Wissenschaft CERN: Teilchenjagd im Untergrund

Er kostet so viel wie 20 Fußballstadien und ist länger als jede Formel-1-Strecke: Der Teilchenbeschleuniger LHC am Forschungszentrum CERN bei Genf in der Schweiz sprengt alle Rekorde. Dabei wollen Physiker mit dem Monster doch nur eines: winzige Teilchen finden

LHC in 100 Metern Tiefe

Wenn man mit Wissenschaftlern über den LHC spricht, den Teilchenbeschleuniger am Forschungszentrum CERN bei Genf, dann können die meisten gar nicht aufhören zu schwärmen. Manche sagen: Das ist das komplizierteste Ding, das jemals von Menschen gebaut wurde. Andere nennen es das achte Weltwunder - weil es heute so einzigartig ist wie die ägyptischen Pyramiden vor 4500 Jahren.

Auf jeden Fall ist der LHC (das ist die Abkürzung für Large Hadron Collider - frei übersetzt: Großer Atomkern-Beschleuniger) eines: riesig! So riesig, dass man nur unterirdisch Platz für ihn gefunden hat: Forscher, die ihn besuchen wollen, müssen mit Fahrstühlen 100 Meter tief in die Erde fahren. Dort unten stoßen sie auf einen geräumigen Tunnel, in dem eine Röhre wie eine dicke Nudel liegt - der Beschleunigerring.

Monstergroße Maschinen

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Schwer wie 10 000 Autos: Am "CMS-Detektor", einem von vieren am LHC, haben Forscher mehr als zehn Jahre gearbeitet. Mit der "Riesenlupe" wollen sie Teilchen auf die Spur kommen, die sonst unsichtbar sind

Wohin der wohl führt, fragt man sich und beginnt ihm zu folgen. Zwei Stunden lang, drei, vier ... Nur Kabel, Röhren und 1500 lastwagengroße Magnete. Man durchquert Hallen mit Apparaten, die so groß sind wie Kirchen und schwer wie 2000 Elefanten. Erst nach 27 Kilometern hat man den riesenhaften Ring durchwandert und erreicht wieder seinen Ausgangspunkt.

Der LHC ist kein Platz für Einzelkämpfer. Schon der Bau kostete über drei Milliarden Euro - so viel, dass 26 Länder Geld zusammengelegt haben, um ihn zu errichten. Und er ist so kompliziert, dass nur große Forscherteams daran arbeiten können.

Wozu braucht man so ein Ding? Überraschenderweise suchen die Physiker mit dem Monster nach den winzigsten Partikeln der Welt, sogenannten Elementarteilchen. Diese sind so klein, dass man sie mit keinem Mikroskop sehen kann. Stellt euch vor, ihr schrumpft die Sonne auf den Punkt am Ende dieses Satzes. Dann verkleinert ihr den Punkt noch einmal so stark wie zuvor die Sonne - etwa so groß sind Elementarteilchen.

Die Suche nach den Elementarteilchen

Was ist an den Gebilden so spannend? Ganz einfach: Die Forscher glauben, dass aus ihnen unser ganzes Universum aufgebaut ist: alle Menschen und Blumen, Planeten und Sterne. Die Frage, woraus die Welt im Innersten besteht, beschäftigt die Menschen schon lange. Die alten Griechen etwa grübelten bereits vor rund 2400 Jahren darüber. Dem Philosophen Demokrit fiel damals auf, dass er einen Apfel mit einem Messer in immer kleinere Stücke schneiden konnte. Aber könnte man ewig so weitermachen? Demokrit vermutete, nein. Er dachte, dass man irgendwann zu festen Kügelchen kommen würde, die niemand mehr teilen könnte. Er nannte sie Atome, nach dem griechischen Wort "atomos" - unteilbar.

Kleinste Teilchen der Welt

Diese Vorstellung hatten die Menschen noch vor gut 100 Jahren. Dann machten Physiker eine Reihe aufregender Entdeckungen. Der Neuseeländer Ernest Rutherford etwa beschoss eine Goldfolie mit radioaktiver Strahlung - und sah, dass fast die ganze Strahlung hindurchging. Rutherford folgerte daraus: Die Atome müssen praktisch leer sein. Von wegen feste, unteilbare Kügelchen!

