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StartseiteHintergrundAuf der Suche nach den Bausteinen des Universums09.09.2008

Auf der Suche nach den Bausteinen des Universums

Der Teilchenbeschleuniger in Genf geht in Betrieb

Nach jahrzehntelanger Planung nimmt das Forschungszentrum CERN in Genf am 10. September den stärksten Teilchenbeschleuniger der Welt in Betrieb, den "Large Hadron Collider", kurz LHC. Der LHC ist ein Werkzeug der Grundlagenforschung. Er soll die Grundfragen der Physik beantworten helfen: Aus welchen Bausteinen besteht die Welt in ihrem Innersten?

Von Frank Grotelüschen

Blick auf den größten Teichenbeschleuniger der Welt, den LHC (Large Hadron Collider) im schweizerischen Cern. (AP)
Blick auf den größten Teichenbeschleuniger der Welt, den LHC (Large Hadron Collider) im schweizerischen Cern. (AP)

Ein Stockwerk nur muss der Fahrstuhl runter - doch die Fahrt dauert mehr als eine Minute. Hundert Meter tief unter der Erde öffnet sich die Tür, und unvermittelt steht man in einer Halle groß wie eine Kathedrale.

"Wir haben hier mehr Stahl verbaut als im Eiffelturm in Paris."

Der Physiker Michael Eppard deutet auf einen bunt lackierten Metallklotz, hoch und breit wie ein Bürohaus.

"Alle Elemente in Rot und Orange, die Sie hier sehen, sind Stahl und Eisen. Das sind mehr als 7000 Tonnen. Und der Eiffelturm in Paris wird auf 7000 Tonnen geschätzt."

Der Metallklotz fungiert als Kamera - eine Kamera für winzigste Elementarteilchen. Sie gehört zum stärksten Teilchenbeschleuniger aller Zeiten: dem "Large Hadron Collider", kurz LHC. Eine 27 Kilometer große Rennbahn für subatomare Teilchen. 20 Jahre haben Planungen und Bauarbeiten gedauert. Morgen, am 10. September, nimmt das Forschungszentrum CERN in Genf die riesige Teilchenkanone in Betrieb. Technologisch gesehen das komplexeste Projekt aller Zeiten, sagen die Physiker. Komplexer noch als sämtliche Programme der NASA.

"Wir kommen mit dieser Maschine tiefer in den Mikrokosmos und näher an das frühe Universum ran, an den Urknall und das Entstehen des Universums. Wir erhoffen uns dadurch grundlegende neue Erkenntnisse über das frühe Universum."

Rolf-Dieter Heuer, Physiker. Noch arbeitet er am Deutschen Teilchenforschungszentrum DESY in Hamburg. Doch am 1. Januar 2009 wird er am CERN den Posten des Generaldirektors antreten.

"Der Mensch unterscheidet sich von anderen Lebewesen durch das Denken und seinen Forscherdrang. Zum Forscherdrang gehört auch die Grundlagenforschung. Ohne Grundlagenforschung keine angewandte Forschung, und ohne angewandte Forschung kein Fortschritt. Ich glaube, das gehört mit zum Kulturgut des Menschen."

Der LHC ist ein Werkzeug der Grundlagenforschung. Er soll die Grundfragen der Physik beantworten helfen: Aus welchen Bausteinen besteht die Welt in ihrem Innersten? Und was hält diese Bausteine zusammen? Um diese Fragen zu klären, lassen die Physiker winzige Materieteilchen in einer luftleeren Röhre kreisen. In jeder Runde werden sie von Radiowellen angeschoben - bis fast auf Lichtgeschwindigkeit, knappe 300.000 Kilometer pro Sekunde. Damit die Teilchen nicht aus der Kurve fliegen, werden sie von wuchtigen Magneten auf der Bahn gehalten. Dann lässt man die Teilchen frontal aufeinander prallen, wie Geschosse. Ein Energieblitz flammt auf. Neue Teilchen entstehen und zerstieben in Dutzende von Bruchstücken - ein Feuerwerk im Mikrokosmos, beobachtet von haushohen Kameras, Detektoren genannt. In diesem Feuerwerk suchen die Physiker nach neuen, unbekannten Partikeln - nach den Urteilchen der Materie, den Grundbausteinen unserer Welt.

