CERN: Ein Beschleunigerzentrum — Wozu beschleunigen?

Fr, 23.08.2013 - 05:36 — Manfred Jeitler

Das bei Genf angesiedelte CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) erzielt mit Hilfe großer Teilchenbeschleuniger fundamentale Erkenntnisse über den Aufbau der Materie aus Elementarteilchen und die Wechselwirkung zwischen diesen. Im diesem Artikel erklärt der Autor warum man dafür Teilchen auf sehr hohe Geschwindigkeit und zur Kollision bringen muß. Ein in Kürze folgender Artikel wird sich mit den Experimenten am CERN und deren Ergebnissen beschäftigen.

Warum denn so eilig?

Das europäische Teilchenphysikzentrum CERN ist eine Beschleunigeranlage. „Beschleunigen“ heißt in unserem Sprachgebrauch so viel wie „schneller machen“. Dass heute alles recht schnell gehen soll, wissen wir ja zur Genüge. Wir reisen mit Autos und Flugzeugen, um recht schnell woanders zu sein, von wo wir dann umso rascher wieder abreisen können. Und jetzt verfallen die Physiker auch diesem Schnelligkeitswahn und bauen sogar ein eigenes Zentrum, um alles noch schneller zu machen! Geht es nicht auch ein bisschen langsamer? So etwas denken Sie sich vielleicht jetzt.

Alice im Wunderland – Hase Alice im Wunderland - das weiße Kaninchen: “Oh dear! Oh dear! I shall be too late!" (Lewis Caroll; free clipart, http://www.disneyclips.com/linktous.html)

Die Antwort kommt vielleicht etwas überraschend: nein, langsamer geht es zwar nicht, aber eigentlich kommt es den Physikern überhaupt nicht auf die Schnelligkeit an. Was die Beschleuniger für uns tun, ist, den Teilchen höhere Energien zu verleihen. (Um welche Teilchen es sich hier eigentlich handelt, werden wir weiter unten besprechen.) Bei höheren Geschwindigkeiten hat das bewegte Objekt eine höhere Energie, das wissen wir alle. Im normalen Leben ist das eher eine unangenehme Nebenerscheinung: wenn man mit dem Auto schnell unterwegs ist, will man nur recht rasch von A nach B kommen; dass die in der Geschwindigkeit des Autos steckende Energie beim ungewollten Zusammenstoß mit einem Baum oder anderen Fahrzeug dann dazu verbraucht wird, um das Auto und seine Insassen zu deformieren, ist ein zwar bekannter, aber durchaus unerwünschter Nebeneffekt. Für den Teilchenphysiker sieht das ganz anders aus. Dass die Teilchen so rasch umherfliegen, macht ihre Beobachtung etwas schwieriger. Sie zu untersuchen, geht aber nur, indem man sie mit großer Energie gegeneinander schießt (Abbildung 1).

Abbildung 1. Large Hadron Collider – LHC. Im Strahlrohr des LHC-Beschleunigers fliegen in einem 27 km langen kreisförmigen Tunnel ständig gegenläufig Protonen herum. Sie werden auf hohe Energien beschleunigt und dann zur Kollision gebracht.

Bitte nur anschauen, nicht kaputt machen?

Wenn Sie sich an Ihre frühe Kindheit erinnern, so werden Sie das verstehen: das Innenleben eines Spielzeugs haben wir damals dadurch untersucht, dass wir es fest auf den Boden geworfen haben, bis das Ganze auseinander gebrochen ist. Für erwachsene Menschen scheint die Methode etwas brutal. Wenn ein Industriespion das Auto der Konkurrenzfirma nachbauen will, wird er wohl nicht damit gegen einen Baum fahren, sondern es eher mit dem Schraubenzieher sorgfältig in seine Teile zerlegen und diese einzeln abzeichnen. Nur diese Teilchenphysiker scheinen ja ganz infantile Methoden zu verwenden.

Wir dürfen aber nicht vergessen, dass es bei Teilchen gar keine andere Möglichkeit gibt. „Sehen“ im landläufigen Sinn des Wortes kann man sie ja nicht, dafür sind sie zu klein. Was heißt denn „sehen“? Man dreht eine Lampe auf und schießt damit „Photonen“, die Teilchen, aus denen das Licht besteht, auf das zu untersuchende Objekt (oder man geht einfach in die Sonne, die uns Photonen in großer Zahl frei Haus liefert). Dieses Objekt wirft die Photonen dann in verschiedene Richtungen zurück, und ein Teil davon landet in unserem Auge. Aus deren Verteilung (wo dunkel, wo hell) und Energie (Farbe: ein blaues Photon hat mehr Energie als ein rotes) können wir dann die Form und Beschaffenheit des Gegenstandes ableiten.

