Der Teilchenbeschleuniger der Zukunft

Es gibt wenig, was in der Welt der theoretischen Physik, aber auch in der populärwissenschaftlichen Debatte so kontrovers diskutiert wird wie der Bau von Teilchenbeschleunigern, höchstens die astronautische Raumfahrt kann in diesem Aspekt mithalten. Dennoch wird nun der Bau eines gigantischen neuen Teilchenbeschleunigers als Nachfolger des großen Hadronen-Speicherrings LHC in der Schweiz vorgeschlagen. Er könnte unsere kühnsten Theorien über den Aufbau der Welt bestätigten – oder aber widerlegen.

Ich glaube, dass viele Menschen den Bau von Teilchenbeschleunigern kritisieren, weil sie gar nicht so ganz wissen, was Teilchenbeschleuniger eigentlich sind und was sie eigentlich machen – dabei steckt es im Namen, Teilchenbeschleuniger beschleunigen verschiedenste Teilchen auf sehr, sehr hohe Geschwindigkeiten, oft sogar nah an das kosmische Tempolimit, die Lichtgeschwindigkeit.

Wie funktioniert ein Teilchenbeschleuniger eigentlich?

Diese Beschleunigung funktioniert durch elektrische Felder, denn in der Regel sind die Teilchen elektrisch geladen und können durch ein gegensätzliches elektrisches Feld beschleunigt werden – vergleichbar mit der Abstoßung zweier gleichnamiger Pole eines Stabmagneten. Das funktioniert mit geladenen Atomen, Atomkernen oder aber den Elementarteilchen, aus denen die Atome selbst bestehen. Meist werden leistungsstarke Magnete im Beschleuniger installiert.

Stark vereinfacht lässt sich Folgendes sagen: Je höher die Energie ist, mit der wir die Teilchen kollidieren lassen, desto höher ist auch die Auflösung des Teilchenbeschleunigers, desto kleinere Strukturen kann er also erkennen. Man hofft, dadurch neue und noch grundlegendere Bestandteile unserer Welt zu finden – vielleicht tatsächlich die kleinsten und unteilbaren Bausteine des Universums.

Nachfolger des LHC

Die Autorität in Sachen Teilchenbeschleunigern ist derzeit der Large Hadron Collider (LHC), er liegt in der Schweiz nahe der französischen Grenze und wird vom Europäischen Kernforschungszentrum CERN betrieben, an dem sich 22 europäische Staaten und Israel finanziell beteiligen.

Der LHC hat wirklich gewaltige Ausmaße, sein kreisförmiger Tunnel liegt unter der Erde, und zwar bis zu 175 Meter tief. Sein Umfang beträgt etwa 27 Kilometer, damit ist er nicht nur der größte Teilchenbeschleuniger, sondern auch die größte von Menschen gebaute Maschine überhaupt. Wie bereits um Wort steckt, beschleunigt der LHC Hadronen, also die Bestandteile der Atome – meist die positiv geladenen Protonen.

Dementsprechend leistungsstark ist der LHC auch, er erreicht eine Energie von 13 bis 14 Teraelektronenvolt und kann damit Teilchen auf 99,9999991% der Lichtgeschwindigkeit beschleunigen. Das ist so schnell, dass man es sich nicht vorstellen kann. Mit dieser Energie kann der LHC in eine Größenordnung von 10^-16, also 0,00000000000000001 Metern vordringen – das ist so klein, dass man es sich nicht vorstellen kann.

Das ist sogar deutlich kleiner als die Größe eines Proton ist und damit lassen sich theoretisch auch neue Teilchen entdecken. Ein riesiger Erfolg des LHC war etwa der Nachweis des lange vorhergesagten Higgs-Teilchens als Teil des Higgs-Mechanismus, der unser Wissen über die Entstehung der Masse von Elementarteilchen und über die Entwicklung des Universums kurz nach dem Urknall entscheidend erweiterte. Derzeit wird der Beschleuniger modernisiert und wird danach mit einer noch etwas höheren Energie arbeiten können, doch dabei befinden wir uns im Bereich von „nur“ einem Teraelektronenvolt Verbesserung.

In den aktuell zugänglichen Größenordnung haben wir jedoch keine Hinweise auf eine Physik jenseits des sogenannten Standardmodells gefunden. An sich ist dieses Standardmodell sehr erfolgreich, es ermöglicht Vorhersagen, die extrem genau mit gemessenen Prozessen übereinstimmen.

Neue Möglichkeiten

Allerdings hat unser Standardmodell es Schönheitsfehler. So ist es nicht in der Lage, die Eigenschaften der Teilchen zu erklären, es benötigt diese gemessenen Werte als Input, um das Verhalten der Teilchen vorherzusagen. Wieso die gemessenen Werte allerdings exakt so liegen, dass sie ein bewohnbares Universum ermöglichen, können wir nicht erklären. Auch in Extremsituationen wie etwa dem Moment des Urknalls oder dem Inneren Schwarzer Löcher versagt das Standardmodell. Wir vermuten daher, dass das Standardmodell nur eine Näherung an eine vollständigere, umfassendere Theorie des Kosmos ist.

