Teilchenphysik

Am Genfer See startet das teuerste Experiment aller Zeiten: Physiker des europäischen Kernforschungszentrums CERN wollen den Urknall »nachbauen«. Ihre Hoffnung: dass sie dadurch die letzten Rätsel des Universums lösen – und die »Weltformel« finden. Joseph Scheppach hat erlebt, wie Wissenschaftler ein Wunder jagen.

Genf ist eine schöne Stadt. Herrschaftliche Villen verleihen dem Zentrum eine Atmosphäre von gediegener Noblesse. Fährt man aber mit dem Auto 20 Minuten Richtung Peripherie, in den Vorort Meyrin, bröckelt der Charme sichtlich – ehemalige Kasernen bestimmen zunehmend das Bild. Nobel sind hier nur noch die Straßennamen – sie stammen sämtlich von Nobelpreisträgern. Dieser Bezug zum weltweiten Geistesadel kommt nicht von ungefähr: In Meyrin stehen die Labors des »Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire« (CERN). Und in diesem europäischen Kernforschungszentrum schickt sich eine internationale Elite von Naturwissenschaftlern an, dem Kosmos die letzten Geheimnisse zu entreißen.

An der Ecke Einstein-Boulevard/Rue Marie Curie erwartet mich der CERN-Physiker Oliver Brüning. Er wird mich in die Vorbereitungen für das größte Forschungsexperiment aller Zeiten einweihen, das Ende des Jahres starten soll. Dass sich hier alles irgendwie um Mikrokosmos und Makrokosmos dreht, darauf weist sogar der Speiseplan der Kantine hin: Wo bekommt man sonst ein »Neutrino«-Menü mit »Supernova«-Dessert?

Das Mega-Experiment, an dem die rund 10000 CERN-Physiker arbeiten, will der Schöpfung in die Karten schauen: Was genau geschah in der ersten billionstel Sekunde des Urknalls? Dabei entstanden sämtliche Bausteine des Kosmos: die Elementarteilchen. Viele von ihnen haben die Wissenschaftler schon gefunden – aber bei Weitem noch nicht alle. Bisher unentdeckten Teilchen auf die Spur zu kommen ist das Ziel des CERN-Versuchs – denn je mehr Elementarteilchen wir kennen, desto größer wird unser Wissen darüber, was die Welt im Innersten zusammenhält.

Um sie aufzuspüren, simuliert die Anlage den Urknall, indem sie zwei Ströme von schon bekannten Teilchen mit rasender Geschwindigkeit kollidieren lässt: Protonen und Blei-Ionen. In einem Mini-Big-Bang zerbersten die Partikel, und in ihren Trümmern finden sich vielleicht Hinweise auf die gesuchten Teilchen, so die Hoffnung. Eine weitere Hoffnung: Der künstliche Urknall könnte die Frage beantworten, in was für einer Art Raum wir überhaupt leben: Ist er dreidimensional – oder gibt es noch weitere Dimensionen, die wir nicht wahrnehmen können? Wenn sich beide Hoffnungen erfüllen – dann sind wir einer »Theorie über alles« (engl.: »Theory Of Every-thing«) ganz nah. Die Weltformel winkt.

Um den künstlichen Big Bang zu erzeugen, haben die CERN-Physiker in der Nähe des Genfer Sees den leistungsstärksten und komplexesten Teilchenbeschleuniger aller Zeiten gebaut: den »Large Hadron Collider« (LHC). Er jagt die Teilchenströme in einem kreisrunden unterirdischen Beschleunigungsring fast mit Lichtgeschwindigkeit aufeinander. Beim Zusammenprall sollen Energiedichten entstehen, wie sie unmittelbar nach dem echten Big Bang geherrscht haben.

Bevor ich den Ort des künftigen Urknalls betreten darf, bekomme ich einen Plas-tikhelm – und eine Metalldose. »Da ist ein Sauerstoffgerät drin. Für den Notfall«, sagt der 43-jährige Brüning. »Denn da unten befinden sich Unmengen von Helium zum Kühlen. Sollte dieses Gas durch ein Leck austreten, drückt es den Sauerstoff weg. Deshalb die Extraration Luft.« Mit einem Fahrstuhl sausen wir 100 Meter tief in die Unterwelt und landen in dem Beschleunigerring, der wie ein Tunnel für eine U-Bahn anmutet, die 27 Kilometer im Kreis fährt. Kaltes Neonlicht erhellt eine fabrikschlotdicke Aluminiumröhre, die der Krümmung des Tunnels folgt. In ihrem Inneren verlaufen zwei armdicke Vakuumrohre: Durch sie werden die Teilchenströme geschossen – die einen linksherum, die anderen rechtsherum. Die pulsierenden Felder von 1700 »Beschleuniger-Magneten«, jeder so groß wie ein LKW und 30 Tonnen schwer, bringen sie auf Tempo, weitere 8000 supraleitende Magnete halten sie in der Spur. An vier Stellen kreuzen sich ihre Bahnen: Hier knallen die Partikel aufeinander und produzieren den künstlichen Big Bang.

Was dabei im Einzelnen passiert, wird zeigen, ob das bisherige Standardmodell der Materie sich als richtig erweist – oder ob wir völlig neu über das Universum nachdenken müssen. Das von allen Physikern akzeptierte Modell benennt die bekannten Elementarteilchen und beschreibt, wie sie durch die Übertragung von Kräften miteinander wechselwirken. Das Standardmodell »funktioniert« – hat aber unter anderem dieses »Missing Link«: Es kann nicht erklären, woher die Partikel ihre Masse bekommen. Diese Übertragung muss ja irgendwann einmal stattgefunden haben, nachdem in der Singularität des Urknalls alles in einem unendlich kleinen Punkt verdichtet und masselos war.

