In Erwartung des Unerwarteten

Die Tatsache, dass Atome nicht – wie lange Zeit angenommen – unteilbar sind, sondern einen Kern haben, der aus Neutronen und Protonen besteht und von Elektronen umkreist wird, gehört heute zum Alltagswissen. Davon, dass auch die Protonen und Neutronen keine elementaren, unteilbaren Teilchen sind, sondern sich aus Quarks und Gluonen zusammensetzen, wird der eine oder andere Nicht-Physiker ebenfalls gehört haben. Dass aber neben dem Elektron und den in Proton und Neutron gebundenen "up"- und "down"-Quarks noch weitere Quarks und Leptonen existieren, die nicht zum Aufbau der uns umgebenden Materie beitragen, mag Vielen neu und seltsam erscheinen. Und dies zu Recht, denn obwohl die Existenz dieser Teilchen durch viele Experimente zweifelsfrei nachgewiesen ist, kennen wir bis heute keine Antwort auf die Frage, warum sie existieren und welche Rolle sie für unser Dasein spielen.

Um diese Fragen zu beantworten, entsteht am europäischen Forschungszentrum CERN in Genf zurzeit eine experimentelle Apparatur von noch nie da gewesenem Ausmaß: der so genannte "Large Hadron Collider" (LHC) mit seinen vier Detektoren ALICE, ATLAS, CMS und LHCb. Hier sollen ab dem Jahr 2008 Protonen mit Protonen bei extrem hohen Energien von 14 TeV zur Kollision gebracht werden, um die Welt der Elementarteilchen besser zu verstehen und vielleicht neue, uns noch unbekannte Teilchen zu entdecken. 14 TeV – das ist gemäß Einsteins berühmter Formel E=mc2 eine Energie, die dem 14 000fachen der Masse eines einzelnen Protons entspricht. Am LHC können – durch Umwandlung von Energie in Masse – in einer einzelnen Proton-Proton-Kollision (theoretisch) also bis zu 14 000 Protonen erzeugt werden.

Was die Welt im Innersten zusammenhält

Unser heutiges Wissen über die Bausteine der Materie und die Kräfte manifestiert sich im so genannten Standardmodell der Elementarteilchen. Diesem Modell zufolge gibt es zwölf verschiedene elementare Materieteilchen – sechs Quarks und sechs Leptonen, von denen aber nur die beiden leichtesten Quarks (u, d) und das Elektron (e) für den Aufbau der Atome verantwortlich sind.

Die zwischen den Materieteilchen herrschenden abstoßenden und anziehenden Kräfte werden im Standardmodell durch vier Kraftteilchen vermittelt: das für die elektrischen und magnetischen Kräfte verantwortliche Photon (?), die extrem schweren W- und Z-Bosonen als Vermittler der den radioaktiven Zerfall beschreibenden schwachen Kräfte und die Gluonen, die für den starken Zusammenhalt der Quarks im Proton sorgen.

Das Bild, das die Teilchenphysiker von der Vermittlung von Kräften durch den Austausch von Kraftteilchen haben, ist dabei recht einfach zu verstehen: Ähnlich zur Situation zweier Schlittschuhläufer, die sich aufgrund der Impulserhaltung beim Zuwerfen eines Balls mit jedem Wurf mehr und mehr voneinander wegbewegen, wird auch beim Austausch eines Kraftteilchens Impuls (und Energie) von einem Teilchen auf ein anderes übertragen. Die Tatsache, dass sich hinter diesem einfachen Bild auch ein extrem leistungsstarker mathematischer Formalismus verbirgt, begründet die Bedeutung des Standardmodells als Theorie mit exakter Vorhersagekraft, die allen experimentellen Ergebnissen bis heute Stand gehalten hat.

Dem Leser mag an dieser Stelle bereits aufgefallen sein, dass die Schwerkraft, die in unserem Alltag eine sehr entscheidende Rolle spielt, im Standardmodell nicht enthalten ist. Dies liegt daran, dass die Gravitation verglichen mit den anderen Kräften etwa 40 Größenordnungen schwächer ist. Nur weil starke und schwache Kräfte eine sehr kurze Reichweite von weniger als einem Atomkerndurchmesser haben und weil die Atome elektrisch neutral sind, spüren wir die Gravitation als einzig verbleibende Kraft. Für die Wechselwirkung elementarer Teilchen spielt sie aufgrund ihrer geringen Größe aber keine Rolle – wir werden auf diesen Aspekt noch zurückkommen.
 

Das Higgs – Heiliger Gral der Teilchenphysik?