Die Kandidaten für diese Theorie liefern alle mehr oder weniger überprüfbare Vorhersagen. Die dafür nötige Auflösung konnte im LHC jedoch offensichtlich nicht erreicht werden, denn dort wurde nichts gefunden. Entweder wir irren uns mit allem oder wir müssen genauer hinschauen – dafür bräuchte es einen leistungsfähigeren Teilchenbeschleuniger.

Zudem wird die verbleibende Betriebsdauer des LHC sowieso auf ungefähr 20 Jahre geschätzt. Wenn es nach den Staaten des CERN geht, soll bis dahin ein neuer und viel größerer Teilchenbeschleuniger errichtet worden sein, der Arbeitstitel ist Future Circular Collider (FFC).

Er könnte durch seine viel höhere Energie erstmals Hinweise auf die „neue Physik“ liefern. Dabei wird sich vom Ansatz der sogenannten Supersymmetrie, die davon ausgeht, dass jedes Teilchen einen noch unentdeckten Partner (einen sogenannten Superpartner) hat, mittlerweile eher wieder abgewendet, denn die Superpartner hätte man eigentlich bereits am LHC finden müssen. Hat man aber nicht.

Allerdings könnte der Future Circular Collider zusätzliche Dimensionen finden, sollten sie existieren und das wäre ein erheblicher Aufschwung für andere Modelle für eine neue Physik, etwa die Stringtheorie. Sie geht davon aus, dass es nur einen grundlegenden Baustein der Welt gibt, die Strings und diese durch ihre Schwingungsmuster unterschiedliche Teilchen erzeugen.

Das Problem ist aber, dass die möglichen Schwingungsmuster der Strings gar nicht in drei Dimensionen passen, sondern lediglich in elf. Dementsprechend wären elf Zahlen notwendig, um die Position eines Objektes eindeutig anzugeben, doch die neun Extradimensionen wären so klein, dass sie kaum einen Unterschied machen – so wie eine Stromleitung von Weitem wie eine eindimensionale Linie aussieht, in Wahrheit aber ebenfalls drei Dimensionen hat.

Solche Extradimensionen könnten tatsächlich in einer Größenordnung liegen, in der man sie durch den FFC entdecken kann, nämlich durch Schwarze Löcher. Komprimiert man extrem viel Energie auf einen sehr kleinen Raum, dann entsteht ein solches Schwarzes Loch. Man würde etwa eine Energie von 1,22*10¹⁶ Teraelektronenvolt pro Quadratzentimeter benötigen, also viel mehr als in irgendeinem Teilchenbeschleuniger wohl jemals erreicht werden kann.

Doch sollte es zusätzliche Dimensionen geben, wie die Stringtheorie sie vorhersagt, verändert sich das Gravitationsgesetz auf allen Skalen, die kleiner sind als diese Extradimensionen und das senkt die nötige Energie für die Erzeugung eines mikroskopischen Schwarzen Loches immens, sodass der FFC sie erzeugen könnte. Sollten bei Kollisionen im FFC also Schwarze Löcher entstehen, wäre dies ein starker Hinweis auf Extradimensionen.

Bedrohen Teilchenbeschleuniger die Erde?

Schwarze Löcher in Teilchenbeschleunigern, das klingt irgendwie ein bisschen gefährlich. Tatsächlich war das auch schon beim Bau des LHC ein Bedenken und sehr viele Menschen haben sich viel zusammen gesponnen. Eine Frau zog etwa gegen das Europäische Kernforschungszentrum vor Gericht, um den Bau in einem Eilantrag zu stoppen und es gab sogar Morddrohungen gegen die Forscher*innen.

Ganz zu schweigen, dass letzteres natürlich sowieso niemals zu rechtfertigen ist, war die Klage auch aus wissenschaftlicher Sicht einfach Unsinn und wurde daher zu Recht vor allen Gerichten abgewiesen. Doch wieso eigentlich?

Wie bereits gesagt könnten bei den Kollisionen im LHC und erst recht im FCC, der schließlich sogar dafür vorgesehen ist, Schwarze Löcher entstehen und zwar dann, wenn das Universum mehr als drei Raumdimensionen aufweist. Das ist nicht auszuschließen, sonst würde man den Teilchenbeschleuniger nämlich nicht bauen.

