Woraus besteht alle Materie? ScienceBlog besuchte das Cern – Tag 2

Fr, 10.10.2014 - 21:018 — Inge Schuster

Nach überwältigenden Eindrücken am 1. Tag unserer Exkursion an das CERN, der in der Audienz bei der Prinzessin des LHC, dem Compact Muon Solenoid (CMS), gipfelte, bekommen wir heute zuerst einen Einblick in die geheimnisvolle Welt der Antimaterie, dann einen gesamten Überblick über den Beschleuniger-Komplex des CERN. Für das grandios zusammengestellte Besuchsprogramm und die tollen Führungen geht der herzlichste Dank von ScienceBlog an Claudia Wulz (HEPHY, CERN), Manfred Jeitler (HEPHY, CERN) und Michael Doser (CERN).

Über Nacht haben sich die Regenwolken weitestgehend verzogen, der Tag beginnt strahlend schön und sommerlich warm. Das ist eine optimale Voraussetzung für unser heutiges Besuchsprogramm, das uns quer über das weitläufige Gelände der „Meyrin Site“ des CERN führt – eine längere Wanderung bedeutet (Abbildung 1).

Pünktlich zum vereinbarten Zeitpunkt werden wir von der Rezeption des CERN abgeholt und wandern los. Nach etwa 20 Minuten erreichen wir unser erstes Ziel: den Antiproton Decelerator (AD). Ein Decelerator – ein „Entschleuniger“ – noch dazu von Antiprotonen - inmitten des Clusters von Accelerators – Beschleunigern? Was ist das eigentlich, was wird hier erforscht? Abbildung 1. Unsere Besichtigungstour führt von der Rezeption zur Antiproton-Decelerator Halle, von dort zum „Low Energy Ion Ring“ Beschleuniger. Nach einer „Verschnaufpause“ im Computer Center geht es zurück in Richtung Rezeption, zu den Ausstellungen im Globe und Microcosmos (die roten, strichlierten Pfeile geben unsere Route in Form von Luftlinien zwischen den einzelnen Stationen wieder. Karte des CERN-Campus Meyrin : CERN).

Unser Guide, Michael Doser, gibt uns dazu – noch bevor wir die AD-Halle betreten - eine umfassende Einführung (Abbildung 2). Es wird eine Reise in die geheimnisvolle Welt der Antimaterie. Doser selbst ist ein (ursprünglich aus Graz stammender) renommierter Teilchenphysiker, der seit mehr als 30 Jahren über Antimaterie forscht, davon seit rund 20 Jahren am Physik Department des CERN (Details: [1]).

Es ist der einzige Ort der Welt, wo über Antimaterie geforscht wird, um Antworten auf die fundamentalsten Fragen zu finden: Wieso gibt es überhaupt ein Universum, wieso existieren wir? Abbildung 2. Vor der AD Halle. Michal Doser erklärt: die Entstehung des Universums, schließt die Entstehung von Antimaterie mit ein (Bild rechts stammt von einem späteren Ort unserer Besichtigungstour). Bei der Umwandlung von Energie entstehen in gleichen Mengen Teilchen und Antiteilchen. Der Zusammenstoß von Teilchen und Antiteilchen (hier Wasserstoff und Antiwasserstoff) führt zu deren Vernichtung unter Freisetzung hochenergetischer Strahlung (Spur in Fotoemulsion; Bild NASA).

Geheimnisvolle Antimaterie

Die heute geltende Auffassung von der Entstehung unseres Universums geht von einer unvorstellbaren Verdichtung von Energie in einem „Punkt“ (Singularität) aus. Diese ist im Big Bang (Urknall) mit ungeheurer Kraft explodiert, die extrem hohe Energie ist in alle Richtungen expandiert und hat sich in Elementarpartikel – Photonen, Quarks, Leptonen [2] – umgewandelt. Als das sich ausdehnende, extrem heiße Universum abzukühlen begann, sind aus den Elementarpartikel Atome und aus diesen alle uns bekannte Materie entstanden (Abbildung 2). Auch die Atome unseres Körpers setzen sich aus den Elementarteilchen zusammen, die damals entstanden sind - sind also nahezu 14 Milliarden Jahre alt.

