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Hochenergiephysik: Was die Welt im Innersten zusammenhält

Wie kommt die Masse in unsere Welt?

Die Teilchenphysik erforscht die kleinsten Dinge unserer Welt: Sie sucht nach der innersten Struktur von Materie, Raum und Zeit sowie nach den Gesetzen, die den fundamentalen Kräften des Universums zu Grunde liegen. Nach allem, was wir heute wissen, sind Leptonen und Quarks die kleinsten Bausteine unserer Welt. Zwischen ihnen herrschen vier fundamentale Kräfte: Neben der bekannten Schwerkraft und dem Elektromagnetismus sind das die schwache Kraft, die Atomkerne radioaktiv zerfallen lässt, und die starke Kraft, durch welche die Quarks in den Nukleonen und diese in den Atomkernen zusammen gehalten werden.

Diese Erkenntnisse konnten nur gewonnen werden, weil im letzten Jahrhundert immer stärkere Mikroskope in Form großer Teilchenbeschleuniger für die Hochenergiephysik gebaut werden konnten. Die dadurch erzeugten sehr hohen Energien der Elementarteilchen waren nötig, um in die kleinsten Dimensionen unserer Welt überhaupt vordringen zu können. Jede dieser Anlagen stellt Ingenieure und Physiker vor enorme Herausforderungen. Ihr Bau war und ist deshalb immer mit vielen technologischen Innovationen verbunden.

Trotz der großen Erkenntnisgewinne der letzten Jahrzehnte sind eine Reihe grundlegender Fragen immer noch offen:

• Wie erhalten die elementaren Teilchen ihre Masse, das heißt, wie kommt die Masse in unsere Welt?
• Was ist der Ursprung der Masse der elementaren Bausteine der Materie?
• Weshalb gibt es genau drei Familien von Teilchen und weshalb ist die Ladung des Protons genau gleich der Ladung des Elektrons?
• Gibt es eine Universalwechselwirkung, aus der die vier bekannten fundamentalen Kräfte entspringen?
• Gibt es bisher unbekannte Formen von Materie, eine neue Welt supersymmetrischer Teilchen zum Beispiel? Sind sie die Erklärung für die Dunkle Materie im Universum?
• Welcher Natur ist die Dunkle Energie, die das Universum beschleunigt expandieren lässt?
• Gibt es verborgene Dimensionen zusätzlich zu den bekannten drei räumlichen Dimensionen?

Projekte

Im Oktober 2008 wurde der Large Hadron Collider (LHC) auf dem Gelände der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN) in Genf eingeweiht. In dem fast 30 km langen Ringbeschleuniger werden Protonen auf  bisher unerreichte Energien beschleunigt. Der LHC ist eine der größten Anlagen der Grundlagenforschung, die je gebaut wurde. Mit seinen vier Experimenten ALICE, ATLAS, CMS und LHCb hat der LHC ein herausragendes Potential, in den nächsten Jahren grundlegend neue Erkenntnisse zu gewinnen und aufregenden Entdeckungen über die innerste Struktur der Materie und deren fundamentalen Kräfte zu machen. Tausende Teilchenphysikerinnen und -physiker aus aller Welt forschen an den Experimenten am LHC. Aktuelle Forschungs- und Entwicklungsarbeiten beschäftigen sich auch mit einer Leistungssteigerung des LHC-Beschleunigers und seiner Detektoren, um das Physikpotential des LHC voll ausnutzen zu können. Weltweit finden bereits strategische Planungen und Vorarbeiten für die nächste Generation von Teilchenbeschleunigern statt.

Die Teilchenphysik nutzt komplementäre Methoden bei der Suche nach neuen Erkenntnissen. Zum Beispiel wird mit Präzisionsexperimenten bei niedrigeren Energien nach Abweichungen von den Erwartungen des Standardmodells gesucht (Flavor-Physik, Neutrino-Physik).

CERN-Forscher entdecken neues Teilchen

Aufnahme eines Vorgangs am Large Hadron Collider mit möglichen Hinweisen auf Higgs-Teilchen © CERNAm 13. Dezember 2011 verkündeten Wissenschaftler am Europäischen Beschleunigerzentrum CERN, man habe womöglich erste Spuren des lange gesuchten Higgs-Teilchens erspäht. Am 4. Juli 2012 schließlich veröffentlichte CERN neue Forschungsdaten des weltgrößten Teilchenbeschleunigers Large Hadron Collider (LHC), die zwischen April und Mitte Juni mit den Experimenten ATLAS und CMS gesammelt wurden. Dabei war den Forschern die spektakuläre Entdeckung gelungen: ein Teilchen mit einer Masse von 125 GeV/c².

GeV steht für "Gigaelektronenvolt", also Milliarden Elektronenvolt, und GeV/c² ist eine Masseneinheit der Elementarteilchenphysik. 1 GeV/c² entspricht etwas mehr als der Masse des Wasserstoffatoms. Die Fehlerwahrscheinlichkeit bei dieser Entdeckung liegt bei unter eins zu einer Million. Allerdings können die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler noch keine endgültigen Aussagen über die Art des Teilchens machen, obwohl einiges dafür spricht, dass es sich um das lang gesuchte Higgs-Teilchen handelt. Weitere umfangreiche Untersuchungen werden zeigen, ob es sich tatsächlich um den letzten noch fehlenden Baustein des Standardmodells handelt oder ob sie etwas gänzlich Unerwartetes gefunden haben. Beides wären große Entdeckungen in der Teilchenphysik.

Gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) war Deutschland von Anfang an maßgeblich an der Planung, Konstruktion und Finanzierung des LHC - des Teilchenbeschleunigers am CERN - beteiligt. Die Europäische Organisation für Kernforschung CERN ist das größte Teilchenforschungslabor der Welt. Heute sind 20 europäische Länder am CERN beteiligt. Der Jahresetat 2011 betrug knapp 900 Millionen Euro. Deutschland ist der größte Geldgeber - rund jeder fünfte Euro kommt aus Deutschland.
Seit 2009 ist der deutsche Teilchenphysiker Rolf-Dieter Heuer Generaldirektor des CERN. Im Interview beantwortet er Fragen zum Teilchenbeschleuniger LHC und erklärt, was die Entdeckung des Higgs-Bosons für die Physik bedeuten würde. Weitere Informationen zum CERN erhalten Sie auch auf http://www.weltmaschine.de/