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Missing Link: Milliardenplan für neuen Teilchenbeschleuniger – nutzt das der Physik?

Am LHC am CERN wurde das Higgs entdeckt, nicht viel mehr. Jetzt soll ein größerer Teilchenbeschleuniger folgen. Sabine Hossenfelder fordert ein Innehalten.

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Missing Link: Milliardenplan für neuen Teilchenbeschleuniger – Muss das sein?

(Bild: CERN)

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Zwischen dem Genfer See und dem Schweizer Jura, 100 Meter unter dem Boden, verläuft ein 27 Kilometer langer Tunnel im Kreis – darin: Heliumgekühlte, supraleitende Magnete. Dort werden Protonen bis nahezu auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und kontrolliert zur Kollision gebracht. Detektoren fangen dann die bei der Kollision entstandenen Teilchen auf und untersuchen sie. So ein Detektor kann schon mal ein paar Tausend Tonnen wiegen.

Sabine Hossenfelder

© Joerg Steinmetz

Sabine Hossenfelder ist theoretische Physikerin und widmet sich in ihrer Arbeit vor allem der Quantengravitation und der Physik jenseits des Standardmodells. Gegenwärtig ist sie Research Fellow am Frankfurt Institute for Advanced Studies. Ende September erschien ihr Buch "Das hässliche Universum".

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Wenn die Protonenstrahlen kollidieren, entstehen riesige Datenmengen, die von Supercomputern verarbeitet und ausgewertet werden. Die Computer berechnen, welche Teilchen in welcher Menge in welche Richtung geflogen sind. Davon erhoffen sich Physiker Erkenntnisse über den Aufbau der Materie.

Seit 2009 wird dieser "Große Hadronenbeschleuniger" (LHC) von der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN) in Genf betrieben. Mit Kosten von etwa 5 Milliarden Euro ist der LHC eines der teuersten Experimente, das je aufgebaut wurde. Und dabei war der Bau noch billig, denn das CERN verwendete dazu den bereits vorhandenen Tunnel eines älteren Beschleunigers. In die 5 Milliarden sind die laufenden Kosten nicht eingerechnet. Das sind nochmal etwa 1 Milliarde Euro pro Jahr.

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Was haben wir nun gelernt vom LHC? Im Jahr 2012 verkündete das CERN, man habe das Higgs-Boson gefunden. Dieses elementare Teilchen wurde in den 60er Jahren vorhergesagt. Es wird gebraucht, um zu erklären, warum andere elementare Teilchen Masse haben. Die Bestätigung der Higgs-Theorie war ein großer Triumph der Wissenschaft.

Neben dem Higgs-Boson haben Physiker am LHC einige neue nicht-elementare Teilchen gesehen, die aus bekannten elementaren Teilchen zusammen gesetzt sind. Diese zusammengesetzten neuen Teilchen sind alle instabil und zerfallen bevor sie überhaupt den Detektor treffen. Man rekonstruiert sie dann aus den Zerfallsspuren. Der LHC hat Physikern auch geholfen, die Struktur des Protons besser zu verstehen und die Eigenschaften von einigen Teilchen, zum Beispiel Massen und Zerfallszeiten, besser zu bestimmen. Die Teilchenphysiker sind glücklich.

Doch was nun? Das Higgs-Boson war das letzte fehlende Teilchen im "Standardmodell der Teilchenphysik." Dieses Standardmodell sieht so ähnlich aus wie das Periodensystem, funktioniert aber komplett anders. Das Standardmodell geht nämlich nicht immer weiter, in immer wieder neuen Reihen; es ist irgendwann einfach komplett. Irgendwann, das war 2012.

Die Teilchenphysiker hoffen dennoch, dass es weitere Teilchen zu entdecken gibt, und dafür möchten sie nun gerne einen größeren Beschleuniger. Daher legte eine Internationale Arbeitsgruppe vergangenen Monat Pläne für den "Future Circular Collider" (FCC) vor. Der am CERN angesiedelte FCC bräuchte einen neuen Kreistunnel, diesmal mit 100 Kilometer Umfang, und außerdem neue Magnete und bessere Detektoren. Geschätzte Kosten: 20 Milliarden Euro.

