CERN: Ein Beschleunigerzentrum — Experimente, Ergebnisse und wozu braucht man das?

Icon PhysikDas bei Genf angesiedelte CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) hat mit Hilfe großer Teilchenbeschleuniger bereits fundamentale Erkenntnisse über den Aufbau der Materie aus Elementarteilchen und die Wechselwirkung zwischen diesen erzielt. Im vorangegangenen Artikel (1) hat der Autor erklärt, warum man dafür Teilchen auf sehr hohe Geschwindigkeit und zur Kollision bringen muß. Daneben sind am CERN als Nebenprodukte u.a. auch das World Wide Web enstanden - um Wissenschaftlern die Kommunikation zu erleichtern -, ebenso wie innovative Technologien der Strahlentherapie .

Manfred JeitlerIm vorangegangen Artikel (1) hatten wir über die Bestandteile der Materie - die „Teilchen“ -, gesprochen. Diese Bestandteile der Atome sind teilweise „Elementarteilchen“ (wie zum Beispiel das Elektron): elementar in dem Sinne, dass sie keine innere Struktur aufweisen. Andere, wie zum Beispiel das Neutron, bestehen wiederum aus noch kleineren Teilchen, den so genannten „Quarks“, können also eigentlich nicht als „Elementarteilchen“ bezeichnet werden.

Autodrom: alle fahren gleich schnell!

Da die uns interessierenden Teilchen sehr klein und leicht sind, haben sie bei den für uns wichtigen Energien im Allgemeinen eine sehr hohe Geschwindigkeit. Es gibt aber eine absolute Geschwindigkeitsbeschränkung, an die sich die Teilchen halten müssen: die Lichtgeschwindigkeit (d.i. die Geschwindigkeit von Licht im Vakuum). Für Überschreitung der Lichtgeschwindigkeit hat noch kein Teilchen je ein Strafmandat gekriegt! (Vor einiger Zeit hat man geglaubt, ein paar Neutrinos auf frischer Tat ertappt zu haben. Obwohl das in Italien war, hat sich dann aber herausgestellt, dass die Neutrinos sich ganz brav an die Lichtgeschwindigkeitsbeschränkung gehalten haben und die „Radarfalle“ der Physiker einen Messfehler hatte.)

Wenn wir den Teilchen beim Umherfliegen zuschauen könnten würde uns das Bild vielleicht an ein Autodrom im Wurstelprater erinnern: alle fahren (fast) gleich schnell. Der 27 km lange Large-Hadron-Collider (LHC)-Tunnel des CERN enthält die letzte Stufe des Beschleunigerkomplexes ((1): Abbildung 1). Darin werden die Protonen von 99,999 783 % der Lichtgeschwindigkeit auf 99,999 996 % der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Die Protonen haben danach allerdings fast acht Mal so viel Energie wie vorher!

Die „Sekundärteilchen“, die dann bei den Protonkollisionen entstehen, sind zwar nicht ganz so schnell, wenn sie aber nicht wenigstens so um die 90 Prozent der Lichtgeschwindigkeit haben, haben sie so wenig Energie, dass wir sie mit unseren Detektoren gar nicht wahrnehmen können. Es geht also so zu wie auf einer amerikanischen Autobahn, wo sich jeder brav an die 70-Meilen-Beschränkung hält und keiner auch nur fünf km/h schneller oder langsamer fährt.

Netz oder Tenniskunststück?

Wenn Sie ungefähr so gut Tennis spielen können wie ich, dann treffen Sie alle Mal ganz leicht ins Netz. (Drüber zu schießen ist für mich schon schwieriger. Drum bin ich auch lieber Physiker geworden und habe keine professionelle Tennislaufbahn eingeschlagen.) Wenn Sie aber ein Tennis-Ass sind, habe ich eine kleine Aufgabe für Sie: Sie und Ihr Partner schießen jeder gleichzeitig einen Ball ab, und über dem Netz sollen sich die beiden Bälle treffen. Damit sind Sie dann, glaube ich, eine Zeit lang beschäftigt.
Gerade so etwas machen die Physiker am LHC, dem größten Beschleuniger am CERN: der LHC ist ein so genannter „Collider“, eine Kollisionsmaschine. Die Protonen werden damit nicht auf einen ruhenden, großen Block geworfen (was leichter wäre), sondern gegeneinander geschossen (und da zu treffen ist bei der Kleinheit der Protonen ziemlich schwer). Ganz schön ambitioniert, diese Physiker. Warum machen sie das denn?

