10.5 Experimentelle Teilchenforschung am CERN

Quelle: Themenpool §12 · Mitschrift §2.3

CERN (bei Genf, ✎ 1954 als europäisches Friedens- und Kooperationsprojekt der Nachkriegszeit gegründet) betreibt den größten Teilchenbeschleuniger der Welt, den LHC (Large Hadron Collider) (✎ Ringtunnel mit ~27 km Umfang, rund 100 m unter der Erde; zum Namen „Hadron" siehe §10.2 — die kollidierenden Protonen/Blei-Kerne sind Hadronen).

Aufbau und Arbeitsweise (Schritt für Schritt):

1. Warum ein Beschleuniger? Nach $E=m{c}^2$ braucht man zum Erzeugen schwerer Teilchen (Higgs, $W/Z$, neue Teilchen) sehr viel Energie. Diese steckt man als Bewegungsenergie in die Protonen: Je schneller (energiereicher) sie kollidieren, desto schwerere Teilchen können beim Aufprall „aus Energie" entstehen.
2. Beschleunigung: Zuerst werden Protonen in Linearbeschleunigern vorbeschleunigt, dann in ein Synchrotron (Ringbeschleuniger) eingespeist, wo sie viele Runden laufen und bei jeder Runde Energie aufnehmen. Zwei Aufgaben werden dabei getrennt erledigt:
   • Auf der Kreisbahn halten — die Lorentzkraft. Die eigentliche Kraft, die die geladenen Protonen auf die Ringbahn zwingt, ist die Lorentzkraft $\overrightarrow{F}=q\overrightarrow{v}\times \overrightarrow{B}$: Ein Magnetfeld $\overrightarrow{B}$ lenkt jedes bewegte geladene Teilchen senkrecht zu seiner Geschwindigkeit ab und biegt die Bahn so zum Kreis. Die LHC-Ablenkmagnete erzeugen dafür ein extrem starkes Feld von ~8 Tesla — das gelingt nur mit supraleitenden Magneten (verlustfreier, sehr großer Strom; siehe Thema 14 §14.8, Anwendung CERN/LHC).
   • Beschleunigen — die Kavität. Schneller gemacht werden die Protonen nicht von den Magneten, sondern in Kavitäten (Hohlraumresonatoren, engl. cavity): Hohlräume mit einem hochfrequenten elektrischen Wechselfeld, das genau im richtigen Takt „schiebt", sodass die Protonen bei jedem Durchlauf einen Energieschub bekommen (vgl. das beschleunigende E-Feld, das auf bewegte Ladungen wirkt).
3. Warum ein Ring (Kollider)? Zwei Protonenstrahlen laufen gegenläufig und werden frontal zur Kollision gebracht — so addieren sich beide Energien (viel wirkungsvoller, als auf ein ruhendes Ziel zu schießen).
4. Vier Detektoren an den Kreuzungspunkten registrieren, welche Teilchen bei der Kollision entstehen und wohin sie fliegen: ATLAS und CMS (Allzweck, u. a. Higgs-Suche), ALICE (Quark-Gluonen-Plasma) und LHCb (Materie-Antimaterie-Asymmetrie).

Abbildung: Energiebilanz des Universums — sichtbare Atome nur ~4,6 %, dunkle Materie ~23 %, dunkle Energie ~72 %. Der CERN sucht die unsichtbaren 95 %.

Abbildung: Galaktische Rotationskurven — die beobachtete Rotationsgeschwindigkeit (rot) bleibt nach außen hoch, die aus sichtbarer Masse berechnete (blau) fällt ab. Diese Diskrepanz ist ein Hauptindiz für dunkle Materie.

Forschungsziele

1) Dunkle Materie — erklärt, warum Sterne am Galaxienrand schneller rotieren als aus der sichtbaren Masse berechnet; manche Galaxienhaufen bräuchten bis zur 400-fachen Masse, um zusammenzuhalten. Sie wechselwirkt über die Gravitation, ist aber sonst unsichtbar — bisher ein theoretisches Konstrukt.

2) Dunkle Energie — erklärt die immer schnellere Expansion des Universums; die sichtbare Materie macht nur einen extrem geringen Anteil der Gesamtenergie aus.

