000 pro Bleikern-Kollision, ihre Spuren können von Münzer und seinen Kollegen mit Messinstrumenten erfasst und analysiert werden. Aus den Ergebnissen lässt sich auf die Entstehung von Materie kurz nach dem Urknall rückschließen, so die Hoffnung.

Seit Blei-Ionen in entgegengesetzter Richtung durch den Beschleuniger gejagt werden, ist Münzer in Daueralarmbereitschaft, auch um 04.00 Uhr morgens. „Ich schlafe dann praktisch neben meinem Telefon“, sagte er. Probleme mit Druck, Temperatur oder der Hochspannung müssen sofort behoben werden, damit die Teilchen weiter gemessen werden können. Je mehr Daten, desto mehr lernen die Physiker über die Anfänge des Universums.

Physiker vom GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt sowie von den Universitäten Heidelberg, Münster und Breslau haben gerade erst gezeigt, wie wertvoll „Alice“ ist. Sie konnten anhand der Experimente theoretische Vorhersagen bestätigen, etwa, dass aus Quark-Gluon-Plasma Materiebausteine wie Protonen, Neutronen oder Atomkerne hervorgehen. „Das entspricht einer Temperatur, die 120.000 Mal heißer ist als das Innere der Sonne“, berichteten sie.

Wenn der Beschleuniger am 3. Dezember abgeschaltet wird, werden neben der Wartung auch umfangreiche Baumaßnahmen für eine Runderneuerung vorangetrieben. Die Maschine soll noch leistungsstärker werden. Die Physiker kommen derzeit auf eine Milliarde Protonenkollisionen pro Sekunde. Mit neu entwickelten Materialien und stärkeren Magneten sollen es in ein paar Jahren fünf Milliarden sein.

Auch die „Alice“-Physiker profitieren davon. „Mit unseren Blei-Ionen bekommen wir heute etwa 10.000 Kollisionen pro Sekunde“, sagte Münzer. „Nach dem Umbau werden es 50.000 sein.“

Auch die 10.000 Tonnen schwere „Alice“ selbst – ein 16 mal 26 Meter großer Detektor – bekommt ein umfassendes „Lifting“. Mit neuen Messinstrumenten können die riesigen zusätzlichen Datenmengen dann noch besser verarbeitet werden.

  • dpa
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