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Large Hadron Collider CERN: Upgrade für die Urknallmaschine

Der Large Hadron Collider LHC der Europäischen Organisation für Kernforschung CERN ist der größte Teilchenbeschleuniger der Welt. Um den Geheimnissen des Universums auf die Spur zu kommen, brauchen die Physiker aber mehr Leistung. Deshalb wird der LHC ausgebaut.

Stand: 13.06.2018

Modell des LHC-Tunnels | Bild: picture-alliance/dpa

Der Teilchenbeschleuniger Large Hadron Collider (LHC) der Europäischen Organisation für Kernforschung CERN befindet sich in einem ringförmigen, rund 27 Kilometer langen Tunnel bei Genf. In hundert Metern Tiefe sind dort mehr als Tausend Magnete aneinandergereiht. Diese beschleunigen Protonen oder Blei-Ionen nahezu auf Lichtgeschwindigkeit und lassen sie dann mit gewaltiger Energie zusammenstoßen. Beim Aufprall werden die Teilchen zertrümmert und es entstehen neue. Die CERN-Forscher wollen bei den Kollisionen Elementarteilchen beobachten, die bisher nur in ihren Theorien existieren. Das gelang ihnen zum Beispiel beim Higgs-Teilchen, das der Materie Masse verleiht.

LHC soll fünf Mal stärker werden

Der unterirdische Ring des LHC (Illustration)

Bald werden am LHC wieder Bagger und Bohrer tätig werden. Der Teilchenbeschleuniger soll rund fünf Mal mehr Leistung bringen: Statt einer Milliarde Protonenkollisionen pro Sekunde wollen die Wissenschaftler mindestens fünf Milliarden Kollisionen erreichen. Dafür sollen mehr Protonen im Tunnel zirkulieren und der Zusammenstoß soll künftig auf acht statt 16 Mikrometer fokussiert werden. Das erhöht die Chance von Kollisionen.

Knapp eine Milliarde Euro für den Ausbau

Um die Leistung des LHC zu steigern, sind deutlich leistungsstärkere Magnete notwendig und neue Tunnelstücke, die angebaut werden müssen. Das soll im Rahmen des Projekts HiLumi ("High Luminosity", deutsch "hohe Leistungsfähigkeit") geschehen. Der Grundstein wird am 15. Juni 2018 im schweizerisch-französischen Grenzgebiet bei Genf gelegt. Dazu kommen weitere Ausbauprojekte. Die Gesamtinvestitionen betragen fast eine Milliarde Euro.

LHC ab 2025 wieder bereit

Die neuen Tunnel können allerdings nur gebohrt werden, wenn der Beschleuniger stillsteht. Die Vibrationen der Bohrmaschinen würden die sensiblen Instrumente stören. Deshalb beginnen die Bauarbeiten zunächst an der Erdoberfläche, denn der Beschleuniger wird im Dezember für eine zweijährige Routine-Wartung abgeschaltet. 2021 bis 2023 arbeitet er noch einmal im bisherigen Modus. Ab 2025 sollen alle neuen Kabel, Magneten und Messinstrumente installiert sein und der erweitere Super-Beschleuniger ab 2025 bereit für neue Forschungen sein.

Pause für mehr Leistung

Teraelektronenvolt

In Elektronenvolt (Einheit: eV) wird die kinetische Energie angegeben, um die die atomaren Teilchen beschleunigt werden.
Ein Gigaelektronenvolt (eine Million Elektronenvolt) entspricht etwa dem Ruhezustand eines Protons.
Ein Teraelektronenvolt (eine Billion Elektronenvolt) ist tausendmal so viel.

Bereits von Februar 2013 bis Juni 2015 hatte der LHC Pause, weil er aufgerüstet wurde: Er bekam neue, stärkere Magnete, die die Teilchenpakete auf noch höhere Geschwindigkeiten bringen. Die Teilchen werden seitdem mit fast zweimal so viel Energie wie vorher aufeinander geschossen, nämlich mit 13 Teraelektronenvolt (TeV). Die Physiker am CERN packen die Teilchenpakete aber auch dichter zusammenpacken, wenn sie durch die Röhre rasen. Das erhöht die Zahl der Zusammenstöße und damit auch die Zahl der messbaren Signale.

