Beam Me Up, Scotty (Teil 2) (Nachtrag)
Der LHC erklärt vom deutschen Physiker und Sprecher des ALICE-Eperiments Jürgen Schukraft.
Der Beschleuniger ist gefüllt mit Bündeln von Protonen, die bei nahezu Lichtgeschwindigkeit ringförmig geschleudert werden. In jedem dieser Bündel sind 10 Millarden Protonen. Der eine Strahl läuft im Uhrzeigersinn, der andere gegen den Uhrzeigersinn und beide treffen sich an jedem dieser vier Interaktionspunkte. Also geht die Milliarde von Protonen der einen Seite durch die Milliarde von Protonen der anderen Seite durch und so passiert es, das ein Proton der einen Seite eventuell auf ein Proton der anderen Seite trifft und dann gibt es eine Kollision. Und dann setzt der Strahl seinen Weg fort und umkreist ungefähr 10000 mal pro Sekunde diese 27 Kilometer.
Man kann eine mittlere Wahrscheinlichkeit abschätzen und da die Strahlen 10000 mal pro Sekunde durch einander durchgehen, selbst wenn sie sich nur ganz selten treffen, dann passiert es trotzdem unter den jetzigen Umständen vielleicht 10 mal pro Sekunde. Aber später, wenn die Maschine mit mehr Protonen gefüllt ist – momentan ist sie ja praktisch noch leer, denn wir müssen die Maschine erst langsam hochfahren und verstehen wie sie funktioniert – dann gibt es bis zu 40 Milliarden Kollisionen pro Sekunde, dass ist allerdings erst in einem Jahr. Mittlerweile passiert es mit einer Rate von 10 mal pro Sekunde. Dies steht im Verhältnis zur Anzahl der Protonen, die in der Maschine sind. Und außerdem kann man den Strahl natürlich auch fokussieren, damit die beiden Bündel sich besser treffen. Dann ist das ganze dichter, und je dichter dies von den Magneten gemacht wird, desto wahrscheinlicher ist es, das sich zwei Protonen einander treffen.
Was beim LHC sehr einmalig ist: Wir können drei verschiedene Forschungsrichtungen gleichzeitig machen – mehr oder weniger gleichzeitig, aber in der gleichen Maschine. Das eine ist die Hochenergiegrenze. Also da werden die Protonen bei der höchsten Energie beschleunigt und stoßen dann zusammen. Bei diesem Zusammenstoß kann ihre Energie in Masse umgewandelt werden (e=mc^2). Und wenn so ein Proton auf ein anderes mit so einer hohen Energie trifft, wird ihre Energie in Masse umgewandelt – das Higgs-Boson oder die Teilchen der dunklen Materie, etc. – aber das wissen wir noch nicht, dass wollen wir herausfinden.
Die Existenz des Higgs-Boson ist jedoch keine reine Spekulation. Wir wissen, dass unsere jetzigen Formeln und Gleichungen vorhersagen, dass alle Teilchen masselos sind. Und das ist natürlich völlig falsch. Jeder menschliche Körper hat eine mehr oder weniger erhebliche Masse. Alles ist schwer. Aber wir haben noch keine Ahnung, wo diese Masse, dieses Gewicht herkommt. Irgendetwas muss dafür verantwortlich sein. Manche Teilchen sind auch masselos, wie zu Beispiel die Photonen. Lichtteilchen haben keine Masse.
Manche Teilchen, wenn sie sich nicht bewegen, also in einem Ruhesystem sind, auch eine Masse haben. Und wir wissen, dass ein Teilchen, dass Muon heisst, dass wir bei der Höhenstrahlung sehen, auch eine gewisse Masse hat, selbst wenn es sich überhaupt nicht bewegt. Das kann man sehr genau messen, auch das Elektron hat eine Masse. Aber wir wissen nicht, welche Kräfte oder welche physikalischen Formulierungen für diese Masse verantwortlich sind. Jetzt haben sich Theoretiker überlegt, was der Grund sein könnte. Eine Idee ist, dass es ein Teilchen gibt, das überall im Universum ist, jederzeit, also auch hier drin, und das dieses Teilchen alle anderen Teilchen verlangsamt. Und das erscheint uns als Masse. Das ist, wie wenn man auf der Straße rennt, wo man schnell rennen kann. Wenn man im Sumpf rennt, dann hält einen der Sumpf zurück, dann ist es viel schwieriger. Und dieses Higgs-Teilchen ist der Sumpf, durch den alle anderen Teilchen durchmüssen. Das ist eine Spekulation, denn irgendetwas muss diesen Teilchen Masse geben. Und wenn es dieses Higgs-Boson ist, dann müssen wir es eben finden. Wir haben eine Vorstellung davon, wie schwer es sein sollte.
Das Higgs-Boson ist ein ganz wesentlicher Baustein des Universums. Manche nennen es auch das Gottteilchen, weil es immer und überall vorhanden ist und allem anderem seine Masse gibt. Für die Erforschung von Higgs ist hauptsächlich ATLAS und CMS zuständig.