Neben den Materie- und den Kraftteilchen gibt es im Standardmodell noch ein weiteres wesentliches Element: das Higgs-Teilchen. Seine Existenz ist bis heute experimentell nicht nachgewiesen. Erst die Einführung dieses zusätzlichen Teilchens erlaubt eine konsistente Formulierung einer Theorie mit massiven Materiebausteinen. Ohne das Higgs würde das Standardmodell nur masselose Teilchen vorhersagen, im Widerspruch zu allen experimentellen Ergebnissen.

Wie aber sorgt das Higgs dafür, dass die verschiedenen Elementarteilchen Masse erhalten? Hierzu postulieren die Physiker ein omnipräsentes Higgs-Hintergrundfeld: Durch die Wechselwirkung der Quarks und Leptonen mit diesem Hintergrundfeld werden diese träge und erhalten so scheinbar Masse. Auch hier gibt es eine einfache Analogie: Ein Objekt, das sich anstatt durch Luft durch einen Topf mit (unsichtbarem) Honig bewegt, erfährt aufgrund der auftretenden Reibungskräfte einen deutlichen Widerstand: Es wird träge und damit scheinbar schwerer.

Der Suche nach dem Higgs haben sich die beiden LHC-Experimente ATLAS und CMS verschrieben. Die Planung der Detektoren hat sich daher weitgehend an diesem Ziel orientiert. Aber woher kommt die Zuversicht der Teilchenphysiker, das Higgs am LHC zu entdecken? Oder ist die Existenz des Higgs-Teilchens – wie die des heiligen Grals – nur ein Wunschtraum?

Tatsächlich schränkt das Standardmodell aufgrund existierender Daten den erlaubten Massenbereich des Higgs auf Werte unterhalb von 200 GeV ein. Sollte das Standardmodell, das durch viele experimentelle Messungen bestätigt wurde, also Gültigkeit haben, so steht die Entdeckung des Higgs mit ATLAS und CMS außer Frage. Ist das Modell aber falsch, müssen im Energiebereich des LHC Anzeichen für andere Mechanismen zur Erzeugung der Teilchenmassen auftreten. Es ist vielleicht nicht das Standardmodell-Higgs, das die Teilchenphysiker am LHC finden – aber etwas Neues finden werden sie.

Der lange Weg zu neuer Erkenntnis

Zur Erforschung der Teilchenwelt bauen die Physiker seit mehr als 50 Jahren immer größere Beschleunigeranlagen, mit denen bei immer höheren Energien untersucht wird, wie die Welt aufgebaut ist. Die drei größten der letzten 20 Jahre sind HERA, LEP und das Tevatron: HERA, wo man mit Elektronen die innere Struktur des Protons untersucht, der LEP-Beschleuniger, an dem W- und Z-Boson hochpräzise vermessen wurden, und das Tevatron, das 1995 das letzte und schwerste Quark, das Top, entdeckt hat. Insbesondere aber haben die präzisen Daten dieser Beschleunigerexperimente unser Wissen über das Standardmodell enorm verfeinert und das Higgs als festen Baustein in unserem Weltbild etabliert.

Das experimentelle Vorgehen der Teilchenphysiker sei an dieser Stelle kurz erläutert: Die Reaktionsprodukte der in den Beschleunigern erzeugten Teilchenkollisionen werden mit riesigen Detektorsystemen elektronisch registriert. Die Abbildung auf Seite 25 zeigt als Beispiel ein mit dem H1-Detektor bei HERA aufgezeichnetes Elektron-Proton-Streuereignis sowie die zugehörige Streureaktion. Ein von links einlaufendes Elektron wird an einem Quark im Proton gestreut und kickt dieses aus dem Proton heraus; Quark und Elektron werden im Detektor nachgewiesen, das Elektron als einzelne Spur, das Quark als Teilchenjet. Die Analyse der Streudaten lässt auf die Eigenschaften der Teilchen und ihre Wechselwirkungen schließen. So haben die HERA-Daten der letzten 15 Jahre unser Bild vom Proton als ein sich dynamisch ändernder Zusammenschluss von Quarks und Gluonen neu geprägt und damit eine wichtige Voraussetzung für die Proton-Proton-Streuexperimente am LHC geschaffen.

Bereits in den 80er Jahren, noch bevor die oben genannten Experimente gestartet wurden und weit vor der Erkenntnis, dass das Higgs-Teilchen nicht mit den heutigen Beschleunigern entdeckt werden würde, begannen die Planungen für den nächsten großen Schritt in der Hochenergiephysik: den LHC mit seinen vier Detektoren. Ziel war es, eine neue Maschine zu entwickeln, die es erlaubt, in Energiebereiche vorzudringen, deren Erkunden neue Erkenntnisse über den Aufbau unserer Welt liefern würde. Entstanden ist eine Maschine, die aus etwa 8000 im Kreis hintereinander geschalteter, meist supraleitender Hochleistungsmagnete besteht und in den etwa 100 Meter tief im Schweizer Jura vergrabenen alten LEP-Tunnel mit einem Umfang von 27 Kilometern eingebaut wurde. An vier Punkten des Rings werden mithilfe der Magnete auf ihrer Bahn gehaltene, lichtschnelle Protonen zur Kollision gebracht und von den Detektoren mit ihren Tausenden von Einzelkomponenten aufgezeichnet. Die Giganten unter diesen Detektoren sind ATLAS und CMS. Sie haben die Größe mehrstöckiger Häuser wie die Abbildung auf Seite 28 am Beispiel des ATLAS-Detektors in einer frühen Ausbaustufe zeigt.