Wichtige Etappen der Forschung am CERN

15. Juli 2015: Existenz des Pentaquark bestätigt

Mögliches Modell des Pentaquark

"Das Pentaquark ist nicht einfach irgendein Teilchen. Es stellt eine Möglichkeit dar, Quarks – also die fundamentalen Bestandteile von Protonen und Neutronen – in einem Muster zu kombinieren, das trotz 50 Jahren experimenteller Suche noch nie gefunden wurde", erklärte der Sprecher des LHCb-Experiments am CERN, Guy Wilkinson, bei dem das sehr kurzlebige Teilchen mit fünf Quarks eher zufällig aufgespürt wurde.
Das Pentaquark war schon in den 1960er-Jahren vom Entdecker der Quarks, Murray Gell-Mann, vorhergesagt worden. Doch bisher war kein Nachweis gelungen. Nun könnten die Physiker am LHC das geschafft haben. Nach Angaben der Forscher hat es eine Masse von 4,38 bis 4,45 Giga-Elektronenvolt und ist damit gut vier Mal so schwer wie ein Proton. Wie die fünf Teilchen miteinander verbunden sind, ist noch unklar. Weitere Analysen sollen folgen. "Seine Eigenschaften zu studieren, könnte uns dabei helfen, besser zu verstehen, wie die normale Materie, aus der wir alle bestehen, zusammengesetzt ist", so Wilkinson.

4. Juli 2012 Higgs-Teilchen (wahrscheinlich) gefunden

CERN-Direktor Rolf Heuer

"Wir haben eine Entdeckung: Wir haben ein Teilchen gefunden, das konsistent mit dem Higgs-Boson ist", verkündete CERN-Generaldirektor Rolf Heuer am 4. Juli 2012 im Auditorium des Forschungszentrums in Genf. Damit bestätigte er offiziell: Das letzte bislang nicht nachgewiesene Teilchen ist anscheinend entdeckt. Ob es sich bei dem neu entdeckten Teilchen aber wirklich um das mysteriöse Higgs-Boson handelt, wissen die Wissenschaftler erst, wenn sie alle Messdaten ausgewerten haben.

8. Juni 2012: Neutrinos doch nicht schneller als Licht

Im September 2011 hatten CERN-Forscher Messungen veröffentlicht, die nahelegen, dass manche Elementarteilchen schneller als das Licht unterwegs sein könnten. Das hätte Einsteins Relativitätstheorie infrage gestellt. Doch die überraschenden Ergebnisse können in weiteren Versuchen nicht mehr erreicht werden. Das Team berichtet bereits Ende Februar 2012 von Fehlerquellen im Versuch, unter anderem war ein Glasfaserkabel defekt. Am 8. Juni bestätigt das CERN dann offiziell, dass die früheren Ergebnisse falsch waren. "Die vom CERN nach Gran Sasso gesendeten Neutrinos respektieren die kosmische Geschwindigkeitsbegrenzung", heißt es trocken in der offiziellen Mitteilung.

30. März 2012: Kollision mit Rekordgeschwindigkeit

Via Twitter vermeldet das CERN, dass im Teilchenbeschleuniger LHC Protonen mit neuer Rekordenergie kollidiert sind: Die Energie betrug erstmals acht Tera-Elektronenvolt (8 teV). Ausgelegt ist der LHC auf 14 TeV, bisher waren nur sieben erreicht worden. Bei den Kollisionen entstehen zahlreiche Folgeteilchen. Die Physiker möchten unter anderem herausfinden, ob sich darunter auch das "Higgs-Teilchen" befindet. Müsste die Existenz dieses - nach dem britischen Physiker Peter Higgs benannten - Teilchens ausgeschlossen werden, stünde auch das theoretische Standardmodell vom Materienaufbau auf der Kippe.

16. März 2012: Experiment bestätigt Einstein

Ein neues Experiment wirft Zweifel an den spektakulären Messungen vom Herbst 2011 auf: Damals hatten Forscher überlichtschnelle Neutrinos gefunden. Physiker der "Icarus"-Forschungsgruppe am CERN können diese Beobachtung nicht bestätigen. Bei ihrem Experiment haben die extrem leichten Elementarteilchen die Lichtgeschwindigkeit nicht überschritten.