Der LHC ist der stärkste Beschleuniger aller Zeiten - vier Mal leistungsfähiger als der bisherige Rekordhalter, das Tevatron bei Chicago. Der technische Aufwand für den neuen Superbeschleuniger ist ernorm.

"Der Tunnel ist 27 Kilometer lang, und es gibt acht Zugangsstellen,"

sagt Michael Eppard. Er ist einer der rund 10.000 Physiker, die in den nächsten Jahren mit dem LHC experimentieren wollen.

"Unter Umständen müssen Sie viele Kilometer zurücklegen, um zu Ihrem Arbeitsplatz zu kommen. Da ist die einfachste Möglichkeit, ein Fahrrad zu nehmen."

Der Beschleuniger-Tunnel ähnelt einem U-Bahn-Tunnel. Doch statt Schienen reihen sich unzählige Röhren aus Stahl aneinander - meterdick und blau lackiert.

"Das sind die blauen, 15 Meter langen Magnete. Davon gibt es 1232 Stück. Wir müssen diese Magneten auf 27 Kilometern auf die Temperatur von Flüssighelium runterkühlen - auf 1,9 Kelvin!"

Nur wenn man die Magneten derart extrem abkühlt, auf minus 271 Grad Celsius, sind sie stark genug, um die fast lichtschnellen Teilchen auf ihrer Bahn zu halten. Es sind Abermilliarden von Protonen, also Kerne von Wasserstoffatomen. Sie sind zu streichholzgroßen Paketen gebündelt. Die Hälfte dieser Pakete fliegt im Uhrzeigersinn, die andere Hälfte dem Uhrzeigersinn entgegen. An einigen Stellen des Ringes treffen die Protonenwolken mit voller Wucht aufeinander.

Die Institution, die hinter der größten Wissenschaftsmaschine aller Zeiten steckt, ist das CERN.

"CERN ist wohl die einzige Organisation, die aufgrund von zwei Initiativen gegründet worden ist."

Herwig Schopper, von 1981 bis 88 Generaldirektor des CERN.

"Erstens gab es damals eine Initiative von den Physikern in Europa, die eingesehen haben, dass nur, wenn man die europäischen Kräfte bündelt, Europa konkurrenzfähig ist insbesondere mit den Vereinigten Staaten. Aber es gab eine zweite Initiative: Es wurde knapp nach dem Krieg das Institut für die europäische Kultur gegründet. Die haben in Lausanne eine Tagung veranstaltet, wo zum ersten Mal nach dem Krieg englische, französische und deutsche Politiker - Carlo Schmid war der deutsche Vertreter - sich treffen konnten und überlegt haben: Was kann man tun, dass die Europäer wieder zu friedlicher Zusammenarbeit zusammenfinden? Daraus entstand die Initiative, ein Forschungslabor zu gründen, wo man diese friedliche Zusammenarbeit üben konnte. CERN wurde so die erste europäische Organisation - älter als alle anderen."

Gerade die Deutschen sahen damals im CERN die Möglichkeit, das durch die Hitlerzeit ramponierte Ansehen aufzupolieren und sich wieder in die Völkergemeinschaft einzugliedern.

Im Mai 1954 beginnen im Dörfchen Meyrin nahe Genf die Bauarbeiten, in der neutralen und krisensicheren Schweiz. Das Kürzel CERN steht für "Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire", zu deutsch "Europäischer Rat für Kernforschung".

"Leider wird das "N" im CERN häufig missverstanden, das am Anfang für "Nucléaire" stand. Sodass viele Leute lange der Meinung waren, CERN hätte etwas mit Nuklearenergie zu tun, was natürlich nicht stimmt. Deswegen wurde später auch der Name hinzugefügt: Europäisches Zentrum für Teilchenphysik. Es ging von Anfang an nur um Grundlagenforschung und die Frage: Wie ist die Materie aufgebaut? Was sind die Grundbausteine der Materie?"