Elementarteilchen sind so klein, dass sie zu einem bestimmten Zeitpunkt bestenfalls von einem Photon getroffen werden können. Dieses Photon können wir vielleicht wahrnehmen. Es gibt aber dem anderen Teilchen gleichzeitig einen Schubser, sodass dieses danach ein bisschen wo anders sein und mit anderer Energie durch die Gegend fliegen wird: wir haben seinen Ort und seine Energie beeinflusst. Trotzdem können wir auf diese Weise etwas über die Teilchen lernen. Dabei machen wir uns die Tatsache zu Nutze, dass Elementarteilchen derselben Sorte immer gleich sind. Kein Elektron ist dicker als ein anderes, kein Positron ist hübscher als sein Nachbar. Diese Teilchen sind keine Individualisten. Sie können Ihrem Lieblingsteilchen kein rotes Mascherl umhängen, um es wieder zu erkennen. Wenn Sie eine sehr gute Beobachtungsgabe haben, können Sie vielleicht einem Taschenspieler auf die Schliche kommen, wenn er Ihnen mit dem Drei-Karten-Trick das Geld aus der Tasche ziehen will (ich habe das allerdings nie geschafft). Bei Elementarteilchen haben Sie keine Chance, versuchen Sie’s gar nicht: sie verlieren allemal. Für die Physiker ist das aber gut: selbst wenn ein Elektron entwischt, nachdem es ein anderes Teilchen reflektiert hat, macht das nichts: wir untersuchen ein paar Tausend Elektronen, und da sie alle gleich sind, wissen wir dann etwas über „das Elektron“ schlechthin.

Die Teilchenphysiker haben noch etwas den Menschen im täglichen Leben voraus: sie haben verschiedene Arten von „Licht“, könnte man sagen, denn sie können Teilchen nicht nur mit Photonen, sondern auch mit einer ganzen Reihe anderer Teilchen bewerfen und sie in diesem „Licht“ untersuchen. Ganz unbekannt ist Ihnen das wahrscheinlich nicht, Sie haben vermutlich schon von Elektronenmikroskopen gehört, bei denen man Objekte nicht mit normalem Licht, sondern mit einem Elektronenstrahl „beleuchtet“.

Aber warum denn so stark draufhauen?

Erinnern Sie sich, warum man Elektronenmikroskope braucht? Ganz kleine Objekte wie z.B. Viren kann man mit normalem Licht nicht untersuchen, weil dieses zu wenig Energie hat. Je kleiner die Struktur, desto größer muss die Energie sein, um sie ordentlich zu sehen. Wenn Sie eine Nähnadel einfädeln wollen, brauchen Sie dafür gutes Licht. Die Schuhbänder kriegt man auch im halbdunklen Vorzimmer ganz gut in die Ösen hinein. Um Elementarteilchen immer genauer zu untersuchen, muss man sie mit Teilchen immer höherer Energie beschießen.

Entsprechend dem obigen Beispiel mit dem Kinderspielzeug denken Sie vielleicht, wir sehen auf diese Weise die Oberfläche der Teilchen und vielleicht auch noch, was drinnen steckt, indem wir sie auseinander brechen. Das stimmt nur zum Teil. „Auseinander brechen“ in dem uns geläufigen Sinn geht nämlich bei Elementarteilchen nicht. Die hohe Energie unserer Teilchen birgt aber noch eine Möglichkeit in sich: wir können damit neue Teilchen erzeugen!

Aus Bums wird Dings

Es gibt eine Formel in der modernen Physik, die auch die meisten Nichtphysiker kennen und die gleichsam ein Symbol für Klugheit und Verständnis geworden ist:

E=mc²

. Was heißt das? Energie (abgekürzt „E“) ist dasselbe wie Masse (abgekürzt „m“), nur mit einem Umrechnungsfaktor multipliziert (der ist ziemlich groß, nämlich das Quadrat der Lichtgeschwindigkeit „c“: c²). Sie können also, wenn Sie wollen, ihr Gewicht in Kilowattstunden angeben (ich schätze, Sie wiegen so um die 2000 Milliarden kWh) und die Stromrechnung in Kilogramm umrechnen (vermutlich verbraucht Ihr Haushalt so um die 0,000 000 1 kg Strom pro Jahr).