23. Februar 2012: Alles nur ein Messfehler?

Die Annahme, dass manche Neutrinos schneller als Licht unterwegs seien, könnte auf Messfehlern beruhen: Ein kaputtes Glasfaserkabel und ein unzuverlässig arbeitendes GPS-Gerät haben die Geschwindigkeitsmessungen vielleicht beeinflusst, räumen die Wissenschaftler ein. Weitere Tests sollen die wahre Schnelligkeit der Teilchen nun ans Licht bringen.

18. November 2011: Noch einmal schneller als das Licht

Laut CERN haben Physiker in einem neuen Versuch wieder Teilchen unter Italien hindurchgeschossen, aber dieses Mal mit einer "präziseren" Methode nachgemessen. Das Ergebnis ist das gleiche wie im Versuch vom September: Die Teilchen waren schneller als die errechnete Lichtgeschwindigkeit. Mit dem Test kann zwar eine potenzielle Fehlerquelle des ersten Versuchs ausgeschlossen werden. Dennoch gab sich das CERN vorsichtig. Die beobachtete Anomalie bei der Neutrino-Reisezeit der Teilchen vom CERN ins rund 730 Kilometer entfernte Grand Sasso in den Abruzzen bedürfe nach wie vor weiterer Überprüfung und unabhängiger Messungen, bevor sie widerlegt oder bestätigt werden könne.

23. September 2011: Neutrinos schneller als Lichtgeschwindigkeit

Winzige Elementarteilchen sollen bei einem europäischen Experiment nach jüngsten Messungen schneller als das Licht unter Italien hindurchgerast sein. Die Lichtgeschwindigkeit gilt nach der Relativitätstheorie als Tempogrenze im Universum und ist bislang in keinem Experiment durchbrochen worden. Die Neutrinos waren bei dem Opera-Experiment 0,025 Promille zu schnell unterwegs. Unabhängige Messungen müssen dieses Ergebnis jetzt bestätigen. Vorerst gehen die Forscher trotz aller technischen Präzision von einem Messfehler aus.

1. Februar 2011: CERN läuft weiter bis 2012

Der weltgrößte Teilchenbeschleuniger LHC soll bis Ende 2012 mit einer Leistung von 3,5 Teraelektronenvolt (TEV) pro Strahl laufen. Erst dann folgt die zeitraubende Umstellung auf die volle Leistung von sieben TEV pro Strahl, die rund ein Jahr dauern soll. CERN-Forschungsdirektor Sergio Bertolucci sagte, es bestehe die Möglichkeit, dass bis Ende des Jahres 2012 neue Teilchen - wie das Higgs Boson - entdeckt werden könnten.

7. November 2010: Nah dran am Urknall

Erstmals lassen die Forscher im LHC-Teilchenbeschleuniger Blei-Atomkerne aufeinanderprallen. Es entstehen dabei zehn Milliarden Grad heiße, subatomare Mikro-Feuerbälle. Sie sind eine Million Mal heißer als das Zentrum der Sonne. Bei diesen Temperaturen schmelzen Protonen und Neutronen, aus denen die Atomkerne bestehen - das ist ein "Mini-Urknall".

7. November 2010: Nah dran am Urknall

"Ich freue mich darauf, ein kleines Stückchen von dem zu erforschen, woraus das Universum eine millionstel Sekunde nach dem Urknall bestand", sagt David Evans von der Universität Birmingham. Bei den jetzt erreichten Temperaturen entsteht eine heiße Suppe aus Quarks und Gluonen, den Bausteinen von Protonen und Neutronen. Die Forscher wollen mit dem Experiment mehr über die "Starke Kraft" lernen, die Atomkerne zusammenhält.