Heute stehen 20 Mitgliedsstaaten hinter dem CERN. Wie in der EU ist Deutschland der größte Nettozahler. Die Bundesrepublik trägt knapp ein Fünftel des Jahresetats von 560 Millionen Euro. Dennoch hat sie wie alle anderen Mitgliedsländer nur eine Stimme im CERN-Rat. So nennt sich das Gremium, das alle wichtigen Entscheidungen trifft.

Das CERN-Gelände hat die Ausmaße einer Kleinstadt, dominiert von schmucklosen Betonhallen und tristen Verwaltungstrakts. 3000 Menschen sind hier angestellt, dazu kommen 6000 Gastforscher aus aller Welt. Das CERN darf als Prototyp für andere europäische Forschungs- und Technologieeinrichtungen gelten, etwa die Weltraumagentur ESA. Und: Es ist das größte Teilchenforschungszentrum der Welt. Nur: Die meisten wichtigen Teilchen-Entdeckungen konnten bislang die Amerikaner für sich reklamieren. Das spiegelt sich in der Anzahl der Nobelpreise: Immerhin fünf gab es in den letzten Jahrzehnten für US-Experimente. Nur zwei gingen ans CERN. Das, sagt CERN-Veteran Hans Hoffmann, soll der LHC jetzt ändern.

"Mit diesem Projekt, wenn alles gut geht, sind wir an der Spitze. Ein schönes Gefühl, wenn man erster ist. Und ich glaube, Europa sollte sich das Gefühl auf viel mehr Gebieten gönnen. Denn die Qualität der Wissenschaft in Europa ist mit jedem anderen Kontinent mindestens vergleichbar, wahrscheinlich besser."

Reibungslos verlief der Bau des Riesen allerdings nicht. Mitten während der Konstruktionsphase musste das CERN-Management um den damaligen Generaldirektor Luciano Maiani zugeben, dass der Beschleuniger teurer werden würde als geplant.

"Im Jahr 2000, anderthalb Jahre, nachdem er Generaldirektor war, hat er gesagt: Uns fehlt Geld! Damals gab es einen großen Aufschrei - ein Abgrund von Schulden am CERN. Da haben wir eine Milliarde Schulden entdeckt. Letztendlich eine Kostenüberschreitung von etwa dreißig Prozent."

Der LHC kostete also drei Milliarden Euro, und nicht zwei wie ursprünglich vorgesehen. Um den Beschleuniger trotz der Kostenexplosion zu retten, musste das CERN andere Projekte, die nichts mit dem LHC zu tun hatten, herunterfahren. Es musste Kredite aufnehmen und den Zeitplan strecken. Der Start wurde verschoben - vom Frühjahr 2005 auf den Sommer 2008.

In den unterirdischen Hallen laufen derzeit die letzten Vorbereitungen. Insgesamt sind vier dieser riesigen Höhlen über den 27-Kilometer-Ring verteilt. Hier passiert das Entscheidende: Hier treffen die Wasserstoffkerne mit voller Wucht aufeinander. Vier Detektoren, viele Stockwerke hoch und gespickt mit hochsensibler Messtechnik, werden beobachten, was bei den Zusammenstößen geschieht und ob neue, bislang unentdeckte Teilchen entstehen, deren Entdeckung einen Nobelpreis wert wäre. Zum Beispiel das Higgs. So heißt das derzeit meist gesuchte Teilchen in der Physik, sagt CERN-Forscherin Silvia Schuh.

"Wir wollen herausfinden, woher die Masse der Teilchen kommt. Unsere Theorie sagt uns, dass es ein Teilchen geben soll, das Higgs-Teilchen. Und wir versuchen dieses Teilchen zu finden."

Das Higgs soll erklären helfen, warum Materie überhaupt Masse besitzt. Und noch einer neuen Teilchengattung ist der Megabeschleuniger auf der Spur - den supersymmetrischen Teilchen. Diese könnten hinter einem der größten Rätsel des Universums stecken: der dunklen Materie. Die Forscher wissen, dass es im Universum eine rätselhafte Materieform geben muss, die die Galaxien zusammenhält wie ein unsichtbarer Klebstoff. Die supersymmetrischen Teilchen gelten als heiße Kandidaten für diese dunkle Materie, meint CERN-Physiker Peter Jenni. Und:

"Der Traum der Teilchenphysiker ist auch, dass etwas Neues, Unerwartetes passieren könnte. Und das Aufregende am LHC ist wirklich, dass wir eine so hohe Kollisionsenergie zur Verfügung haben, dass das durchaus der Fall sein kann."