Wenn Sie mit dem Auto einen Unfall bauen, ist es für Sie noch immer besser, in ein stehendes Auto hinein zu fahren, als in eines, das Ihnen mit derselben Geschwindigkeit entgegen kommt. Die Energie, die Ihre Motorhaube und Sie selbst zerquetscht, ist dann nur etwa halb so groß. Aber bloß, um die Kollisionsenergie zu verdoppeln, würden es doch die Physiker nicht akzeptieren, die Protonen gegeneinander zu schießen und dabei natürlich nur eine recht geringe Trefferquote zu haben? Da baut man doch lieber den Beschleuniger ein bisschen stärker und trifft jedes Mal?

Tatsächlich ist aber in der Nähe der Lichtgeschwindigkeit der Unterschied viel größer als ein Faktor zwei! Schuld daran sind der Herr Einstein und seine Relativitätstheorie. Bei Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit muss man anders rechnen als bei den Geschwindigkeiten, die wir aus dem täglichen Leben gewohnt sind. Beim LHC würde man nur etwa 1 Prozent der Kollisionsenergie erreichen, wenn man nicht frontal auf gegenlaufende Protonen sondern auf unbewegtes Material (sozusagen eine „Zielscheibe“, ein so genanntes „Target“) schießen wollte. Wollte man mit denselben technischen Einrichtungen die Energie erreichen, die wir bei Protonkollisionen jetzt haben, so müsste man den Beschleuniger etwa hundert Mal größer bauen. Ein 3000 km langer Tunnel wird dann aber doch etwas aufwändig, da ist es schon besser, man strengt sich etwas an und schießt die Protonen gegeneinander.

Frontalzusammenstöße: LHC-Experimente

Genau das macht man bei den LHC-Experimenten. Hier ist man bestrebt, die höchsten erreichbaren Kollisionsenergien zu erzielen. Damit kann man dann in großer Menge schwere instabile Teilchen erzeugen, wie zum Beispiel das oben bereits erwähnt Higgs-Teilchen. Die dabei gegeneinander laufenden Protonen sind viel kleiner als der Durchmesser der Protonstrahlen. Daher ist die Wahrscheinlichkeit einer Kollision für ein bestimmtes Proton sehr klein (ähnlich wie bei dem oben erwähnten Tenniskunststück), und die meisten laufen auch nach einer „Kollision“ der Strahlen unbeirrt weiter. Nur weil in beiden Strahlen nicht nur eines, sondern sehr viele Protonen umlaufen (etwa hunderttausend Milliarden), kommt es immer wieder zu Zusammenstößen. Die anderen Protonen laufen weiter und haben beim nächsten Kreuzungspunkt wieder die Chance, ein anderes Proton zu treffen.

CMS-DetektorAbbildung 1. Der Detektor „CMS“, eine der vier großen Anlagen zur Beobachtung der Protonkollisionen am LHC.

Es gibt vier solche Kreuzungspunkte, an denen große „Detektoren“ beobachten, was bei einem Zusammenstoß passiert (Abbildung 1). Zwischen diesen Kreuzungspunkten fliegen die Protonen jeweils in einem getrennten Rohr in eine Richtung, etwa wie die Autos auf einer Autobahn mit getrennten Fahrtrichtungen. Bei den Detektoren an den Kreuzungspunkten wechseln dann die Protonen jeweils von Rechtsverkehr (wie in Österreich) auf Linksverkehr (wie in England) oder umgekehrt. Nach einem Umlauf um den LHC-Ring geht es dann gleich in den nächsten, ähnlich wie bei einem Formel-1 Rennen. In einer Sekunde geht es 11245 Mal im Kreis herum (mit fast Lichtgeschwindigkeit, wie Sie schon wissen), und das „Rennen“ dauert viele Stunden. Zum Unterschied von den Rennautos machen die Protonen aber keine Boxenstopps und müssen nicht auftanken: sobald sie vom Beschleuniger auf ihre Endgeschwindigkeit (und damit endgültige Energie) gebracht worden sind, fliegen sie im Wesentlichen ohne Widerstand immer weiter.