30. März 2010: Energierekord

Zwei misslungene Versuche, dann hat es doch noch geklappt: Die Forscher am CERN beschleunigen zwei Protonenstrahlen auf insgesamt sieben Tera-Elektronenvolt (TeV) und lassen sie zusammenprallen. Mit nahezu Lichtgeschwindigkeit werden die zwei Strahlen durch die ringförmige Röhre gejagt. Zunächst bremst das Sicherheitssystem des Beschleunigers die Versuche ab, dann gibt es noch Probleme mit der Energieversorgung. Erst beim dritten Versuch läuft alles nach Plan. Nun wird der LCH für das nächste Ziel neu ausgerichtet: 14 TeV.

19. März 2010: Zwischenetappe

Am 19. März gelingt eine Kollision mit 3,5 Tera-Elektrovolt. Auch dies ist schon ein Crash mit Rekordenergie. Erst weniger Wochen vorher war der LHC wieder in Betrieb genommen worden. Seit Dezember 2009 war der Beschleuniger stillgestanden. Am 28. Februar 2010 wird der ringförmige Tunnel des Kernforschungsinstituts CERN wieder in Betrieb genommen.

30. November 2009: Stärker als alle anderen

Wasserstoff-Atomkerne werden auf eine Geschwindigkeit katapultiert, die bisher von irdischen Beschleunigern unerreicht ist. Die beiden Protonenstrahlen im LHC erreichen die größte bis dahin gemessene Energiemenge. Miit 1,18 TeV schlagen sie den bisherigen Rekord von 0,98, der vom US-amerikanischen Beschleuniger Tevatron in Chicago stammt. Dieser Erfolg ist für die Forscher am CERN aber nur ein Zwischenschritt. Das eigentliche Ziel ist, Bedingungen wie beim Urknall zu simulieren.

10. September 2008: Offizieller Betriebsstart

Um 10.28 Uhr MEZ umrundetet der erste Strahl mit Atomkernen den Tunnel des LHC. "Ein historischer Moment", sagte damals Rolf-Dieter Heuer, der designierte Generaldirektor des Europäischen Forschungszentrums für Teilchenphysik CERN. Doch eine Panne im Kühlsystem legte die "Urknallmaschine" schon neun Tage später wieder lahm. Erst am 20. November 2009 konnte der Teilchenbeschleuniger neu gestartet werden.

Müdes Material

Magnetröhre im LHC

Der LHC musste 2013 auch deswegen abgeschaltet werden, weil die Magnete mit der Zeit immer schwächer werden. Sie sind supraleitend, das heißt, sie haben keinen elektrischen Widerstand. Um sie in diesen Zustand zu bringen, müssen sie auf unter minus 270 Grad gekühlt werden. Beim Abkühlen und Aufwärmen dehnen sich die Magnete aber aus und schrumpfen wieder zusammen, was das Material mechanisch so stark belastet, dass die magnetische Wirkung mit der Zeit nachlässt.

Rennbahn für Elementarteilchen

In dem rund vier Milliarden Euro teuren Beschleuniger ist es minus 271,3 Grad Celsius kalt. Hunderte Tonnen von flüssigem Helium sind für die Kühlung notwendig. Wenn jedoch Teilchen mit annähernder Lichtgeschwindigkeit aufeinanderprallen, wird es 100.000 Mal heißer als im Zentrum der Sonne. Die Energie der Teilchenstrahlen ist enorm: Sie würde reichen, um eine Tonne Kupfer zum Schmelzen zu bringen.

ATLAS am Ring

Der Atlas-Detektor am LHC

Rund um den LHC-Ring stehen Teilchendetektoren, die messen, was beim Zusammenprall der Teilchen passiert. Einer davon ist der ATLAS-Detektor. Er ist 22 Meter hoch, 40 Meter lang und 7.000 Tonnen schwer. Rund 4.000 Wissenschaftler und 1.000 Studenten arbeiten an diesem gigantischen Messgerät. Dünne Siliziumscheiben zeichnen auf, welche Teilchen nach der Kollision in alle Richtungen auseinanderfliegen. Bei 40 Millionen Strahlkreuzungen pro Sekunde entsteht eine gewaltige Menge an Daten. Wenn der LHC ab 2025 deutlich mehr Leistung hat, wird sich die Datenmenge aber voraussichtlich verzehnfachen. Daher muss auch ATLAS aufgerüstet werden.