Manche Forscher glauben sogar, dass der LHC etwas erzeugt, dass es sonst nur in den Tiefen des Weltalls gibt - schwarze Löcher. An sich sind das monströse Himmelskörper mit einer so gewaltigen Gravitation, dass sie sogar Licht verschlucken. Aber es könnte sein, dass es schwarze Löcher auch als Miniaturausgabe gibt, viel kleiner noch als ein Atomkern. Wenn der LHC mit voller Wucht Wasserstoffkerne aufeinander feuert, könnte er diese Minilöcher gezielt erzeugen, sagt der Frankfurter Physiker Marcus Bleicher.

"Das kann dazu führen, wenn man Kerne von Wasserstoffatomen aufeinander schießt, dass die Gravitationskraft bei der starken Verdichtung der Wasserstoffkerne derartig stark ansteigt, dass sich ein schwarzes Loch bilden kann. Und wir hoffen, dass das wirklich passiert und dass es beobachtbar wird. Und nach unseren aktuellen Rechnungen scheint die Energie am LHC wirklich auszureichen."

Ein schwarzes Loch, also ein Gebilde, das durch seine Anziehungskraft alles verschlingt - direkt unter den Füßen von Genfer Bankiers und französischen Landwirten? Einige selbsternannte Experten halten das für so gefährlich, dass sie den Start des LHC sogar gerichtlich verbieten lassen wollten. Doch Marcus Bleicher winkt ab.

"Wir können kategorisch verneinen, dass die schwarzen Löcher gefährlich sind, die man im Beschleuniger erzeugt."

Etwas anderes beschäftigt die Physiker im Moment viel mehr: Werden die vier Detektoren, die am LHC aufgebaut sind, so funktionieren wie geplant? Schließlich handelt es sich um die technisch komplexesten Messsensoren, die je gebaut wurden. Hinter jedem Detektor steckt ein Team von bis zu 2000 Forschern. Einer davon ist Frank Hartmann aus Karlsruhe.

"Es darf dort unten nichts kaputt gehen. Dieser Detektor ist wie ein Satelliten-Experiment. Wenn er unten in der Kaverne ist, ist er fast nicht mehr zugänglich. Der Detektor muss funktionieren. Und wir haben uns in den letzten Jahren die beste Mühe gegeben, jedes Einzelteil in jenem einzelnen Schritt zu kontrollieren und eine Qualitätskontrolle durchzuführen."

Hartmann ist nervös, man merkt es ihm an. Wie besessen haben er und seine Kollegen in den letzten zwei Jahren gearbeitet, um den Detektor pünktlich fertig zu kriegen.

"Die Endphase in einem Projekt dieser Größe ist einfach stressig und bedarf viel Körperschweiß und Blut. Es ist mein persönliches Interesse, dass dieser Detektor funktionieren wird. Wenn das schief läuft, haben wir keine Chance, den Detektor noch einmal in der Zeit zu bauen. Da darf auch etwas Nervosität aufkommen."

Der Detektor von Frank Hartmann heißt CMS und ist eines der beiden Hauptexperimente am LHC. Das andere Hauptexperiment heißt Atlas. Hinter beiden Detektoren steckt jeweils ein multinationales Team von mehr als 2000 Forschern. Und jedes dieser Teams hofft, das erste zu sein, das das Higgs-Teilchen entdeckt, oder ein supersymmetrisches Teilchen, sagt der Karlsruher Physiker Thomas Müller.

"Wir haben gute und enge freundschaftliche Beziehungen. Jetzt aber handelt es sich um Teams, die miteinander in Konkurrenz sind. Ich betrachte das als sportliche Konkurrenz. Wenn es um die Datenanalyse geht, werden wir weitestgehend versuchen, Stillschweigen zu bewahren."