Den Mechanismus der Stromerzeugung in einem Kernkraftwerk kann man so verstehen: tatsächlich wiegen alle „Abfälle“ ein kleines bisschen weniger als der ursprüngliche Kernbrennstoff. Aus etwas Materie (oder Masse) haben wir damit Energie gewonnen. Salopp könnte man sagen: „Aus Dings wird Bums“.

Man kann den Spieß aber auch umdrehen und aus Energie Materie erzeugen. Ich würde Ihnen jetzt nicht empfehlen, den Zucker für den Frühstückskaffee aus der Steckdose zu beziehen. Abgesehen davon, dass das technisch recht aufwändig wäre, käme Ihnen dabei der Zucker für ein Heferl Kaffee bei den jetzigen Strompreisen auf etwa 10 Millionen Euro. Da haben Sie’s beim Greißler billiger. Für viele Elementarteilchen ist das aber die Methode der Wahl: es sind instabile Teilchen, die nach ganz kurzer Zeit zerfallen. Sie kommen sehr wohl auch in der Natur vor, wo sie bei Zusammenstößen von anderen Teilchen (z.B. aus der kosmischen Strahlung) entstehen.

Ein so ein Teilchen ist zum Beispiel das so genannte „Higgs-Teilchen“, benannt nach dem Physiker, der es erstmals vorhergesagt hat. Das ist etwa 125 Mal schwerer als ein Proton. Nachgewiesen wurde dieses Teilchens erstmals 2012 am CERN.* Dazu wurden Protonen gegeneinander geschossen, und dann konnte in einigen (sehr seltenen) Fällen das Higgs-Teilchen nachgewiesen werden. Es ist so, als würden zwei Fahrräder mit hoher Geschwindigkeit gegeneinander prallen, und plötzlich ist an der Unfallstelle ein Auto, das rasch davonfährt, und noch dazu ein ganzer Haufen von Fahrrädern, Tretrollern und Skateboards, die alle schnell auseinander fliegen. Wenn Sie so was im Fernsehen präsentiert bekommen, werden Sie sich vielleicht sagen, „Also das ist wohl der allerblödeste Science-Fiction-Film, den ich je gesehen habe!“ In der Elementarteilchenphysik geht es aber tatsächlich so zu! Und das „Auto“ (Higgs-Boson) war klarer Weise nicht in einem der „Fahrräder“ (Protonen) versteckt, sondern es entsteht tatsächlich durch die vorhandene Bewegungsenergie der „Fahrräder“ beim Zusammenprall. Aus Bums wird Dings.

Aber was sind denn nun diese „Teilchen“ oder „Elementarteilchen“?

Ja, das kann man nicht mit einem Wort sagen, drum habe ich es auch bis jetzt verschwiegen. Was Atome sind, wissen Sie wahrscheinlich: es sind die Bestandteile der Materie. Die „Teilchen“, von denen wir hier sprechen, sind wiederum die Bestandteile der Atome. Von manchen haben Sie schon gehört, und ich habe sie auch oben erwähnt, ohne sie genauer zu beschreiben. Es gibt Protonen (die gemeinsam mit „Neutronen“ in den „Kernen“ der Atome sitzen), Elektronen (die darum herumfliegen), Photonen (die Teilchen des Lichts) und noch eine ganze Menge anderer Teilchen, die instabil sind, aber beim Zerfall von radioaktiven Atomen oder bei hochenergetischen Zusammenstößen anderer Teilchen erzeugt werden können. Einige dieser Teilchen (wie zum Beispiel das Elektron) sind „Elementarteilchen“: elementar in dem Sinne, dass sie keine innere Struktur aufweisen, aus nichts anderem bestehen. Andere bestehen wiederum aus noch kleineren Teilchen wie zum Beispiel das Proton (Abbildung 2) oder das Neutron , nämlich aus den so genannten „Quarks“, und man kann sie darum eigentlich nicht als „Elementarteilchen“ bezeichnen. Darum müssen wir den allgemeinen Ausdruck „Teilchen“ verwenden aber uns immer daran erinnern, dass wir damit etwas anderes als z.B. die Russteilchen in Autoabgasen meinen.

Proton Abbildung 2. Proton. Ein Proton besteht nach unserem heutigen Wissen aus mehreren noch kleineren Teilchen, den so genannten „Quarks“.

In Fortsetzung des Artikels erscheint in Kürze: CERN: Ein Beschleunigerzentrum. Experimente, Ergebnisse und wozu braucht man das? Zu dem Thema Elementarteilchen hält der Autor am 22. November 2013 um 19:00 h einen Vortrag an der Wiener Urania: "Die Sprache der Elementarteilchen". *Siehe Manfred Jeitler, Scienceblog 2013:

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:

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) CERN teaching resources