Nun drangen die Forscher in immer kleinere Dimensionen vor. Sie entdeckten, dass das Atom aus einem Kern besteht, um den Elektronen kreisen wie die Planeten um die Sonne. Der Kern selbst besteht aus zwei Sorten von Teilchen, Protonen und Neutronen. Die wiederum sind aus jeweils drei Quarks aufgebaut (siehe Infokasten).

Infokasten: Woraus die Welt besteht und was sie zusammenhält

Egal wie groß etwas ist: Alles in unserer Welt besteht aus kleinen Teilchen, die wiederum aus noch kleineren Bausteinen bestehen. Wenn wir etwa einen Menschen einige Millionen Mal vergrößerten, sähen wir Abermilliarden von Molekülen. Diese bestehen wiederum aus Atomen.

Atome haben in der Mitte einen Kern, um den herum Elektronen kreisen. Der Atomkern ist aus Protonen und Neutronen zusammengesetzt. In jedem davon stecken wiederum drei Quarks. Von diesen kleinsten Bausteinen, die bis heute entdeckt wurden, gibt es insgesamt sechs verschiedene Arten. Sie tragen seltsame Namen wie Up oder Down. Manchmal unterscheiden die Forscher sie auch einfach durch Symbole wie Dreiecke oder Herzen.

Physiker interessieren sich auch für die Kräfte, die unsere Welt zusammenhalten. Bis heute haben sie vier gefunden: Die Gravitation sorgt dafür, dass sich Körper anziehen. Sie lässt uns auf den Boden zurückfallen, wenn wir in die Luft springen. Die elektromagnetische Kraft wirkt nur auf geladene Teilchen. Sie ist etwa die Ursache dafür, dass sich in einem Atom negativ geladene Elektronen und der positiv geladene Kern anziehen.

Dadurch bekommen Dinge ihre Festigkeit. Die schwache Kernkraft lässt Atomkerne zerfallen - dieses Phänomen ennt man Radioaktivität. Die vierte Kraft ist die starke Kernkraft oder Farbkraft. Man kann sie sich als Klebstoff vorstellen, der Quarks zusammenhält. Ohne sie würden sich die Winzlinge nie zu Protonen und Neutronen verbinden.

Bis heute haben Wissenschaftler einen ganzen Zoo solcher Miniteilchen entdeckt. Sie tragen komische Namen wie Up-Quark (gesprochen: App-Kwork), Neutrino oder Myon. Aber noch immer glauben Forscher, dass sich viele Teilchen verstecken. Etwa die "Dunkle Materie" (siehe Infokasten), die überall im Weltall umherwabern und die Galaxien zusammenhalten soll wie unsichtbarer Klebstoff.

Infokasten: Dunkle Materie

Wenn Sternenforscher die Galaxien im Weltall beobachten, sind sie oft am Verzweifeln. Viele dieser Kreisel drehen sich nämlich schneller, als sie es nach den Gesetzen der Physik dürften. Die Schwerkraft der Abermilliarden Sterne, aus denen sie bestehen, reicht bei Weitem nicht aus, um die wirbelnden Gebilde zusammenzuhalten. Die Wissenschaftler folgern deshalb, dass die Galaxien nicht nur aus Sternen bestehen. Zwischen ihnen muss ein unsichtbarer Stoff treiben: Sie nennen ihn dunkle Materie. Mit etwas Glück wird auch sie in Form irgendwelcher Teilchen bei den Experimenten am LHC auftauchen.

Oder die "Higgs-Teilchen". Darunter stellen sich Physiker eine Art unsichtbaren Matsch vor. Er haftet an allen Dingen und verleiht ihnen Masse. Ohne Higgs-Teilchen, behaupten manche Experten, wären wir so leicht wie Lichtstrahlen! Mit dem LHC wollen sie all den rätselhaften Teilchen nun auf die Spur kommen.

Infokasten: Higgs-Teilchen

Die Physiker am CERN suchen Antworten auf viele knifflige Fragen: Wie etwa sah das Weltall kurz nach seiner Geburt, dem sogenannten Urknall, aus? Gibt es neben den bekannten Teilchen vielleicht doch noch weitere, die bisher unentdeckt geblieben sind? Und warum haben Dinge überhaupt eine Masse? Überraschenderweise kann heute noch niemand ganz genau erklären, warum etwa Blei schwer und träge ist - während Licht masselos mit 300 000 Kilometer pro Sekunde durch die Welt flitzt.