Zwei der vier Detektoren suchen nach neuen, schweren Teilchen beliebiger Art. Diese beiden Anlagen heißen „ATLAS“ und „CMS“(Abbildung 2). Bei CMS ist das Wiener Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften maßgeblich beteiligt, und bei ATLAS arbeitet eine Arbeitsgruppe der Universität Innsbruck mit. Ein weiterer Detektor mit dem schönen Namen „ALICE“ untersucht, was passiert, wenn man statt Protonen Blei-Kerne aufeinander schießt. Und schließlich gibt es am LHC noch die Anlage „LHCb“, die sich bei ihren Untersuchungen auf Teilchen konzentriert, die so genannte „schöne“ Quarks („beauty“ oder „bottom“ Quarks) enthalten.

Computerrekonstruiertes ZerfallsereignisAbbildung 2 Mit dem Computer rekonstruierte Darstellung eines mit dem Detektor „CMS“ am LHC aufgezeichneten Ereignisses. Möglicher Weise handelt es sich hier um den Zerfall eines Higgs-Teilchens.

Ins Schwarze getroffen: „Fixed-Target-Experimente“

Nicht bei allen Untersuchungen braucht man die allerhöchsten Kollisionsenergien. Manchmal kommt es eher darauf an, sehr viele Zusammenstöße zu untersuchen. Das ist wie bei einer Meinungsumfrage: je mehr Leute Sie befragen, desto eher können Sie das Wahlergebnis vorhersagen. Dann schießt man nicht die Protonen wie Tennisbälle gegeneinander, sondern einfach in ein großes „Netz“, in das man eben viel leichter und öfter trifft. Dieses „Netz“ oder „Target“ (englisch für „Zielscheibe“) ist tatsächlich ein Metallstab mit ein paar Millimeter Durchmesser. Noch immer dünn, aber riesengroß im Vergleich zu den Protonstrahlen (und erst recht im Vergleich zu denen einzelnen Protonen). Auch bei diesen Experimenten ist Österreich mehrfach beteiligt.

Neutrinos auf Italienurlaub

Wenn Sie im Sommer nach Italien fahren, so müssen Sie mühsam auf irgendwelche Alpenpässe hinauf und auf der anderen Seite wieder hinunter, oder Sie fahren durch einen Tunnel. Neutrinos haben’s da leichter: die reisen schnurstracks durch die Erde. Neutrinos sind eine Art von Teilchen, die so klein sind und so wenig mit anderen Teilchen oder mit anderer Materie wechselwirken, dass sie durch die ganze Erde, durch die ganze Sonne und noch viel weiter fliegen können, ohne dass ihnen was passiert. Das haben sich die Physiker am CERN und in Italien zu Nutze gemacht. Es gibt nämlich sehr interessante Effekte, die auftreten, wenn Neutrinos lange unterwegs sind. So große Anlagen zu bauen, könnte man sich nicht leisten. Man schießt lieber einfach die Neutrinos am CERN, wo sie produziert wurden, in die Erde, und in der Nähe von Rom kommen sie dann wieder zum Vorschein. Unter dem Gran Sasso, einem hohen Berg bei Rom, stehen große Detektoren, die diese Neutrinos dann nachweisen. Natürlich nicht alle, denn auch mit den Detektoren „sprechen“ die Neutrinos meistens nicht, aber von vielen Milliarden wird halt manchmal eines nachgewiesen, und das ermöglicht dann interessante Rückschlüsse auf die Physik der Teilchen.