Die großen Herausforderungen beim Bau des Beschleunigers waren die Entwicklung der supraleitenden Magnete mit Feldern von über acht Tesla sowie die fehlerfreie Handhabung der Protonstrahlen, in denen jeweils eine Energie von etwa 350 MJ gespeichert ist – dies entspricht einem sich mit 480 km/h bewegenden LKW von 40 t Gewicht. Ein Strahlverlust in einem der vier Detektoren würde diesen sofort zerstören. Diese Aufgaben zu bewältigen, hat zahlreiche Wissenschaftler beschäftigt und mehr als zwanzig Jahre gedauert.

Mit den Detektoren verhält es sich ähnlich. Auch an ihnen haben Tausende Wissenschaftler aus aller Welt  mehr als zehn Jahre gearbeitet. Dies war erforderlich, um die hohen Anforderungen zu erfüllen, die unter anderem für die Entdeckung und Vermessung des Higgs-Teilchens notwendig sind. Hier hat auch die Universität Heidelberg mehrere zentrale Beiträge geleistet. So wurde beispielsweise am Kirchhoff-Institut für Physik hochintegrierte Spezialelektronik für ATLAS zur Vorselektion der für die Physiker interessanten Streuereignisse entwickelt.

Zum besseren Verständnis: Am LHC treffen die Protonen vierzig Millionen Mal pro Sekunde aufeinander. Von jeder dieser Kollisionen wird ein "Bild gemacht", das heißt, die im Detektor hinterlassenen Signale werden kurzfristig zwischengespeichert. Der ATLAS-Detektor hat aber mehr als 40 Millionen Kanäle, entsprechend einer Kamera mit 40 Megapixeln. Müsste man all diese Bilder permanent speichern, um sie später zu analysieren, entspräche das einem Datenvolumen von rund eineinhalb Petabyte, also weit mehr als einer Million CDs, in jeder Sekunde. Dies ist auch mit modernsten Computersystemen nicht möglich. Da aber nur ein sehr kleiner Teil der Streuereignisse für die Suche nach neuer Erkenntnis relevant ist, muss man sie mit so genannten Triggersystemen frühzeitig erkennen und blitzschnell herausfiltern.

Gemeinsam mit Physikern aus Deutschland, England und Schweden hat das Kirchhoff-Institut für Physik im letzten Jahrzehnt ein solches Triggersystem gebaut. Es wird noch in diesem Jahr zusammen mit dem Rest des ATLAS-Detektors fertiggestellt. Im nächsten Jahr soll die Suche nach neuen Erkenntnissen über den Aufbau unserer Welt dann endlich los gehen.

Auch wenn das Standardmodell bis heute allen experimentellen Prüfungen standhält, so glauben die Teilchenphysiker doch, dass es nur die Approximation einer allgemeineren Theorie ist, die sich bei Energien im TeV-Bereich (also am LHC) offenbaren könnte und viele der bislang offenen Fragen auf natürliche Weise erklärt. So weiß man bis heute nicht, warum es gerade zwölf verschiedene Sorten von Materieteilchen gibt, ob diese tatsächlich elementar sind und warum sie so unterschiedliche Massen haben. Ebenso unklar ist, weshalb die Gravitation so viel schwächer als die anderen Kräfte ist.

Von neuen Symmetrien und extra Dimensionen

Die Suche nach Antworten auf diese Fragen hat die Physiker auf eine Reihe seltsamer Ideen gebracht, deren Realitätsgehalt am LHC untersucht werden kann. So könnte eine zusätzliche Symmetrie zwischen Materieteilchen und Kraftteilchen – die "Supersymmetrie" – die Massenhierarchie, die bei den drei Teilchenfamilien zu beobachten ist, erklären und vielleicht Licht in das Geheimnis der von den Astronomen vermuteten dunklen Materie bringen.