Die vier Detektoren kosten eine Milliarde Euro, dazu kommen die drei Milliarden für den Beschleuniger, den Tunnelring. Macht zusammen vier Milliarden. Was hat, abgesehen vom Erkenntnisgewinn für die Grundlagenphysik, die Gesellschaft von dieser Investition? Eine ganze Reihe so genannter Spin-offs, also von wirtschaftlich nutzbaren Ablegern, dürften sich ergeben, meint der künftige Generaldirektor Rolf-Dieter Heuer.

"Einerseits sind es - und das kommt für mich immer an erster Stelle - die hervorragend ausgebildeten jungen Wissenschaftler. Sie lernen, wie man gezielt forscht, wie man sich in einer Gruppe wissenschaftlich verteidigt. Man kriegt fantastische neue Dinge mit, was Technologien angeht. Und man lernt, international zu arbeiten."

Diese Fähigkeiten, sagt Heuer, nehmen die Nachwuchsforscher dann mit, wenn sie nach ihrer Ausbildung am CERN in die Industrie oder an die Universitäten gehen. Und da wäre da noch ein zweiter, viel bekannterer Spin-Off aus Genf. Einer, der heute schon zum Alltag gehört:

"Das World Wide Web wurde hier am CERN erfunden, weil es damals bei den Experimenten die Notwendigkeit gab, den Datenaustausch schnell und effizient zu organisieren. Und wie hat das unser Leben verändert!"

Auch heute interessieren sich IT-Unternehmen wie Intel, Hewlett-Packard und Oracle dafür, wie das CERN die gewaltigen Datenmengen bewältigen will, die der LHC erzeugen wird. Gemeinsam entwickelt man dafür Techniken, mit denen sich Rechenzentren auf der ganzen Welt zu einer Art Supercomputer zusammenschalten lassen. "Word Wide Grid" - so heißt diese neue Technologie, die sich bald auch bei Rechnersimulationen im Automobil- und Flugzeugbau finden könnte. Morgen legt der LHC offiziell los. Die nächsten Monate sind für Testläufe reserviert. Mit ersten wissenschaftlichen Ergebnissen ist frühestens im nächsten Jahr zu rechnen. Danach wird der Superbeschleuniger mindestens zehn Jahre lang Protonen aufeinander feuern und Messdaten liefern. Dennoch denkt Rolf-Dieter Heuer schon an die Zeit danach. Er liebäugelt mit einem anderen internationalen Megaprojekt, das noch in der Planung steckt: einem 30 Kilometer langen, schnurgeraden Linearbeschleuniger. Dieser würde Elektronen statt Wasserstoffkerne aufeinander schießen und könnte die Entdeckungen des LHC deutlich präziser studieren.

"Für eine große Maschine kann ich mir eigentlich nur eine Maschine auf der Welt vorstellen, die in Zusammenarbeit gebaut werden muss."

Sollte Genf den Zuschlag für dieses neue Milliarden-Projekt bekommen, gilt es als wahrscheinlich, dass Nationen wie die USA, Japan und Russland, die schon heute einen Status als Beobachter haben, als Vollmitglieder ins CERN einsteigen. Und damit würde aus einem europäischen endgültig ein globales Forschungszentrum.

Die ersten Schritte in diese Richtung sind schon gemacht: In einer der unterirdischen LHC-Hallen zeigt Physiker Michael Eppard auf ein haushohes Gebilde aus Messing - ein Teil eines Detektors.

"Dieses Messing ist von russischen Artillerie-Granatenhülsen. Wenn ein russisches Kriegsschiff eine Artilleriegranate abfeuert, bleibt eine Hülse übrig. Die besteht aus purem Messing. Wir haben sehr viele Russen in unserer Kollaboration. Die haben chronisch kein Geld, aber immer gute Ideen. Die sind auf die Idee gekommen, dass dieses Messing absolut ausreichende Qualität hat. Man hat dann diese Granatenhülsen eingeschmolzen, zu Platten gegossen und zu unserem Kalorimeter zusammengebaut. Das ist also "Schwerter zu Pflugscharen" - ein echtes Beispiel für Konversion."

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