Was kümmern uns diese Teilchen?

Felix - What's the use?Vielleicht denken Sie sich jetzt: das ist ja alles schön und gut, aber was ist so interessant an irgendwelchen Teilchen, die man künstlich erzeugt und die dann eh gleich wieder zerfallen? Ist das nicht eine abstruse Spielerei ohne jeden Wirklichkeitsbezug? Nein! Keineswegs! Diese Teilchen gibt es ja in der Natur, sie entstehen und verschwinden ständig, sind aber für das Verständnis der Struktur der uns umgebenden Materie ungemein wichtig. Nur, wenn wir ihre Natur verstehen, können wir herausfinden, „was die Welt im Innersten zusammenhält“, wie es schon Goethes Faust angestrebt hat.

So waren die Entdeckung eines Teilchens mit den Eigenschaften des seit langem vorhergesagten Higgs-Bosons, aber auch schon die Entdeckungen der so genannten W- und Z-Bosonen vor dreißig Jahren (wofür CERN-Physiker damals den Nobelpreis erhielten) glänzende, unbedingt notwendige Bestätigungen für unsere Theorie der Struktur der Materie auf subatomarem Niveau. Hätte man diese Teilchen nicht entdeckt, so müssten wir dieses so genannte „Standardmodell“ über Bord werfen und uns etwas Neues überlegen. Zur Zeit suchen die CERN-Physiker nach neuen, so genannten „supersymmetrischen“ Teilchen. Je nachdem, ob man sie findet oder nicht, wird man sich für die eine oder die andere Art von weiterführenden Theorien entscheiden müssen.

Direkte praktische Auswirkungen hat das für unser Leben vielleicht nicht: die Materie würde auch nicht zerfallen, wenn wir nicht wüssten, was sie zusammenhält. Streben nach Erkenntnis und Verständnis ist aber die Grundlage aller Kultur. Außerdem aber ist auch technischer Fortschritt auf längere Sicht ohne Grundlagenforschung nicht möglich.

Auswirkungen auf das praktische Leben

Vielleicht interessieren Sie sich eigentlich nicht sehr für Physik (auch wenn das eher unwahrscheinlich ist ... dann hätten Sie nämlich wohl nicht bis hier her gelesen). Aber gesetzt den Fall, jemandem ist die Physik egal: das ist ja durchaus möglich, es gibt ja auch Leute, die keine Oper mögen oder denen es nicht wichtig ist, was die alten Ägypter über das Leben nach dem Tode gedacht haben. Wenn also jemandem die Struktur der Materie und der Aufbau der Welt nicht untersuchungswert erscheint, ist dann für diesen die ganze CERN-Forschung nur hinausgeworfenes Geld?

Entwicklung des World Wide Web

Ganz sicher nicht. Die Grundlagenforschung war schon immer wichtig für die technische Entwicklung und den Fortschritt in allen möglichen praxisorientierten Bereichen. Ein Beispiel, das mit dem CERN zu tun hat, ist das World Wide Web. Entwickelt wurde es ursprünglich am CERN, um den Physikern den Austausch von Informationen zu erleichtern. Heute kann man ohne dieses System nicht einmal mehr Flugtickets oder Theaterkarten kaufen. Die Beschleunigerforschung ist aber auch in einem Bereich wichtig, der uns eigentlich noch viel mehr berührt, als irgendwelche finanzielle Erleichterungen: es handelt sich um unsere Gesundheit.

Ihrer Gesundheit zuliebe: MedAustron

Mit der steigenden Lebenserwartung der Menschen und den immer besseren Möglichkeiten, verschiedene Krankheiten zu heilen, spielen in unserem Leben Krebserkrankungen leider eine immer größere Rolle. Viele davon können mit Strahlentherapie erfolgreich behandelt werden, die Nebenerscheinungen dieser Behandlungen sind jedoch ein großes Problem. Einige dieser Erkrankungen kann man viel gezielter mit Protonen oder Ionen behandeln als mit den herkömmlicheren und billigeren Gammastrahlenanlagen, die in Spitälern zu finden sind. Dafür braucht man allerdings große Beschleunigeranlagen. Zur Zeit wird in Wiener Neustadt eine solche Anlage gebaut, das „MedAustron“. Das gesamte Know-How dafür kommt vom CERN. Hier haben die österreichischen Ingenieure und Physiker die Anlage konstruiert, ohne die Unterstützung der CERN-Physiker hätte man dieses Zentrum unmöglich so bauen können, wie dies nun geschieht.

