• Was passiert am LHC?

Der LHC (Large Hadron Collider) ist der leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger der Welt. Hier werden theoretische Modelle überprüft und getestet. Er ist Teil der Anlage des CERN, der Europäischen Organisation für Kernforschung. Über 10.000 WissenschaftlerInnen und TechnikerInnen aus über 100 Staaten waren am Bau der Anlage, welche bei Genf liegt, beteiligt.

LHCDer Beschleunigerring des LHC liegt in einer Tiefe von \(50\,m\) bis \(175\,m\). Quelle: CERN, Maximilien Brice,  CC-BY-SA-4.0

Der Umfang der Beschleunigerröhre beträgt \(26,6\,km\) und liegt in einer Tiefe von \(50\,m\) bis \(175\,m\). Die Röhre wurde unter anderem deshalb unterirdisch gebaut, da es billiger war, das Land zu untertunneln, als den Baugrund oberirdisch zu kaufen. Zudem konnten so auch Umwelteinflüsse minimiert werden.

Ein unvermeidbarer Einfluss bei dieser Dimension ist jedoch die Gezeitenkraft des Mondes. Diese sorgt bei Vollmond und Neumond dazu, dass sich der Tunnelteil, welcher bei Genf liegt, um etwa \(25\,cm\) hebt. Das führt zwar zu einer Längenänderung des Tunnels von nur etwa \(1\,mm\), trotzdem muss diese kleine Veränderung berücksichtigt werden.

Durch die Äquivalenz von Energie und Masse ist es uns möglich, ''aus dem Nichts'' Teilchen zu erzeugen. Die dazu benötigte Energie wird in Form von kinetischer Energie beispielsweise auf Protonen übertragen, welche man kollidieren lässt. Dabei erreichen die Protonen eine Schwerpunktsenergie von etwa 13 TeV. Die Schwerpunktsenergie ist die Summe aus Ruheenergie und kinetischer Energie aller am Stoßprozess beteiligten Teilchen.

Man lässt jedoch immer ganze Protonenpakete kollidieren, welche zusammen eine Energie haben, die einem PKW mit einer Geschwindigkeit von \(1600\,km/h\) entspricht. Die Protonenpakete werden von extrem starken Magnetfeldern in die gewünschten Bahnen gelenkt. Diese werden über supraleitende Zylinderspulen generiert und betragen etwa \(4\,T\). ($T$ ist die Einheit Tesla. Das Erdmagnetfeld beträgt an den Polen, wo es am stärksten ist, etwa \(60\,\mu T\).) Supraleitung bedeutet, dass elektrischer Strom ohne Widerstand fließen kann, was aber nur bei sehr tiefen Temperaturen möglich ist. Dabei muss darauf geachtet werden, dass die Spulen ihre Supraleitung nicht verlieren. Sie müssen deshalb ständig gekühlt werden. Ansonsten kommt es zu einem sogenannten Quench, das heißt ein Supraleiter wird plötzlich normalleitend. Dadurch erhöht sich der Widerstand in der Spule und diese beginnt im schlimmsten Fall zu schmelzen.

Gefahr durch schwarze Löcher?

Aufgrund dieser - für derartige Skalen - immensen Energiemengen, wurden vor allem vor der Inbetriebnahme des LHC kritische Stimmen laut, welche neben der Geldverschwendung auch auf die Gefahren des Unbekannten hinwiesen. Manche befürchteten, dass unbekannte Materie oder sogar mikroskopisch kleine schwarze Löcher entstehen könnten, welche schlussendlich die Erde auslöschen würden.

Tatsächlich könnten sogar mikroskopische schwarze Löcher entstehen, welche aber keine Gefahr darstellen, da sie sofort wieder zerstrahlen würden. Zudem wird die Erde jede Sekunde von einer wesentlich stärkeren Strahlung als jener im LHC bombardiert - der kosmischen Strahlung. Sie wurde vom steirischen Physiker Victor Franz Hess entdeckt, welcher dafür 1936 den Nobelpreis für Physik erhielt. Victor Hess wirkte auch am Institut für Physik der Karl-Franzens-Universität Graz.

Mit LHC wird heute hauptsächlich an folgenden Fronten geforscht:

  • Der Higgs-Mechanismus: Wir haben bereits gesehen, welche Auswirkungen die Theorie von Robert Brout, François Englert und Peter Higgs auf unser Verständnis der Entstehung von Masse hat. Trotz der Entdeckung des Higgs-Bosons bleiben offene Fragen zurück, da bisher erst die Existenz des Bosons bestätigt wurde. Seine Eigenschaften müssen noch genauer studiert werden. Manche Theorien sagen zum Beispiel voraus, dass das Higgs-Teilchen nicht elementar ist, sondern ein Bindungszustand aus anderen Teilchen.
  • Supersymmetrie: Supersymmetrische Theorien nehmen die Existenz weiterer Teilchen an, die quasi ein Spiegelbild der bereits bekannten Teilchen sind. Diese Teilchen würden das bekannte Standardmodell so erweitern, dass jedes Teilchen im Standardmodell einen Partner bekommt. Das leichteste dieser neuen Teilchen ist zudem ein potentieller Kandidat für Dunkle Materie. Supersymmetrie ist aber nur eine Möglichkeit, um das Standardmodell zu erweitern.
  • Dunkle Materie: Am LHC sucht man nach verschiedenen Teilchen, die als Kandidaten für Dunkle Materie in Frage kommen. Verschiedene Theorien machen diesbezüglich verschiedene Vorhersagen. Bisher konnte noch keines dieser Teilchen gefunden werden.
  • Antimaterie: Theoretisch sind die Existenz von Materie und Antimaterie genau gleich berechtigt. Trotzdem gibt es ein Ungleichgewicht zwischen den beiden Materiearten. Gäbe es ein exaktes Gleichgewicht, hätten sich Materie und Antimaterie komplett zerstrahlt - es würde uns nicht geben. Wie es zu diesem Ungleichgewicht kam, ist unklar. Dass es irgendwo im Universum Anhäufungen von Antimaterie gibt, welche die Materie in unserer Umgebung kompensiert, können wir ausschließen. Wenn an der Grenzschicht zu einem solchen Gebiet Antimaterie auf Materie trifft, würden Materie und Antimaterie zerstrahlen. Diese sogenannte Annihilationsstrahlung konnte bisher aber nicht detektiert werden. Am LHC wird deshalb nach einer Erklärung gesucht, warum es so viel mehr Materie als Antimaterie gibt.
  • Quark-Gluon-Plasma: Werden anstelle von Protonen schwere Ionen aufeinander geschossen, entsteht ein Quark-Gluon-Plasma. Das ist jener Zustand, von dem angenommen wird, dass er zu Beginn des Universums, also kurz nach dem Urknall, geherrscht hat.

Einer der Detektoren des LHC, der ATLAS-Detektor. Quelle: CERN, Claudia Marcelloni
Auf der LHC-Homepage wird regelmäßig über aktuelle Forschungen berichtet.

Dieses Video gibt einen interessanten Einblick in den LHC und das Higgs-Teilchen.

Ein Artikel über geplante zukünftige Teilchenbeschleuniger und warum wir sie bauen möchten.
Oder brauchen wir vielleicht gar keine größeren Teilchenbeschleuniger?

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