Wenn sich hochenergetische Strahlung in Teilchen umwandelt, dann wandelt sie sich in gleichen Mengen in Materie und Antimaterie um („Paarbildung“); zu jedem Baustein der Materie existiert also ein Antimaterie-Teilchen. Wenn beispielsweise aus sehr energiereichen Photonen negativ geladene Elektronen entstehen, entstehen spiegelbildlich gleiche Antiteilchen – Positronen -, die gleiche Masse und Spin und gleichgroße, aber entgegengesetzte Ladung und magnetisches Moment aufweisen. Stoßen Teilchen und entsprechende Antiteilchen zusammen, so führt dies zu deren Vernichtung (Zerstrahlung - Annihilation) unter Freisetzung hochenergetischer Strahlung.

Die ursprünglich von der theoretischen Physik vorausgesagten Antimaterieteilchen fanden breiteste Bestätigung in der Realität: man weist sie etwa in der kosmischen Strahlung nach, wo durch Kollisionen hochenergetischer Partikel Positronen und Antiprotonen entstehen. Man beobachtet sie bei Zerfallsprozessen einiger natürlich vorkommender, protonenreicher Radioisotope – z.B. des Kaliumisotops ⁴⁰K –, die Positronen emittieren. Positronen emittierende künstliche Radionuklide sind die Basis der in Medizin und Grundlagenforschung angewandten Positron Emission Tomography (PET), einer Revolution bildgebender Verfahren. Vor allem aber werden Antiteilchen durch Kollision hochenergetischer Partikel - wie hier in den Beschleunigern des am CERN - erzeugt und charakterisiert.

Was aber (noch) nicht verstanden wird:

Auch unser Universum muss unmittelbar nach dem Urknall zur Hälfte aus Materie und Antimaterie bestanden haben. Eine völlige Symmetrie zwischen Materie und Antimaterie hätte dann aber zur sofortigen Auslöschung des sich eben bildenden Weltalls geführt, übrig geblieben wäre nur Strahlung. Unser Weltall enthält zwar ungeheuer viel Strahlung, besteht jedoch – bis an die detektierbaren Grenzen - aus „normaler“ Materie. Es muss also eine gewisse Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie vorliegen, die ein Überleben der Materie und damit auch unsere Existenz ermöglicht hat.

Die Antiproton Decelerator (AD) Halle

Sind Teilchen und Antiteilchen doch keine perfekten Spiegelbilder, können minimale Unterschiede in deren Eigenschaften festgestellt werden, die zur absoluten Dominanz der einen Form geführt haben?

Dies sind die Fragen, welche die Antimaterie-Forscher hier zu lösen versuchen. Als relevantes Modell wollen sie das Paar Wasserstoff/Antiwasserstoff vergleichen (Abbildung 2). Der aus einem Proton und einem Elektron bestehende Wasserstoff ist das einfachste Atom, mit 75 % der häufigste Baustein im Universum und überdies in seinen Eigenschaften aufs Genaueste untersucht.

Bereits vor rund 20 Jahren konnten CERN Forscher zeigen, dass es prinzipiell möglich ist Antiwasserstoffatome aus Antiprotonen und Positronen herzustellen. Um den Antiwasserstoff aber nicht nur (durch den Annihilationsprozess, der ihn zerstört) nachzuweisen, sondern auch in verschiedenen Experimenten untersuchen zu können, muss er „eingefangen“ und in geeigneter Form über die Versuchsdauer verfügbar gemacht werden. Dies geschieht in einer sogenannten Penningfalle (Abbildung 3), in welche Antiprotonen und Positronen auf getrennten Wegen eintreten, in getrennten Kompartimenten erst akkumulieren und dann in einer zentralen magnetischen Falle (Oktupol-Falle) zusammengeführt werden. Ultrahohes Vakuum, starke Magnetfelder/elektrische Felder verhindern, dass Antiteilchen mit der Materie der Falle in Kontakt kommen und damit zerstört werden. Auf diese Weise entstandener Antiwasserstoff konnte bereits über eine Dauer von 16 Minuten gespeichert werden. Abbildung 3. Die Erzeugung von Antimaterie. Links oben: Beschleunigung von Protonen über das System LINAC, Booster und Proton Synchrotron (PS) und Erzeugung von Antiprotonen im PS durch Kollision mit einem Metall-Target. Entschleunigung der Antiprotonen im Antiproton Decelerator (AD). Innerhalb des AD-Rings (rechts oben) sind Experimente aufgebaut (sichtbar: ALPHA, ASACUSA). Rechts unten: Die Penning Falle in der Positron und Antiproton zu Antiwassestoff kombinieren.

Wie werden aber Antiprotonen und Positronen erzeugt?

Die Positronen für den Antiwasserstoff lassen sich vhm. einfach aus dem radioaktiven Natriumisotop ²²Na herstellen, das unter Emission von Positronen (β⁺-Zerfall) zerfällt.

