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Forschende wollen mysteriöse dunkle Materie finden: Teilchenbeschleuniger LHC startet neuen Anlauf

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Von: Tanja Banner

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CernDurch ein 27 Kilometer langes unterirdisches Rohr werden am Teilchenbeschleuniger LHC am Cern in Genf zwei Protonenstrahlen in entgegengesetzter Richtung eingeschossen und mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aufeinander gejagt. (Archivbild)
Durch ein 27 Kilometer langes unterirdisches Rohr werden am Teilchenbeschleuniger LHC am Cern in Genf zwei Protonenstrahlen in entgegengesetzter Richtung eingeschossen und mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aufeinander gejagt. (Archivfoto) © Martial Trezzini/dpa

Der Teilchenbeschleuniger LHC startet nach längerer Wartungspause wieder – Forschende wollen nichts Geringeres als mysteriöse dunkle Materie finden.

Genf – Zehn Jahre sind vergangen, seit am Large Hadron Collider (LHC), dem leistungsstärksten Teilchenbeschleuniger der Welt, Geschichte geschrieben wurde. Am 4. Juli 2012 teilte die Europäische Organisation für Kernforschung Cern mit, dass mithilfe des Teilchenbeschleunigers in Genf das Higgs-Boson (teils auch „Gottesteilchen“ genannt) gefunden wurde. „Diese wissenschaftliche Sensation öffnete ein neues Fenster, um die großen Geheimnisse des Universums zu entschlüsseln“, blickt Volker Büscher zurück. Büscher arbeitet gemeinsam mit dem Mainzer Exzellenzcluster PRISMA⁺ am LHC-Detektor „Atlas“, der gemeinsam mit einem weiteren Detekor das Higgs-Boson aufgespürt hatte.

Das Higgs-Boson wurde vom sogenannten Standardmodell der Teilchenphysik vorhergesagt; durch seine Entdeckung können Forschende nun zahlreiche Phänomene besser erklären: Warum Elektronen eine Masse haben oder warum ein Neutron schwerer ist als ein Proton. „Das Higgs-Feld erklärt, warum Atome existieren, warum wir existieren. Und die Tatsache, dass wir es in einen Kontext stellen können, von dem wir denken, dass wir ihn verstehen, ist ziemlich cool, finde ich“, erklärt Daniela Bortoletto, die vor zehn Jahren an der Entdeckung des Higgs-Boson beteiligt war, gegenüber dem Guardian.

Teilchenbeschleuniger LHC in Genf startet mit mehr Energie als je zuvor

Nach einer mehr als dreijährigen Wartungspause soll nun der Teilchenbeschleuniger LHC in Genf wieder gestartet werden – dabei wird er mehr Energie als jemals zuvor haben. Protonen mit einer Gesamtenergie von 13,6 Billionen Elektronenvolt (13,6 Tera-Eletronenvolt) sollen in dem riesigen Teilchenbeschleuniger nahe Genf kollidieren. Die beteiligten Forschenden erhoffen sich viele neue Daten, mit deren Hilfe sie weitere Geheimnisse der Grundbausteine des Universums entschlüsseln wollen.

„Das Higgs-Feld erklärt, warum Atome existieren, warum wir existieren. Und die Tatsache, dass wir es in einen Kontext stellen können, von dem wir denken, dass wir ihn verstehen, ist ziemlich cool, finde ich.“

Daniela Bortoletto

Seitdem das Higgs-Boson 2012 entdeckt wurde, konnten die Forschenden die Eigenschaften des Higgs-Teilchens studieren und damit das Standardmodell der Teilchenphysik auf den Prüfstand stellen. Im nächsten Anlauf wollen die beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler unter anderem die Kopplung des Higgs-Bosons an sich selbst erforschen. „Wenn wir zum Beispiel die Higgs-Selbstkopplung verstehen, könnten wir die Form des Higgs-Potenzials verstehen und besser nachvollziehen, was am Anfang des Universums geschah“, erklärt Bortoletto.