CERN: ein Weltzentrum

Im Verlaufe der Zeit ist man bei der Erforschung der Elementarteilchen zu immer höheren Energien übergegangen, und dementsprechend mussten die Beschleuniger immer größer und komplizierter werden. Heute kann sich keine einzelne Universität und auch kein einzelnes Land Anlagen von der Größe des CERN leisten. Dementsprechend ist es ganz natürlich, dass heute die ganze Welt in diesem Bereich zusammenarbeitet. Das CERN ist schon lange kein rein „europäisches“ Zentrum mehr. Hier arbeiten auch jede Menge Amerikaner, Russen, Chinesen, Japaner, Inder und Vertreter praktisch aller Länder mit, in denen aktiv Elementarteilchenphysik verfolgt wird. Da man sich nicht mehr mehrere derartige Anlagen in der Welt leisten kann, ist es natürlich wichtig, dass es auch am CERN eine gewisse innere Konkurrenz gibt, mehrere Experimente, die ihre Resultate gegenseitig überprüfen können. Die Tatsache, dass hier alle nebeneinander arbeiten können, ist aber ungemein befruchtend und wertvoll für alle Wissenschaftler, die hier tätig sind.

Studentenjobs: Diplomarbeit am CERN

Vielleicht haben Sie jetzt den Eindruck gewonnen, dass die Arbeit am CERN interessant und lohnend ist und denken sich: „Schade, dass nicht ich oder meine Kinder, oder meine Enkel auch dort arbeiten können!“ Dem ist aber keineswegs so! Das CERN lebt ja von der Mitarbeit der Wissenschaftler aus allen beteiligten Ländern. Vor allem junge Menschen sind es, die hier im Rahmen einer Diplomarbeit, einer Dissertation oder einer anderen Arbeit einige Jahre lang arbeiten, ihre neuen Ideen einbringen und gleichzeitig wertvolle Erfahrungen sammeln. In ihr Heimatland zurückgekehrt können sie diese Erfahrungen dann in der Wirtschaft oder in der Forschung anwenden. Dieser ständige Austausch ist also sowohl für das CERN wie auch für seine Mitgliedsländer von großem Wert.
Kommen Sie, schauen Sie sich’s an ... und machen Sie mit.


(1) CERN: Ein Beschleunigerzentrum — Wozu beschleunigen? http://scienceblog.at/cern-ein-beschleunigerzentrum-%E2%80%94-wozu-besch...
Artikel im ScienceBlog:
Woraus unsere Welt besteht und was sie zusammenhält — Teil 1: Ein Zoo aus Teilchen
Woraus unsere Welt besteht und was sie zusammenhält — Teil 2: Was ist das Higgs-Teilchen?

Weiterführende Links

Vorträge und Vorlesungen von Manfred Jeitler

Higgs – CERN – Universum (PDF download; leicht verständliche Darstellung in Deutsch; zuletzt abgerufen am 17.11.2012)

Die größte Maschine der Welt (PDF-download; leicht verständliche Darstellung in Deutsch; zuletzt abgerufen am 19.11.2012)
Astro-Particle Physics (WS 2012/13) — PDF-Downloads:
Teil 1 Überblick
Teil 2: Detektoren
Teil 3: Beschleunigungsmechanismen
Introduction to Particle Physics

CERN

Publikumsseiten des CERN

Auf der Webseite des CERN findet sich u.a. eine Fülle hervorragender Darstellungen der Teilchenphysik (Powerpoint-Präsentationen) http://education.web.cern.ch/education/Chapter2/Intro.html



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