Weltweites Rechnernetz

Kollision von Blei-Ionen im LHC

Der LHC liefert rund 5.000 Wissenschaftlern in 500 Forschungsinstituten Daten: Diese werden in 33 Ländern mit mehr als 100.000 Computern ausgewertet, die zu einem weltweiten Verbund von Rechnern und Rechenzentren mit dem Namen GRID (englisch für "Netz") zusammengeschaltet sind. Sogar private Computer können mit einbezogen werden. Fünf Millionen Gigabyte - eine Datenmenge, wie sie auf rund sieben Millionen CDs zu finden ist - müssen jährlich bewältigt werden. Die Rechenaufträge werden automatisch auf die vorhandenen Kapazitäten verteilt.

CERN und das World Wide Web

Die populärste Errungenschaft des Teilchenforschungszentrums ist das World Wide Web, das 1990 am CERN erfunden wurde, um den Physikern den Datenzugriff zu erleichtern. Dabei ist das "WWW" nur eines von vielen Nebenprodukten aus dem 1954 gegründeten Forschungszentrum, an dem bis zu 10.000 Menschen aus gut 80 Nationen arbeiten. Derzeit sind 22 Länder an dem Zentrum beteiligt. Deutschland ist einer der größten Geldgeber.

Weitere Teilchenbeschleuniger

FAIR in Darmstadt

Neben Deutschland sind Slowenien, Indien, Schweden, Finnland, Frankreich, Rumänien, Polen und Russland am neuen Teilchenbeschleuniger FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) beteiligt. Baustart des "kleinen Bruders von CERN" war 2017. Rund 1,3 Milliarden Euro soll die Anlage auf dem Gelände des GSI-Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung kosten. Den Löwenanteil der Kosten übernimmt Deutschland.

Mit dem 1,1 Kilometer langen, kreisförmigen Teilchenbeschleuniger wollen die Forscher Neues über die Entstehung des Universums und den inneren Aufbau der Materie sowie über die Antimaterie erfahren. Während im CERN die Teilchen höhere Geschwindigkeiten und Temperaturen erreichen und damit dem Urknall schon sehr nahe kommen, sollen im Teilchenbeschleuniger FAIR schwerere Teilchen in größerer Menge aufeinanderprallen.

2025 soll FAIR seine Arbeit aufnehmen und Ionenstrahlen von bisher nicht gekannter Qualität und Intensität produzieren. So sollen vielfältige neue Experimente möglich sein, von denen sich 3.000 Forscher aus 50 Ländern Antworten auf verschiedene Fragen erhoffen: Wie sind Atomkerne aufgebaut? Was hält sie zusammen? Was geschieht im Innern von Sternen? Was geschah nach dem Urknall? Wie wirken Ionenstrahlen auf Werkstoffe und Gewebe?

Japans Belle II

Nicht nur am CERN wird den Teilchen auf den Grund gegangen. In Japan gibt es zum Beispiel am nationalen Forschungszentrum für Hochenergiephysik (KEK) einen Beschleunigerring mit drei Kilometer Durchmesser. Für ein neues Mammutprojekt soll dieser Beschleunigerring nun so aufgerüstet werden, dass sein Strahl eine noch höhere Dichte hat. Belle II heißt das Experiment, für das Japan mit internationalen Partnern kooperiert. Es geht um die Frage, wieso Materie überhaupt existiert und sich nicht nach dem Urknall mit Antimaterie gegenseitig vernichtet hat. Bisher nehmen Wissenschaftler an, dass die Materie die Oberhand behalten hat, weil die Urteilchen in mehr Protonen als die Antimaterie in Anti-Protonen zerfallen ist.

Mit Belle II wollen Wissenschaftler in Teilchenkollisionen Antimaterie und Materie aufeinanderprallen lassen und überprüfen, wie so ein Ungleichgewicht zustande kommen kann. Für die Aufgabe muss aber auch ein neuer Detektor her. Der Belle II-Dektektor, der die Zerfallsprodukte noch genauer messen soll, wird in einer internationalen Zusammenarbeit von 15 Ländern gebaut - auch mit deutscher Beteiligung. 2016 konnte der Beschleuniger die ersten Teilchenstrahlen durch den Ring schicken.


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