Ein drittes Experiment ist das LHCb. Hier wird untersucht, warum es in der Natur einen Unterschied zwischen Materie und Antimaterie gibt. Anfang des letzten Jahrhunderts sagten Gleichungen voraus, dass es nicht nur Materieteilchen gibt, sondern auch Ihre Partner, die Antimaterieteilchen. Damals war die Antimaterie nicht bewiesen. Die Physiker haben gesagt, entweder ist die Gleichung falsch, oder es gibt für jedes Teilchen ein Spiegelteilchen, das alle die gleichen Eigenschaften hat, bis auf die Tatsache, dass es auch Antimaterie besteht. Wenn ein Teilchen und ein Antiteilchen sich treffen, dann vernichten diese sich in Energie. Und umgekehrt, wenn man Energie nimmt, kann man auch ein Teilchen und ein Antiteilchen erzeugen. Schauen wir uns die Gleichung wieder an, wir haben die Antimaterie gefunden, aber die Gleichungen sagen, dass in jeder dieser Reaktionen genau so viel Materie wie Antimaterie entsteht. Das Problem ist also, es sollte genau so viel Materie wie Antimaterie im Universum sein. Und wenn Sie sich umschauen, glücklicherweise sind wir alle aus Materie. Wenn wir alle aus Antimaterie wären, würden wir keinen Unterschied feststellen. Die Elemente wären gleich, alles wäre gleich. Nur wenn sich Materie und Antimaterie treffen – also wenn eine Person aus Antimaterie ist, eine andere Person aus Materie, dann könne die beiden problemlos miteinander reden. Aber wenn sie sich die Hand geben, dann gibt es einen Knall. Dann vernichten sie sich, das ist also nicht so gut. Aber im Universum gibt es nur ganz wenig Antimaterie und sehr viel Materie. Der Fehler: Unsere Gleichung sagen dass ist eigentlich nicht richtig, es gibt jeweils genau so viel. Irgendeinen Prozess muss es geben, der ganz am Anfang von Universum gewirkt hat, der ein bisschen mehr Materie erzeugt hat als Antimaterie. Man hat sogar gemessen wie viel. Als das Universum ganz jung war, muss es einen Prozess gegeben haben, der für eine Milliarde Teilchen Antimaterie eine Milliarde und ein Teilchen Materie erzeugt hat. Und diese Milliarde Materie und Antimaterie haben sich vernichtet, die findet man jetzt noch als Höhenstrahlung und das eine Teichen blieb übrig.
Dieses Überbleibsel macht die Erde, die Sonne, unser ganzes Universum aus. Und jetzt wollen wir verstehen: Warum gerade ein Teilchen in einer Milliarde? Deshalb gibt es das LHCb-Experiment, das eben diesen winzigen Unterschied zwischen der Materie- und der Antimateriemasse untersucht. Hier machen wir allerdings ganz etwas anderes als bei den anderen Experimenten, wir nehmen keine leichten Protonen, sondern ganz schwere Bleiionen. Das schwerste, was wir in den LHC füllen können. Sie sind ungefähr 200 mal schwerer als Protonen. Wenn wir dann diese dicken Bleitrümmer aufeinander schiessen, dann wird die Energie nicht konzentriert, sondern durch Reibung in Wärme umgewandelt. Wir versetzen also die Bleiionen in eine Temperatur, die circa 100000 mal höher ist als im Zentrum der Sonne, eine enorme Temperatur. Bei dieser Temperatur schmilzt alles. Es schmelzen nicht nur die Kerne, sondern auch deren Bausteine, die Protonen und Neutronen. Und was übrig bleibt ist – nach der Theorie – die Ursuppe. Eine strukturlose Suppe aus Elementarteilchen. Das ist wirklich der Urzustand des Universums, genauer gesagt eine millionstel Sekunde nach dem Big Bang. Eine riesengroße, sehr heisse Suppe. Davon erzeugt man eine winziges Stück, eben nur so groß wie ein Bleikern. Und wir wollen untersuchen, was sind die Eigenschaften dieser Materie damals am Anfang des Universums.
Insgesamt haben wir also vier Experimente. ATLAS und CMS, die sich gegenseitig kontrollieren, das Materie-Antimaterie-Experiment LHCb und das Ursuppenexperiment ALICE.
Antimaterie haben wir übrigens im Cern bereits erzeugt. Nicht an diesem großen Beschleuniger – dazu braucht man nicht diese hohen Energien – sondern bei einem kleinen, und zwar immer nur ein Atom oder höchstens 100 Atome. Das heisst, der Prozess selbst ist sehr ineffektiv. Man muss also enorm viel Energie aufwenden um ganz wenig Antimaterie zu erzeugen. Die gesamte Antimaterie, die wir am Cern über die letzten 20 Jahre erzeugt haben, würde lediglich ausreichen, um eine 20 Watt-Birne eine Sekunde lang zu beleuchten.
