Large Hadron Collider (LHC) am CERN

Der Large Hadron Collider (LHC) ist mit 27 Kilometern der größte Teilchenbeschleuniger, der jemals gebaut wurde. Betrieben wird dieses Großgerät, das den Beinamen „Weltmaschine“ trägt, von der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN).

27 Kilometer lang und bis zu 175 Meter unter der Erde: Der LHC ist der größte Teilchenbeschleuniger der Welt.
27 Kilometer lang und bis zu 175 Meter unter der Erde: Der LHC ist der größte Teilchenbeschleuniger der Welt. © cern

Der Large Hadron Collider LHC ist mit einem Umfang von 27 Kilometern der größte und leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger, der jemals gebaut wurde. Sein ringförmiger Tunnel liegt hundert Meter tief unter dem Grenzgebiet zwischen der Schweiz und Frankreich. Betrieben wird dieses gigantische Großgerät, das auch den Beinamen „Weltmaschine“ trägt, von der Europäischen Organisation für Kernforschung CERN in der Nähe von Genf.

Am Large Hadron Collider (LHC) werden Protonen oder Blei-Ionen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt, um sie bei extrem hohen Energien aufeinanderprallen zu lassen. In den Kollisionen entstehen neue winzige Teilchen, die Spuren in den angeschlossenen Detektoren hinterlassen. Indem Wissenschaftler diese Spuren auswerten, können sie neue Erkenntnisse über die kleinsten Bausteine der Materie – die Elementarteilchen – und die Gesetze, denen sie folgen, gewinnen.

Mit fast doppelter Kollisionsenergie

Aber selbst eine Weltmaschine braucht von Zeit zu Zeit eine Wartung. So wurde der LHC Anfang 2013 nach drei Jahren Laufzeit für Instandsetzungsarbeiten und technische Erweiterungen abgeschaltet. Die CERN-Technikerinnen und -Techniker haben diese Auszeit genutzt, um die Messinstrumente und die Beschleunigerkomponenten am LHC zu optimieren und für höhere Energien und Datenraten vorzubereiten. Im Mai 2015 hat der LHC wieder seine Arbeit aufgenommen – er lässt die Protonen mit einer fast doppelt so hohen Energie zusammenstoßen wie zuvor. Der Teilchenbeschleuniger schafft in der zweiten Laufzeit 13 und später sogar 14 Teraelektronenvolt. Zudem können mehr Teilchen pro Zeit und Fläche kollidieren. Damit erhöht sich die Zahl der Zusammenstöße, die sich in den Experimenten auswerten lassen – noch mehr Daten, die die Rätsel der Physik entschlüsseln sollen.

Die Grenzen der Teilchenphysik

In den 1960er Jahren wurde eine Theorie entwickelt, die alle bekannten Elementarteilchen sowie die zwischen ihnen wirksamen Grundkräfte beschreibt: das Standardmodell der Teilchenphysik. Seither wurden viele seiner Voraussagen in Experimenten bestätigt. Dennoch gibt es offene Fragen und Phänomene, die das Standardmodell nicht erklären kann.

Das Higgs-Teilchen wurde 2012 mithilfe des LHC entdeckt. Durch Wechselwirkung mit dem Higgs-Teilchen erhalten andere Elementarteilchen überhaupt erst ihre Masse. Für die Theorie vom Higgs-Teilchen haben Peter Higgs und François Englert den Nobelpreis für Physik 2013 erhalten.

So war etwa lange Zeit nicht klar, woher die Teilchen eigentlich ihre Masse haben. Einige Wissenschaftler stellten die Hypothese eines besonderen Feldes auf, das unser gesamtes Universum durchdringt und mit einem neuartigen Teilchen, dem Higgs-Teilchen, verknüpft sein soll. Tatsächlich wurde im Juli 2012 am LHC die Entdeckung dieses Teilchens bekanntgegeben – ein Meilenstein der Teilchenphysik. Den Vätern der Vorhersage dieses Teilchens, Peter Higgs und François Englert, wurde in der Folge der Nobelpreis für Physik des Jahres 2013 verliehen. Im nächsten Schritt wollen die LHC-Forscherinnen und -Forscher die Eigenschaften des Higgs-Teilchens genauer untersuchen.

Woraus besteht unser Universum?

Das uns umgebende Weltall gibt ebenfalls Rätsel auf. Nach heutiger Kenntnis bestehen rund 27 Prozent des  Universums aus einem Stoff, der zwar der Gravitationskraft unterliegt, sonst aber bisher unsichtbar für alle Messungen ist. Man nennt ihn „Dunkle Materie“. Weitere 68 Prozent des Universums sind die sogenannte Dunkle Energie – nach astronomischen Beobachtungen muss es sie geben, aber ihre Natur ist unbekannt. Mit dem Standardmodell der Teilchenphysik lassen sich demnach nur knapp 5 Prozent des Universums beschreiben! Ebenso fragen sich Physikerinnen und Physiker, wo die Antimaterie geblieben ist, die beim Urknall zum gleichen Teil wie Materie entstanden sein muss. Denn zu jedem Teilchen gehört nach heutiger Kenntnis ein Antiteilchen, das bis auf seine Ladung genau die gleichen Eigenschaften hat. Im heutigen Universum ist aber die Antimaterie fast verschwunden.

Die Experimente am LHC könnten Hinweise zur Lösung dieser und anderer Schlüsselfragen der Physik liefern, bis hin zu exotischen Teilchen und neuen Raumdimensionen. Der LHC vermag sogar einen Zustand der Materie herzustellen, wie er Millionstel Sekunden nach dem Urknall herrschte: ein heißer Quantenbrei, in dem die sonst gebundenen Bestandteile von Protonen, Neutronen und anderen Teilchen als sogenanntes „Quark-Gluonen-Plasma“ umherschwirren. Dieser Zustand wird am LHC durch Kollisionen von fast lichtschnellen Blei-Ionen erzeugt.

Luftbild des Forschungszentrums CERN. Eingezeichnet ist der Verlauf des LHC.
Luftbild des Forschungszentrums CERN. Eingezeichnet ist der Verlauf des LHC. © CERN

Das CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) wurde 1954 gegründet und war eines der ersten europäischen Projekte der Großforschung. Heute beteiligen sich insgesamt 21 Mitgliedsstaaten an der Finanzierung des Forschungszentrums. Deutschland übernimmt mit 182 Millionen Euro im Jahr rund 20 Prozent des CERN-Haushaltes, gefolgt von Frankreich und Großbritannien mit jeweils 15 und 14 Prozent. Darüber hinaus fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung mit rund 25 Millionen Euro pro Jahr Projekte der sogenannten Verbundforschung am LHC und am CERN. Dank der Verbundforschung können deutsche Universitäten und Forschungseinrichtungen die CERN-Anlagen nicht nur für eigene Experimente nutzen, sondern auch laufend weiterentwickeln. Insgesamt sind mehr als 1000 deutsche Forscherinnen und Forscher an den CERN-Experimenten beteiligt.