Zur Erzeugung der Antiprotonen werden Protonen aus einer Protonenquelle über das Beschleunigersystem LINAC2, Booster und Proton Synchrotron (siehe nächster Abschnitt) auf sehr hohe kinetische Energie – 26 GeV - und im PS zur Kollision mit einem Metall-Target (aus Iridium) gebracht. Dabei entstehen Proton-Antiproton Paare. Die Antiprotonen werden auf Grund ihrer unterschiedlichen Ladung von den Protonen abgelenkt, sind aber für Untersuchungen noch viel zu heiß und schnell. Ein Abbremsen und Abkühlen mittels zweier Kühlverfahren erfolgt nun innerhalb von 8o Sekunden im Antiproton Decelerator, einem Speicherring mit 188 m Umfang. Dann werden die versuchsbereiten Teilchen an Experimente weitergeleitet, die innerhalb des AD-Rings aufgebaut sind (Abbildung 3). Es sind internationale Kooperationen, deren Großprojekte ( ATRAP, ALPHA, ASACUSA, AEGIS) sich von ungemein präzisen Bestimmungen der physikalisch-chemischen Eigenschaften von Antimaterie-Teilchen bis hin zu deren möglichen Anwendungen in der Tumormedizin erstrecken. An dem Experiment AEGIS ist Michael Doser maßgeblich beteiligt. Man merkt seine Begeisterung als er über Lösungsansatze zur Beantwortung der Frage berichtet:

Liegt die Ursache für das Überleben der Materie vielleicht in einer unterschiedlichen Gravitation (Schwerkraft) von Teilchen und Antiteilchen?

Vom Entschleuniger zum Beschleuniger-Komplex

Die Teilchenphysikerin Claudia Wulz (sie ist am CERN tätige Forscherin des HEPHY) kennen wir bereits seit gestern. Sie hat mit einem Teil unserer Gruppe den CMS-Detektor besichtigt. Nun löst sie Michael Doser ab und führt uns zur nächsten Station. Die Wegstrecke ist kurz und wir stehen vor einem hohen Gebäudekomplex, in welchem der Kreisbeschleuniger „Low Energy Ion Ring“ (LEIR) untergebracht ist. Wofür wird dieser Beschleuniger verwendet, wie steht er in Zusammenhang mit den anderen Beschleunigern am CERN, bis hin zum LHC? Dazu gibt uns Claudia Wulz einen umfassenden Überblick (Abbildung 4). Abbildung 4. Der Beschleunigerkomplex am CERN. Claudia Wulz (rechts) erklärt, wie eine Kette von Beschleunigern Teilchen stufenweise auf immer höhere Energien bringt.

Der LEIR wie auch die anderen Beschleuniger sind Teil eines Beschleuniger-Komplexes, in welchem Partikel stufenweise auf immer höhere Energien gebracht werden. Jede dieser Maschinen erhöht die Energie, der in sie injizierten Partikelstrahlen, bevor diese in den nachfolgenden Beschleuniger eintreten, dort weitere Energie dazugewinnen, bis sie schließlich im letzten und größten Beschleuniger, dem LHC, die gigantische Energie von nahezu 7 Teraelektronenvolt erreichen und zur Kollision gebracht werden. Es sind Bedingungen, die den Zustand nach dem Urknall, die Entstehung der Elementarpartikel, simulieren.