Die meisten Wissenschaftler am CERN machen dafür das Higgs-Teilchen verantwortlich (benannt nach dem englischen Physiker Peter Higgs). Das stellen sie sich als eine Art unsichtbaren Matsch vor, der an manchen Stoffen - etwa Blei - gut kleben bleibt und diese schwer macht. Andere - wie das Licht - belastet er dagegen nicht. Noch hat niemand solch ein Higgs-Teilchen gefunden. Doch die Forscher hoffen, dass es während der Versuche im neuen Teilchenbeschleuniger auftaucht.

Teilchencrash für neue Erkenntnisse

Doch wie findet man heraus, ob sich hinter den bekannten Bausteinen noch andere verbergen? Oder in ihnen drin? Stellt euch vor, ihr habt eine Weintraube und wollt wissen, ob sie Kerne enthält. Was tut ihr? Klar, ihr haut drauf - die Traube platzt, und ihr könnt sehen, was sich innen befindet. So ähnlich machen es die Wissenschaftler: Sie schießen Elementarteilchen aufeinander und schauen nach, welche Stücke nach dem Aufprall davonfliegen.

Das Problem dabei: Die Protonen im Beschleunigerring sind super stabil. Sie gehen erst kaputt, wenn sie fast mit Lichtgeschwindigkeit aufeinanderstoßen - bei knapp 300 000 Kilometer pro Sekunde! Eben dafür ist der LHC gebaut. Er ist nichts anderes als eine riesige Rennstrecke, in der die Teilchen beschleunigt werden, aufeinanderprallen und zerplatzen. Und aus diesem Crash tauchen dann neue Bausteine auf.

Spurensuche mit gigantischen Apparaten

Doch wie erkennt man, was entstanden ist? Das Ganze geht nämlich - anders als bei der Weintraube - ziemlich schnell vonstatten: Ein Knall, und unsichtbare Bruchstücke zischen in einer Millionstelsekunde in alle Richtungen davon. Wie soll man die erkennen?

Auch hier haben die Wissenschaftler einen raffinierten Trick gefunden. Um ihn zu verstehen, könnt ihr an eine Horde unterschiedlicher Zootiere denken, die in tiefschwarzer Nacht an euch vorbeistürmt. Ihr seht keines, trotzdem könnt ihr ihnen auf die Schliche kommen - zum Beispiel durch die Fußabdrücke. Wenn man große, tiefe Spuren im Boden findet, könnten die von Elefanten stammen. Kleine vielleicht von Hasen.

Dieselbe Taktik verfolgen die Forscher am LHC. Nur dass sie nicht selbst Spuren suchen, das übernehmen vier Hochleistungs-Detektoren. Das sind die Riesengeräte in den Hallen. Sie sind wie Zwiebeln um die Orte aufgebaut, an denen die Zusammenstöße stattfinden. In vielen Schichten, in denen den Teilchen allerlei "Fallen" gestellt werden: Da gibt es Stoffe, die Lichtblitze aussenden, wenn sie getroffen werden; mit Gas gefüllte Kammern, in denen hindurchsausende Partikel Spuren hinterlassen ähnlich wie Flugzeuge Kondensstreifen am Himmel.

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Der Teilchenbeschleuniger des CERN liegt rund 100 Meter tief im Erdboden. Fahrstühle führen hinab zu seinen beiden Ringen. Im kleineren werden die Teilchen vorbeschleunigt, ehe sie auf die 27 Kilometer lange Hauptstrecke fliegen. Bei solchen Entfernungen ist es kein Wunder, dass die Forscher mit Fahrrädern unterwegs sind

Neue Erkenntnisse - und Rätsel

Die Forscher bekommen von den Teilchen auf diese Weise jede Menge Indizien, aus denen sie Informationen über die geisterhaften Flüchtlinge ableiten: Wie schwer sind sie und wie schnell? Sind sie elektrisch geladen? Und mit etwas Glück kommen sie vielleicht zu dem Ergebnis: Aha, hier muss ein Higgs-Teilchen gewesen sein! Oder: super, Dunkle Materie! Und wenn die Wissenschaftler am LHC in den nächsten Jahren nichts finden? Macht auch nichts, sagen viele Physiker am CERN. Das wäre sogar noch interessanter. Dann hätten wir ganz viele neue Rätsel, die wir lösen könnten!

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