Doch die Erde bedrohen diese hypothetischen Schwarzen Löcher nicht, denn sollten sie überhaupt entstehen, dann handelt es sich um sogenannte Micro Black Holes, also winzige Schwarze Löcher, vermutlich kleiner als Elementarteilchen. Nun könnte man meinen, selbst das kleinste Schwarze Loch könne ja Materie aufsaugen und wachsen und somit doch gefährlich werden. Das stimmt aber nicht, denn diese Schwarzen Miniatur-Löcher würden, wenn sie überhaupt existieren, dies nicht lange tun.

Man vermutetet nämlich, dass Schwarze Löcher durch Quanteneffekte zerstrahlen und dabei die sogenannte Hawking-Strahlung abgeben. Stellt euch das in etwa so vor, dass im Vakuum andauernd Paare aus Teilchen und Antiteilchen entstehen und sich gegenseitig wieder auslöschen, sogenannte Vakuumfluktuationen. Tun sie das direkt am Ereignishorizont eines Schwarzen Loches, dann kann es vorkommen, dass einer der Partner in das Schwarze Loch fällt, sodass sich das andere Teilchen nicht mehr auslöschen kann. Es wird „real“, Energie verlässt also das Schwarze Loch. Als Ausgleich wird das andere Teilchen im Schwarzen Loch als negative Energie verrechnet.

Durch diese Strahlung an Teilchen, die vermutlich von einem Schwarzen Loch ausgeht (aber noch nicht nachgewiesen wurde) zerstrahlt ein Schwarze Loch und man kann sehr einfach berechnen, wann es das tut:

Man teilt die dritte Potenz der Masse durch eine Konstante und es lässt sich leicht erkennen, dass ein Schwarzes Loch desto schneller zerfällt, je kleiner seine Masse ist – genauer gesagt ist seine Lebensdauer proportional zur dritten Potenz seiner Masse. Ein sehr kleines Schwarzes Loch zerstrahlt also sehr schnell. Ein Micro Black Hole würde so schnell zerfallen, dass man nur noch die Teilchen registrieren könnte, die es hinterlässt – also gar nicht genug Zeit, um stark anzuwachsen. Aus diesem Grund ist es vollkommen unmöglich, dass ein Teilchenbeschleuniger ein gefährliches Schwarzes Loch erzeugt.

Ein paar Wissenschaftsleugner*innen wird es wohl auch beim FCC wieder geben, man kann jedoch davon ausgehen, dass ihre Einsprüche wieder einmal zurecht abgewiesen werden.

Size does matter!

Die Ausmaße des FCC sind noch deutlich gewaltiger als die des LHC, wie man bereits der Tabelle entnehmen kann. Der Tunnel des FCC wird wohl ebenfalls unter der Erde im Genfer Becken an der schweizerisch-französischen Grenze liegen, dafür eignet sich die Geographie dieses Gebiets gut. Sein Umfang wird etwa 100 Kilometer betragen, er wird also mit großem Abstand die größte Maschine der Welt sein.

Es ist sogar denkbar, das der LHC in den FCC eingebaut wird, etwa als Vorbeschleuniger, zunächst werden dann Energien von 100 Teraelektronenvolt erreicht, damit könnte man eventuell in eine Größenordnung von 10^-21 Metern vordringen, das ist 100.000-mal mehr als das, was der LHC erreicht und könnte klein genug sein, um Extradimensionen, falls existent, zu finden.

Für einen direkten Nachweis von Strings ist selbst der FCC viel zu klein und wir werden auch nie einen Beschleuniger bauen können, der dies kann: Er müsste so groß wie eine Galaxie sein und in einer Sekunde so viel Energie verbrauchen wie die Menschheit in ihrer gesamten Geschichte genutzt hat. Aber sollte der FCC mikroskopische Schwarze Löcher erzeugen, dann wäre dies ein Beweis für Extradimensionen und zumindest ein starkes Indiz für viele Theorien jenseits des Standardmodells, zum Beispiel die Stringtheorie.

Aber mit dieser Energie wären auch noch ganz andere Dinge möglich, man könnte etwa die Massen der bereits bekannten Teilchen genauer bestimmen und die Masse von sogenannten Neutrinos bestimmen, die noch kaum bekannt ist – wir wissen nur, dass sie sehr, sehr klein ist.

Natürlich könnte der FCC auch ganz neue Teilchen finden, die womöglich für die Dunkle Materie verantwortlich sind, also für die zusätzliche Masse, die sich durch ihre Gravitation bemerkbar macht, aber unsichtbar ist. Wir haben derzeit keine Erklärung für sie, obwohl sie etwa 23% der Masse des Universums ausmacht, unsere gewöhnlichen Atome machen nur 4,6% aus. Aber auch die Supersymmetrie ist noch nicht gänzlich vom Tisch.

Des weiteren könnte erstmals die Stabilität gewisser Teilchen des Standardmodells überprüft werden, denn bei zahlreichen exotischen Teilchen haben wir bisher noch keinen Zerfall beobachtet, wir wissen also nicht, ob und wie schnell sie zerfallen.

