Large Hadron Collider

Large Hadron Collider (LHC), der leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger der Welt. Der LHC wurde von der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN) in demselben 27 km langen Tunnel gebaut, in dem auch der Large Electron-Positron Collider (LEP) untergebracht ist. Der Tunnel ist kreisförmig und befindet sich 50-175 Meter unter der Erde an der Grenze zwischen Frankreich und der Schweiz. Der LHC nahm am 10. September 2008 seinen ersten Testbetrieb auf. Ein elektrisches Problem in einem Kühlsystem führte am 18. September zu einem Temperaturanstieg von etwa 100 °C in den Magneten, die bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (-273,15 °C) arbeiten sollen. Frühe Schätzungen, dass der LHC schnell repariert werden würde, erwiesen sich bald als zu optimistisch. Er wurde am 20. November 2009 wieder in Betrieb genommen. Kurz darauf, am 30. November, löste er das Tevatron des Fermi National Accelerator Laboratory als leistungsstärksten Teilchenbeschleuniger ab, als er Protonen auf Energien von 1,18 Teraelektronenvolt (TeV; 1 × 1012 Elektronenvolt) beschleunigte. Im März 2010 gaben Wissenschaftler des CERN bekannt, dass der LHC aufgrund eines Problems mit dem Design des supraleitenden Drahtes nur mit halber Energie (7 TeV) betrieben werden kann. Der LHC wurde im Februar 2013 abgeschaltet, um das Problem zu beheben, und im April 2015 wieder in Betrieb genommen, um mit seiner vollen Energie von 13 TeV zu arbeiten. Eine zweite lange Abschaltung, während der die Ausrüstung des LHC aufgerüstet werden sollte, begann im Dezember 2018 und soll Ende 2021 oder Anfang 2022 enden.

Das Herzstück des LHC ist ein Ring, der sich durch den Umfang des LEP-Tunnels zieht; der Ring hat einen Durchmesser von nur wenigen Zentimetern, ist stärker evakuiert als der Weltraum und bis auf zwei Grad vom absoluten Nullpunkt abgekühlt. In diesem Ring werden zwei gegenläufige Strahlen aus schweren Ionen oder Protonen auf Geschwindigkeiten von bis zu einem Millionstel Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. (Protonen gehören zu einer Kategorie schwerer subatomarer Teilchen, die als Hadronen bezeichnet werden, daher auch der Name dieses Teilchenbeschleunigers). An vier Punkten des Rings können sich die Strahlen kreuzen, und ein kleiner Teil der Teilchen stößt mit ihnen zusammen. Bei maximaler Leistung werden Kollisionen zwischen Protonen mit einer kombinierten Energie von bis zu 13 TeV stattfinden, was etwa siebenmal mehr ist als bisher erreicht wurde. An jedem Kollisionspunkt befinden sich riesige Magnete mit einem Gewicht von Zehntausenden von Tonnen und eine Reihe von Detektoren, die die bei den Kollisionen entstehenden Teilchen auffangen sollen.

Die Realisierung des Projekts dauerte ein Vierteljahrhundert; die Planung begann 1984, und 1994 wurde endgültig grünes Licht gegeben. Tausende von Wissenschaftlern und Ingenieuren aus Dutzenden von Ländern waren an der Konzeption, der Planung und dem Bau des LHC beteiligt, und die Kosten für Material und Arbeitskräfte beliefen sich auf fast 5 Milliarden Dollar; darin sind die Kosten für den Betrieb von Experimenten und Computern nicht enthalten.

Ein Ziel des LHC-Projekts ist es, die grundlegende Struktur der Materie zu verstehen, indem die extremen Bedingungen, die in den ersten Momenten des Universums herrschten, gemäß dem Urknallmodell nachgebildet werden. Jahrzehntelang haben Physiker das so genannte Standardmodell für fundamentale Teilchen verwendet, das gut funktioniert hat, aber auch Schwächen aufweist. Erstens, und das ist der wichtigste Punkt, erklärt es nicht, warum einige Teilchen Masse haben. In den 1960er Jahren postulierte der britische Physiker Peter Higgs ein Teilchen, das zu Beginn der Zeit mit anderen Teilchen wechselwirkte, um ihnen ihre Masse zu verleihen. Das Higgs-Boson war nie beobachtet worden – es sollte nur bei Kollisionen in einem Energiebereich entstehen, der für Experimente vor dem LHC nicht zugänglich war. Nach einem Jahr der Beobachtung von Kollisionen am LHC gaben die Wissenschaftler dort 2012 bekannt, dass sie ein interessantes Signal entdeckt hatten, das wahrscheinlich von einem Higgs-Boson mit einer Masse von etwa 126 Gigaelektronenvolt (Milliarden Elektronenvolt) stammte. Weitere Daten bestätigen diese Beobachtungen definitiv als die des Higgs-Bosons. Zweitens erfordert das Standardmodell einige willkürliche Annahmen, die nach Ansicht einiger Physiker durch die Annahme einer weiteren Klasse von supersymmetrischen Teilchen gelöst werden könnten; diese könnten durch die extremen Energien des LHC erzeugt werden. Schließlich könnte die Untersuchung von Asymmetrien zwischen Teilchen und ihren Antiteilchen einen Hinweis auf ein weiteres Rätsel liefern: das Ungleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie im Universum.