Pläne für den Future Circular Collider (FCC) (11 Bilder)

Hier soll der FCC verlaufen.
(Bild: CERN)


Es ist inzwischen klar: Der LHC hat die Hoffnungen vieler Forscher nicht erfüllt, zumindest nicht bisher. Die Physiker Lawrence Krauss, Robert Dijkgraaf, Lisa Randall, und auch der Nobelpreisträger Gerard ’t Hooft haben ihre Enttäuschung öffentlich kund getan. Sie geben die allgemeine Stimmung in der Teilchenphysik wieder. Das Higgs zu finden war zwar die Hauptmotivation für den LHC, aber viele Physiker hofften auf mehr. Seit Jahrzehnten hatten sie vom Entdeckungspotenzial des Superbeschleunigers geschwärmt. Der Teilchenphysiker Adam Falkowski drückte es 2017 so aus: "Das Gefühl [in der Teilchenphysik] ist im besten Fall Verwirrung und im schlimmsten Fall Depression."

Am vielversprechendsten fanden Physiker die sogenannte "Supersymmetrie". Laut dieser Hypothese gibt es zu jedem bekannten Teilchen ein Partnerteilchen mit größerer Masse. Weil die Partnerteilchen jedoch große Massen haben, braucht man große Energien, um sie zu produzieren. Man braucht halt einen Riesenbeschleuniger. Der Theorie der Supersymmetrie wird eine herausragende Schönheit zugesagt. Seit den 80er Jahren wurden tausende von Fachartikeln über supersymmetrische Teilchen geschrieben. Gesehen hat man noch keins.

Weitere populäre Ideen für tolle Dinge, die der LHC finden sollte, waren zusätzliche Raumdimensionen und winzige schwarze Löcher und Teilchen, die die sogenannte "Dunkle Materie" ausmachen (aus der laut Astrophysikern 85% der gesamten Materie des Universums besteht). Man erhoffte sich des Weiteren Einsichten zur Dunklen Energie und zu der Frage, warum das Universum mehr Materie als Antimaterie enthält.

Deshalb verschieben die Teilchenphysiker ihre Hoffnungen jetzt auf den nächstgrößeren Beschleuniger. Die Methode ist nicht neu. Schon im Jahre 1996 schrieben die Stringtheoretiker David Gross und Edward Witten im Wall Street Journal: "Es gibt eine große Wahrscheinlichkeit, dass Supersymmetrie, wenn sie die Rolle spielt, die Physiker vermuten, im kommenden Jahrzehnt bestätige wird." Das war wohl zu optimistisch.

Im Jahre 2004 schrieb Fabiola Gianotti – die derzeit amtierende Direktorin des CERN – von Theorien wie der Supersymmetrie und zusätzlichen Raumdimensionen. Diese, so Gianotti, seien eine "starke Motivation für eine Maschine wie den LHC, der in der Lage ist, diesen Energiebereich direkt und im Detail zu untersuchen". 2007 meinte der Teilchenphysiker Michael Dine ganz ähnlich in Physics Today, dass der LHC "entweder eine spektakuläre Entdeckung machen, oder die Supersymmetrie vollständig ausschließen wird." Man erwartete, dass der LHC die neuen Teilchen sofort sieht.

Dann fing der LHC an zu messen, doch die neuen Teilchen tauchten nicht auf. Physiker trösteten sich, dass es vielleicht doch nicht so einfach sei und man eben auf mehr Daten warten müsste. Noch im Jahr 2012 schrieb der Teilchenphysiker Gordon Kane in Nature: "Die Eigenschaften und die Masse des am LHC gefundenen Higgs-Boson legen nahe, dass Physiker bald die supersymmetrischen Partnerteilchen finden werden, und dass wir begonnen haben, Stringtheorie mit der Realität zu verbinden."

Inzwischen ist es 2019 und nichts dergleichen ist passiert. Laut den Theorien der Teilchenphysiker hätte der LHC die neuen Teilchen lange sehen sollen. Wir wissen daher jetzt, dass die zuvor gemachten Vorhersagen alle falsch waren.

Natürlich könnte trotzdem noch etwas zu finden sein, entweder in den Daten, die noch nicht ausgewertet sind, oder in der nächsten Phase der Experimente. Es könnte auch etwas sein, was keiner vorhergesagt hat.

Aber je länger der LHC läuft, und je mehr Messungen gesichtet wurden, ohne etwas Neues zu finden, desto klarer machen uns die Physiker, dass man ihre schönen Theorien nicht ausschließen kann. Die Teilchen könnten ja einfach noch mehr Masse haben, als gedacht. Und um das zu testen, braucht man einen größeren Beschleuniger.

2008 war der Teilchenphysiker Howard Baer noch besorgt, dass das Signal der neuen Teilchen am LHC so dominant sein könnte, dass es die Kalibrierung der Detektoren ruinieren würde. Heute schreibt er, dass man nicht erwarten sollte, dass der LHC schon Teilchen hätte finden sollen. Die könnte man erst bei höheren Energien sehen.