Ein noch größeres Rätsel ist die sogenannte Baryonenasymmetrie, man geht davon aus, dass beim Urknall riesige Mengen Materie und Antimaterie entstanden sind, diese löschen sich erfahrungsgemäß aus und werden zu Strahlung. Hätte es also gleich viel Materie und Antimaterie gegeben, hätten sie sich gegenseitig ausradiert und es hätte nie Atome gegeben, unser ganzes Universum wäre ein Meer aus Strahlung.

Doch aus irgendeinem Grund gibt es heute Materie, irgendetwas ist also schief gelaufen und das, was damals schief lief nennen wir Universum. Es muss ein bisschen mehr Materie als Antimaterie gegeben haben und die Differenz war wirklich gering – auf eine Milliarde Antiteilchen kamen eine Milliarde und ein Teilchen.

Doch weshalb das so war und weshalb es heute Materie gibt, das vermag das Standardmodell nicht zu erklären und daher ist es eines der größten Rätsel überhaupt, welches der FCC angehen könnte. Letztlich könnte man aber auch Sachen entdecken, die wir uns heute noch nicht einmal vorstellen können, nicht jede Entdeckung ist vorhersehbar.

Kritik am Teilchenbeschleuniger

Jenseits von irgendwelchem Schwarze-Löcher-Unsinn gibt es aber natürlich auch legitime Kritik am FCC, etwa der Preis, denn der ist selbst für wissenschaftliche Großprojekte wirklich außergewöhnlich hoch und kann nur gemeinsam von der europäischen Staatengemeinschaft getragen werden.

Es gibt zudem keinerlei Anzeichen dafür, dass die verborgenen Teilchen und die neue Physik in Reichweite des FCC liegen, sie könnten auch noch viel kleiner sein und bei den Extradimensionen ist noch nicht einmal sicher, ob sie überhaupt existieren. Der LHC etwa wurde primär zum Beweis der Supersymmetrie gebaut und in der Hinsicht wurden wir bisher enttäuscht.

Vielleicht verfolgen wir also einfach die falschen Modelle und die neue Physik liegt wo ganz anders, das kann man nicht wissen. Doch klar ist, dass der FCC uns neue Erkenntnisse bringen wird, denn erfahrungsgemäß gibt es eigentlich keine Größenordnung im Universum, in der nichts Interessantes passiert – und da ist noch ordentlich Luft nach unten.

Es ist in den uns noch unzugänglichen Gebieten noch sehr viel Raum für Extradimensionen, Strings und neue Teilchen, die kleinste derzeit sinnvolle Längeneinheit ist die Planck-Länge. Stellt euch vor, man würde den Raum mit Punkten versehen, zwischen denen je eine Planck-Länge Abstand liegt, dann würde ein Kubikzentimeter 10⁹⁹ solcher Punkte enthalten.

Das sichtbare Universum hingegen enthält „nur“ 10⁸⁵ Kubikzentimeter, in einem Kubikzentimeter könnte man mit der Auflösung der Planck-Länge also 100 Billionen Mal mehr Ereignisse sehen als im beobachtbaren Universum mit der Auflösung eines Kubikzentimeters – viel Platz für sensationelle Entdeckungen.

Ambitionierter Zeitplan

Aber diese werden wir natürlich nur aufspüren, wenn der gigantische Teilchenbeschleuniger auch gebaut wird. Das werden die CERN-Mitgliedstaaten wohl im Laufe des Jahres 2020 entscheiden, fällt die Entscheidung zum Bau, dann könnten die ersten Elementarteilchen in den 30ern durch den Tunnel des FCC rasen.

Ob dieses Konzept bei den enormen Kosten nun umgesetzt wird, ist keineswegs sicher, doch wahrscheinlich ist, dass in Zukunft deutlich stärkere Teilchenbeschleuniger konstruiert werden als der LHC, schließlich gibt es auch einige konkurrierende Modelle zum FCC, etwa den Very Large Hadron Collider (VLHC), der wie der LHC auf Hadronen ausgelegt ist.

Auch in anderen Teilen der Welt plant man riesige Teilchenbeschleuniger, etwa den chinesischen Circular Electron Positron Collider (CEPC) mit einer Länge von 70 Kilometern, er soll einen Schwerpunkt auf die nähere Erforschung des Higgs-Teilchens legen. Die USA hingegen haben ihren großen Teilchenbeschleuniger, den Superconducting Super Collider (SSC), inzwischen aufgegeben.

Irgendwas ist dort draußen, unser Weltbild hat noch eine fundamentale Lücke und wir haben nur wenige Möglichkeiten, sie zu füllen. Und das beste, was wir dafür haben, sind Teilchenbeschleuniger.