Stufe 1: Die Beschleunigung von Protonen beginnt im LINAC2. Dies ist ein bereits ziemlich alter Linearbeschleuniger (er stammt aus 1976 und ist neben dem LEIR lokalisiert), der von einer Wasserstoffgasflasche, der Protonenquelle, in Pulsen von 0,1 Millisekunden Dauer gespeist wird. Nach der Passage eines elektrischen Feldes, sind die Elektronen entfernt; die Protonen treten in den LINAC und werden auf 50 MeV beschleunigt.
Stufe 2: Aus dem LINAC 2 wird der Protonenstrahl in den Proton Synchrotron Booster gelenkt. Dieser besteht aus 4 übereinander gelagerten Synchrotron Ringen, welche die Teilchen auf 1,4 Gigaelektronenvolt beschleunigen. (Diese Maschine ist immerhin schon 42 Jahre alt.)
Stufe 3: Vom Booster geht es dann in das Proton Synchrotron (PS), das die Partikel bis auf 25 Gigaelektronenvolt beschleunigen kann. 1959 in Betrieb gegangen, war das PS das erste Synchrotron am CERN und mit einen Umfang von 628 m damals der stärkste Teilchenbeschleuniger der Welt. Es ist noch immer in Funktion und hat heute eine zentrale Rolle als Lieferant beschleunigter Partikel an die nachfolgenden noch stärkeren, neueren Maschinen, aber auch – wie wir eben gesehen haben – an den Antiproton Decelerator für Antimaterie Experimente. Es sind nicht nur Protonen, die im PS beschleunigt werden, es werden auch schwere Ionen, aus dem LEIR eingespeist. (Auf das hohe Alter von Maschinen und auch Gebäuden angesprochen meint Claudia Wulz: Wir sind sehr sparsam. Unsere Anschaffungen sind zwar extrem teuer, dafür verwenden wir sie aber ewig.)
Stufe 4: Vom PS geht es in das Super Proton Synchrotron (SPS). Dieser Beschleuniger mit einem Umfang von 7 km beschleunigt auf bis zu 450 Gigaelektronenvolt. Vor der Inbetriebnahme des LHC wurden hier Teilchenkollisionen durchgeführt, die fundamentale Erkenntnisse u.a. zur Struktur von Protonen oder auch Bosonen brachten.
Stufe 5: Die letzte Etappe der Beschleunigung erfolgt am LHC, der 2008 in Betrieb ging. Über diesen wurde im vorgehenden Report bereits berichtet.
So, nun sind wir für den Besuch des LEIR gerüstet.
Der Low Energy Ion Ring (LEIR)
Dieser Beschleuniger hat mit rund 78 m Umfang in einer Halle Platz (Abbildung 5). Abbildung 5. Der Low Energy Ion Ring (LEIR).

Von oben gesehen bekommen wir einen sehr guten Eindruck, wie eine derartige Maschine aufgebaut ist und funktioniert. Dazu tragen auch die Farben bei: wir sehen rote Dipolmagneten, welche die Ionenstrahlen in die Bahn lenken, schmale blaue Magnete, die den Strahl fokussieren, beige Blöcke, die mit Hilfe eines elektromagnetischen Feldes die Teilchen beschleunigen, auffallend gestaltete, sogenannte Elektronen Kühler, die die Dichte des Strahls erhöhen („kühlen“) und schließlich den Magneten, der den Strahl aus dem Ring hinaus zum nächsten Beschleuniger lenkt.

Ein großartiger Überblick!

Der LEIR wurde übrigens aus einem Vorgänger – Low Energy Antiproton Ring (LEAR) – umgebaut, der vor der Inbetriebnahme des Antiproton Decelerators dessen Aufgabe innehatte – das Abbremsen und Abkühlen der Antiprotonen.

Seit 2006 ist der LEIR nun aber ein Beschleuniger von Bleiionen, die in Paketen gebündelt vom Vorbeschleuniger LINAC3 eingespeist werden und von 4,2 auf 72 MeV beschleunigt in das Proton Synchroton und weiter über die Beschleunigerkette in den LHC gelangen. Seit 2010 werden dort neben Proton-Proton Kollisionen auch Kollisionen von Protonen mit Bleiionen und Bleiionen mit Bleiionen durchgeführt.

Unser Programms nähert sich seinem Ende

Die Vielzahl und Vielfalt an Eindrücken, die wir bis jetzt erhalten haben, beeinträchtigt unser Aufnahmevermögen. Ein kurzer Besuch im Computer Center wird von mehreren Teilnehmern zur Rast auf den bequemen Bürostühlen benutzt. Dann geht es zurück in Richtung Rezeption.

Weitere Programmpunkte können nach Belieben gewählt werden. Zum Beispiel die Ausstellung „Microcosmos“: Vom unendlich Großen bis zum unendlich Kleinen. Diese lässt alles, was wir in den beiden Tagen gesehen haben Revue passieren; angefangen von den Beschleunigern und Detektoren bis hin zu den Elementarpartikeln.

Viele aus unserer Gruppe machen auch einen Abstecher nach Genf, der See kann in wenigen Minuten mit den Öffis erreicht werden. Einige ziehen es vor in der Hotelbar zu sitzen und beim Bier das Gesehene und Gehörte nachwirken zu lassen.

Auf jeden Fall waren es zwei unvergessliche Tage mit einem grandios zusammengestellten Besuchsprogramm. Dafür und für die herausragenden Führungen danken wir herzlichst Claudia Wulz, Manfred Jeitler, Michael Doser und nicht zuletzt dem CERN Visits Centre für die grandiose Untertützung Abbildung 6. Einige Impressionen