Eine Erklärung konnte bislang nur die pure Mathematik liefern: Der britische Physiker Peter Higgs hat die Theorie entwickelt, dass es ein noch unbekanntes Elementarteilchen geben könnte – wenn andere Teilchen mit ihm wechselwirken, nehmen sie Masse an. Dieses so genannte »Higgs-Teilchen« (auch »Higgs-Boson«) wäre dann wie alle anderen beim Urknall vor rund 14 Milliarden Jahren entstanden – der Mini-Big-Bang von CERN müsste es ebenfalls »gebären«. Wenn sich aber keine Hinweise auf seine Existenz finden, gerät das ganze bisherige Standardmodell ins Wanken – dann ist der Kosmos womöglich ganz anders gebaut.

Gigantische Detektoren an den Stellen, wo die Teilchenströme sich kreuzen und frontal zusammenstoßen, könnten die Antwort enthalten. Zwei davon, die die Namen »ATLAS« und »CMS« tragen, sollen das Rätsel lösen: Ist das Higgs-Teilchen Realität – oder nicht? Bevor ich mir ATLAS näher anschaue, wirft die CERN-Physikerin Sylvia Schuh einen prüfenden Blick auf mein Schuhwerk: Es ist robust genug, denn hier wird noch heftig gebaut – überall liegen Kabelstränge, Kupferleitungen und Stahlplatten herum, irgendwo zischt Dampf aus einem Zulauf.

Wir erklimmen den Detektor, und in 22 Meter Höhe erklärt mir die Forscherin: »Man muss hundertausend Milliarden Kollisionen auswerten, um ein einziges Higgs-Teilchen nachweisen zu können. Wir sind an der Grenze dessen, was Menschen und Technologie zu leisten vermögen.« Das gilt auch für die Verarbeitung der riesigen Datenmengen, die die vier Detektoren liefern. Dafür hat CERN ein eigenes Rechenzentrum mit 10000 Computern eingerichtet. Aber selbst diese PC-Armada bewältigt die Datenflut nicht allein: Deshalb ist sie mit dem »LHC Computing Grid« (LCG) verbunden – einem Netz aus vielen Großrechnern in aller Welt. Über Leitungen, die pro Sekunde mehr als 700 Megabyte übertragen können, tauschen die einzelnen Standorte Daten miteinander aus.

Diese Byte-Power wird auch gefragt sein, wenn die CERN-Forscher Ende des Jahres darangehen, sich mit dem zweiten Missing Link des Standardmodells zu beschäftigen: Dieses liefert nämlich auch keine für Makro- und Mikrokosmos gleichermaßen gültige Erklärung der Schwerkraft. Zwar kann Einsteins Relativitätstheorie die Gravitation im Makrokosmos beschreiben – aber in der Quantenwelt funktioniert sie nicht. Und solange wir keine Erklärung für alles haben, sind wir von der Weltformel noch weit entfernt. Sie zu finden bleibt aber das Ziel der Physiker. Deshalb werden sie im Genfer Teilchenbeschleuniger eine Theorie überprüfen, die zurzeit zwar noch sehr umstritten ist – aber dennoch als der »heißeste« Kandidat für die Weltformel gilt: die »String-Theorie«. In ihren Rechenmodellen erscheinen die Bausteine unserer Welt nicht als Teilchen, sondern als Fäden (engl: strings). Ähnlich einer Gitarrensaite können die Fäden schwingen und dabei unterschiedliche »Töne« erzeugen – und jeder dieser Töne entspricht einem Teilchen.

Was die Stringtheorie zum Weltformel-Kandidaten macht, ist der Umstand, dass sie ein hypothetisches physikalisches Modell aller bisher beobachteten Fundamentalkräfte darstellt – also auch der Schwerkraft. Diese soll durch ein ebenfalls hypothetisches Teilchen zustande kommen, das Graviton: Wenn es mit einem anderen Teilchen wechselwirkt, überträgt es Gravitation. Das Problem dabei: Die String-Theorie funktioniert nur, wenn man einen elfdimensionalen Raum zugrunde legt – im dreidimensionalen Raum hat sich das Graviton nicht gezeigt. Um einen Hinweis auf seine Existenz zu erhalten, müssen die CERN-Forscher deshalb einen indirekten Weg gehen: Wenn sie beim Crash der Teilchenströme einen Schwerkrafteffekt messen, der sich aber aus den registrierten Trümmerteilchen nicht erklären lässt – dann muss sich die Ursache dafür in anderen Raumdimensionen befinden, die wir nicht wahrnehmen. Und hier irgendwo muss laut String-Theorie das Graviton schwingen.

Falls das CERN-Experiment auf diese Weise einen Hinweis auf die Extra-Dimensionen liefern sollte, hätte die String-Theorie auf dem Weg zur Weltformel einen Riesensprung nach vorn gemacht – und das Standardmodell würde wanken. Und wenn der Versuch nicht gelingt? Dann wird bestimmt der Ruf laut, einen noch größeren, noch stärkeren Teilchenbeschleuniger zu bauen. Die Pläne dafür gibt es schon.

Als ich CERN spät nachts verlasse, brennt in vielen Labors noch Licht. So besessen sind manche Forscher von ihrer Arbeit, dass jüngst sogar einer an Skorbut (Vitamin-C-Mangel) erkrankte – er hatte monatelang nichts Frisches gegessen. Was die faustische Neugier der Wissenschaftler speist, erklärt mir CERN-Physiker Markus Oldenburg beim Abschied: »Wir erwarten nichts Geringeres als einen Quantensprung im Verständnis der Welt. Die nächste große Revolution in der Physik.«