09. August 2008 20:43

Hintergrund 

Urknall wird mit Mega-Maschine nachgestellt

Am Mittwoch beginnt das größte Experiment der Welt. Der enorm dimensionierte Teilchenbeschleuniger LHC tritt den Dienst an.

Urknall wird mit Mega-Maschine nachgestellt
Urknall wird mit Mega-Maschine nachgestellt

Es ist die größte Maschine, die jemals gebaut wurde, und gleichzeitig das gigantischste Experiment, das Wissenschafter je geschaffen haben: Nach mehr als 20 Jahren Planung und Bau und mit einigen Jahren Verzögerung gegenüber den ursprünglichen Plänen wird am 10. September im europäischen Kernforschungszentrum CERN bei Genf der Teilchenbeschleuniger LHC (Large Hadron Collider) eingeschaltet.

Beschleunigung auf Lichtgeschwindigkeit
In einem 27 Kilometer langen und bis zu 150 Meter unter der Erde liegenden Tunnel werden Elementarteilchen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und mit bisher unerreichter Wucht zur Kollision gebracht. Dabei entstehen Energien, wie sie Sekundenbruchteile nach dem Urknall geherrscht haben. Die Wissenschafter - darunter auch zahlreiche Österreicher - erhoffen sich davon neue fundamentale Einblicke, wie die Materie und damit unsere Welt aufgebaut ist.

Eine Maschine von der Größenordnung des LHC lässt sich nicht einfach durch Umlegen eines Hebels einschalten. Die Vorbereitungen für den ersten Teilchenstrahl, der am 10. September erstmals durch den Beschleuniger kreisen soll, laufen schon seit Monaten. Notwendig waren das Abkühlen der Anlage, umfangreiche Tests, etwa der supraleitenden Magnete, eine Abstimmung der einzelnen Sektoren des Ringes sowie eine Synchronisation mit den Vorbeschleunigern. Doch selbst nach der feierlichen Eröffnung mit den Staatschefs der Mitgliedsländer am 21. Oktober 2008 wird es noch weitere Wochen und Monate dauern bis die ersten Teilchen mit bisher unerreichter Energie zum Zusammenstoß gebracht werden und damit den Forschern ein Fenster zu den Anfängen unserer Welt aufgestoßen wird.

Milliarden für die Forschung
Alleine die Baukosten für den Beschleuniger - ohne Detektoren - betrugen rund drei Mrd. Euro. Dabei hat CERN versucht, das Projekt so kostengünstig wie möglich zu gestalten. So wurde der LHC im selben Tunnel installiert, in dem die Vorgängermaschine LEP (Large Electron-Positron Collider) untergebracht war. Im Gegensatz zu den Elektronen und Positronen am LEP werden am LHC - wie der Name schon sagt - Hadronen beschleunigt, nämlich ein Teilchenstrahl im Uhrzeigersinn, der andere dagegen. Hadronen sind Teilchen, aus denen beispielsweise Atomkerne bestehen: Protonen und Neutronen. Sie sind aus Quarks zusammengesetzt und der sogenannten starken Wechselwirkung unterworfen, eine der vier Grundkräfte der Physik.

Konkret verwendet man am LHC Wasserstoff-Atomkerne, die ja gerade nur aus einem Proton bestehen, und die noch gewichtigeren Bleikerne. Ein Proton ist 1.836 mal so schwer wie die bisher verwendeten Elektronen. Je schwerer ein beschleunigtes Teilchen, desto höher ist die Energie des Zusammenstoßes. Und weil sich Energie nach Einsteins berühmter Gleichung E=mc2 in Materie umwandeln kann, können bei so hohen Kollisionsenergien neue schwere Teilchen entstehen - "Partikel wie sie nur Sekundenbruchteile nach dem Urknall gab, als die Energiedichte noch extrem hoch war", wie Manfred Krammer vom Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) gegenüber der APA erklärte. Solch schwere Teilchen gibt es schon lange nicht mehr, sie sind schon bald nach dem Urknall zerfallen. Übergeblieben sind nur mehr die vergleichsweise leichten Partikel, die heute unser Universum aufbauen. Mit LHC können sich die Wissenschafter also immer näher an die Bedingungen herantasten, wie sie ein Hundertstel einer Milliardstel Sekunde nach dem Urknall geherrscht haben.

Energie von einer Gelse
Während am LEP nur Energien von 200 Giga-Elektronenvolt (GeV) erreicht wurden, erzielt man beim Zusammenstoß von Protonen am LHC 14 Tera-Elektronenvolt (TeV). Das ist die in der Teilchenphysik übliche Energieeinheit, wobei ein Elektronenvolt jener Energie entspricht, die ein Elektron erreicht, wenn es durch ein elektrisches Feld mit einer Spannung von einem Volt beschleunigt wurde. Ein TeV (Billionen Elektronenvolt) entspricht ungefähr der Bewegungsenergie einer fliegenden Gelse. Das klingt nicht viel, allerdings ist diese Energie zusammengepfercht auf ein Volumen, das eine Billion mal kleiner ist als jenes der Insekten. Und noch ein Vergleich: Bei voller Energie besitzt jeder Strahl ungefähr so viel Energie wie ein Auto bei 1.600 km/h. Werden die deutlich schwereren Blei-Ionen beschleunigt, steigt die Energie noch viel weiter auf 1.150 TeV.

In vier Vorbeschleunigern werden die Protonen auf eine Energie von 0,45 TeV gebracht, ehe sie in den LHC eingespeist werden. "Das ist wie bei einem Auto, da braucht man auch einige Gänge, um das Fahrzeug auf hohe Geschwindigkeit zu beschleunigen", so der Österreicher Michael Benedikt, stellvertretender Leiter der für die Beschleuniger sowie die technische Infrastruktur zuständige Operationsgruppe am CERN. Im LHC laufen sie Millionen Mal im Kreis und werden dabei jedes Mal von elektrischen Feldern weiter beschleunigt bis sie ihre endgültige Energie von 7 TeV erreichen. Die Protonen kreisen dann mit 99,9999991 Prozent der Lichtgeschwindigkeit, unvorstellbare 11.000-mal pro Sekunden durchfliegen sie den 27 km langen Ring.

Um die Teilchen bei so hohen Energien auf einer Kreisbahn zu halten, sind 1.232 jeweils 15 Meter lange supraleitende Ablenkmagneten notwendig. Zusätzlich sind noch viele weitere Fokussier- und Korrekturmagnete notwendig, um den Strahl unter Kontrolle zu halten - in Summe sind es 9.600 Magnete. Der größte Teil davon besteht aus supraleitendem Material (Niob-Titan-Legierung), das bei tiefen Temperaturen den Strom ohne Widerstand leitet. Dazu müssen die Magnete auf minus 271 Grad Celsius heruntergekühlt werden, ein Grad kälter als der Weltraum. So lassen sich viel stärkere Magnetfelder erzeugen als mit normalen Elektromagneten. Im LHC erreichen die Magnetfelder rund acht Tesla. Normalleitende Magnete könnten Felder von maximal nur zwei Tesla erzeugen. In diesem Fall müsste der Beschleunigerring einen Umfang von mindestens 120 km haben, um auf die gleiche Kollisio

Hier gibt's mehr zum Teilchenbeschleuniger

Foto: (c) AP




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