Dass Higgs-Boson gibt Teilchen ihre Masse

Erst das Higgs-Teilchen gibt vielen Teilchen ihre Masse – ohne es würden ihnen grundlegende Eigenschaften fehlen – im Universum wäre nihts so, wie es ist. Daher wird das Higgs-Boson außerhalb der Fachwelt gerne als „Gottesteilchen“ bezeichnet – ein Begriff, den Teilchenphysiker nicht gerne mögen.

Ein anschauliches Bild für die Wirkung des Higgs-Bosons hat der Physiker David Miller gefunden: Auf einer Party stehen viele Menschen, sie symbolisieren das Higgs-Feld. Wenn eine prominente Person hereinkommt, um zur Bar zu gehen, schafft sie die ersten Schritte beschwingt, aber dann scharen sich immer mehr Menschen um sie und sie kommt langsamer voran – so, wie Elementarteilchen in einem Higgs-Feld Masse bekommen. (tab/dpa)

27 Kilometer langer Teilchenbeschleuniger soll mehr Teilchenkollisionen produzieren

In seiner dritten Laufzeit soll der 27 Kilometer lange, kreisförmige Teilchenbeschleuniger sehr viel mehr Teilchenkollisionen als bisher produzieren. Um mit der Anzahl an Daten Schritt halten zu können, wurden auch die vier Detektoren am LHC einem umfassenden Ausbau unterzogen. Der „Atlas“-Detektor wurde von Physikerinnen und Physikern aus Mainz weiterentwickelt. „Unser Detektor ist im Grunde genommen eine riesige Kamera, die viele Millionen Teilchenkollisionen pro Sekunde ‚fotografiert‘“, veranschaulicht Büscher. Es sei jedoch unmöglich, alle Bilder zu speichern. Daher schaue sich ein System jedes Bild an und entscheide in Echtzeit, ob es gespeichert werden sollte oder nicht. „Die Kunst ist, noch mehr Daten innerhalb weniger Mikrosekunden auszusortieren, ohne dabei interessante Physik zu verlieren“, betont Büscher. „In jeder Sekunde verarbeitet das Mainzer System mehr als zwei TeraByte pro Sekunde, das entspricht fast 500 DVDs.“

LHC-Teilchenbeschleuniger soll bei der Suche nach dunkler Materie helfen

Wichtige Fragen, auf die sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Antworten erhoffen, drehen sich um dunkle Materie. Fachleute gehen davon aus, dass sie etwa 80 Prozent aller Materie im Universum ausmacht – doch gesehen hat sie bisher noch niemand. „Seit der Entdeckung des Higgs-Boson, hat sich das Feld der dunklen Materie komplett verändert“, betonte Gian Guidice, der im Cern die Abteilung für theoretische Physik leitet, bei einer Pressekonferenz im Juni.

Wie der Teilchenbeschleuniger LHC funktioniert

Der Teilchenbeschleuniger LHC bei Genf hat eine Länge von etwa 27 Kilometern. Durch den riesigen unterirdischen Ring werden gleichzeitig zwei Protonenstrahlen in entgegengesetzter Richtung eingeschossen und mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aufeinander gejagt. Bei den Kollisionen können die Forschenden seltene Produktions- und Zerfallsprozesse beobachten – so wurde etwa das Higgs-Teilchen entdeckt. (tab/dpa)

„Wir glauben, dass es andere Teilchen geben muss, die wir noch nicht entdeckt haben, die nicht Teil des Standardmodells sind, aber die dunkle Materie ausmachen könnten“, erklärt die Partikelphysikerin Victoria Martin gegenüber Space.com. Das Higgs-Boson könnte der Schlüssel zur Entdeckung der dunklen Materie sein, erklärt Martin weiter: „Wir wissen, dass das Higgs-Boson mit allem interagiert, das schwer ist. Wenn dunkle Materie ein schweres Teilchen ist, dann sollte das Higgs-Boson mit ihm interagieren.“ Eine Idee der Forschenden: Wenn dunkle Materie mit dem Higgs-Feld interagiert, könnte man das in einem der LHC-Experimente sehen – der Teilchenbeschleuniger in Genf könnte so erneut Geschichte schreiben. (tab)

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