Übergeordnete Symmetrien sind in der modernen Physik von zentraler Bedeutung, da sie – wenn sie spontan gebrochen sind – eine "natürliche" Erklärung für beobachtete Asymmetrien liefern können, ähnlich wie bei einem Magneten, bei dem im Grundzustand alle atomaren Spins in eine bestimmte Richtung zeigen, obwohl in der zugrundeliegenden Theorie keine solche ausgezeichnet ist. Das System fällt in eine (von vielen) energetisch bevorzugte Konfiguration. Analog erklärt die Supersymmetrie das Auftreten eines bestimmten (a priori nicht festgelegten) Massenspektrums der Elementarteilchen.

Für die Teilchenphysik wäre der experimentelle Nachweis der Supersymmetrie ausgesprochen aufregend, da sie jedem Standardmodellteilchen einen supersymmetrischen Partner zuordnet und so eine Vielzahl neuer Elementarteilchen vorhersagt, deren Massen mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit im Energiebereich des LHC liegen. Das leichteste von ihnen wäre ein Top-Kandidat für die dunkle Materie des Universums.

Und wie passt die Gravitation ins Bild? Auch hier haben die Theoretiker denkbare Auswege gefunden, etwa die "Supergravity"-Modelle oder die Stringtheorie. Eine besonders faszinierende Idee ist die mögliche Existenz zusätzlicher, kompaktifizierter Raumdimensionen, die uns aufgrund ihrer winzigen Ausdehnung im Alltag zwar verborgen bleiben, die aber die geringe Stärke der Schwerkraft bei großen, uns experimentell zugänglichen Abständen erklären würden. Erst unterhalb einer Distanz, die der Ausdehnung der extra Dimensionen entspricht, wäre die Gravitation so stark wie die anderen Wechselwirkungen.

Dies hätte für den LHC unter Umständen spektakuläre Konsequenzen. So könnte sich die Existenz von extra Dimensionen in der Beobachtung mikroskopisch kleiner Schwarzer Löcher manifestieren. Sie würden entstehen, wenn zwei hochenergetische Bausteine der kollidierenden Protonen, Gluonen oder Quarks, einander so nahe kommen, dass die Gravitationskraft zwischen ihnen stark genug ist, um sie aneinander zu binden. Gefährlich wären solche winzigen Schwarzen Löcher nicht, da sie aufgrund von Hawking-Strahlung innerhalb kürzester Zeit wieder zerfallen. Über diesen Zerfall wären sie von den LHC-Detektoren aufgrund ihrer sphärischen Ereignissignatur eindeutig nachweisbar.

Der Nachweis solch kleiner Schwarzer Löcher wäre eine wissenschaftliche Sensation und würde unser Weltbild einmal mehr revolutionieren. Die Aufgaben der Teilchenphysik würden sich grundlegend ändern, und es entstünde ein neues Forschungsgebiet: die Vermessung der Geometrie zusätzlicher Raumdimensionen – eine äußerst faszinierende Vorstellung.

In Erwartung des Unerwarteten

Wenn im nächsten Jahr der LHC nach zwanzig Jahren Entwicklungsarbeit anläuft, steht die Teilchenphysik am Beginn einer neuen Ära, in der das Tor zu einem bisher unerforschten Energiebereich aufgestoßen wird. Was genau die Physiker finden werden, ist ungewiss. Mit großer Sicherheit aber wird der LHC das Geheimnis um die elektroschwache Symmetriebrechung, den Mechanismus zur Erzeugung der Teilchenmassen lüften, höchstwahrscheinlich durch die Entdeckung des Higgs-Teilchens.

Die Erwartungen an den LHC gehen aber weit über eine Higgs-Entdeckung hinaus. Denn alle bisherigen Daten weisen auf ein leichtes Higgs hin und damit einhergehend auf das Auftreten neuer Phänomene jenseits des Standardmodells im TeV-Bereich, den der LHC erkundet. Letzteres folgt unter anderem aus theoretischen Überlegungen zur Vakuumstabilität und dem so genannten "Fine-tuning"-Problem. Die Physikerwelt schaut also gespannt auf dasCERN, den LHC und seine Experimente – in Erwartung des Unerwarteten.

Prof. Dr. Hans-Christian Schultz-Coulon ist seit 2004 am Kirchhoff-Institut für Physik der Universität Heidelberg tätig. Sein Arbeitsgebiet ist die experimentelle Teilchenphysik an Beschleunigern. Seine Forschungsarbeiten umfassen die Entwicklung von Triggersystemen, Un-tersuchungen zur Struktur des Protons sowie die Suche nach neuen Phänomenen jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik. Seit kurzem ist er an der Kalorimeterentwicklung für einen Detektor am International Linear Collider (ILC) beteiligt. Prof. Schultz-Coulon ist Mitglied der Kollaborationen ATLAS, CALICE und H1.
Kontakt: coulon@kip.uni-heidelberg.de
Telefon: 0 62 21/54 92 81