3) Higgs-Theorie / Higgs-Teilchen — erklärt, woher Teilchen ihre Masse haben:

• Das Higgs-Feld durchzieht den ganzen Raum (es ist überall, auch im „leeren" Vakuum).
• ✎ Mechanismus (anschaulich): Ein Teilchen, das sich durch dieses Feld bewegt, wird vom Feld „gebremst", als müsste es sich durch einen zähen Sirup schieben — dieser Widerstand gegen Beschleunigung ist genau das, was wir als (träge) Masse erleben.
• Je stärker ein Teilchen mit dem Higgs-Feld wechselwirkt, desto größer seine Masse. Ein Top-Quark koppelt stark → sehr schwer; das Photon koppelt gar nicht → masselos (und fliegt deshalb mit Lichtgeschwindigkeit).
• Das Higgs-Teilchen ist die „Anregung" dieses Feldes (wie eine Welle im Sirup). Sein Nachweis bestätigt, dass das Feld wirklich existiert. 2012 am CERN (ATLAS & CMS) nachgewiesen.

4) Quark-Gluonen-Plasma — ein Zustand, in dem Quarks frei sind (nicht gebunden). Sehr schwer zu erzeugen (extreme Energien nötig), aber wichtig, weil Quarks sonst wegen des Confinements (das „Einsperren" der Quarks: Die starke Kraft wird mit zunehmendem Abstand stärker, sodass ein Quark nie allein freikommt — beim Auseinanderziehen entsteht aus der Energie lieber ein neues Quark-Paar) nicht einzeln erforschbar sind. Hypothese: Quarksterne (zwischen Neutronenstern und schwarzem Loch, durch das Pauli-Prinzip stabilisiert) — bisher nicht gefunden. ✎ Das Quark-Gluonen-Plasma ist genau der Zustand, in dem sich das ganze Universum in den ersten Mikrosekunden nach dem Urknall befand — der Detektor ALICE stellt ihn mit Blei-Kern-Kollisionen (Schwerionen) kurzzeitig nach: gewissermaßen ein Blick zurück auf die „erste Mikrosekunde" des Universums im Labor.

5) Supersymmetrie (SUSY) — postuliert zu jedem Boson ein supersymmetrisches Fermion und umgekehrt (Bosonen = ganzzahliger Spin, Kraftvermittler; Fermionen = halbzahliger Spin, Materie). Kandidat WIMP (Weakly Interacting Massive Particle) — wechselwirkt nur schwach + gravitativ, große Masse; das leichteste wäre das Neutralino (möglicher Bestandteil der dunklen Materie). Bisher kein WIMP gefunden → SUSY gilt nicht mehr als gesichert.

6) Mini-schwarze-Löcher — Test der Stringtheorie (ein theoretischer Ansatz, der alle Elementarteilchen nicht als Punkte, sondern als winzige schwingende „Fäden" — Strings — beschreibt und so auch die Gravitation einbinden will), kleiner als Protonen; Lebensdauer ~${10}^{-26}$ s → völlig harmlos (verdampfen sofort durch Hawking-Strahlung).

7) Materie-Antimaterie-Asymmetrie — das Argument Schritt für Schritt:

1. Im Urknall sollte Energie nach $E=m{c}^2$ Teilchen und Antiteilchen immer paarweise (also gleich viele von beiden) erzeugen.
2. Träfen danach gleich viele aufeinander, würden sie sich vollständig annihilieren (§10.3) — es bliebe nur Strahlung, keine Materie. Es gäbe also keine Sterne, keine Erde, kein „Wir".
3. Dass es uns gibt, beweist: Es muss einen winzigen Materie-Überschuss gegeben haben. Das errechnete Ursprungsverhältnis ist

$$\text{Teilchen}:\text{Antiteilchen}=({10}^9+1):{10}^9$$

also auf je eine Milliarde Antiteilchen eine Milliarde-und-ein Teilchen. 4. Die Milliarde Paare annihilierten zu Strahlung; der winzige Rest (jenes eine pro Milliarde) bildet alle heute sichtbare Materie.

Warum überhaupt dieser Überschuss entstand (warum Natur Materie minimal bevorzugt), ist eine offene Frage der modernen Physik — genau das untersucht u. a. der Detektor LHCb am CERN.

✎ Am Rande noch ein hypothetisches Teilchen: Das Tachyon wäre ein überlichtschnelles Teilchen ($v>c$). Existierte es, würde es die Kausalität verletzen (die Wirkung könnte vor ihrer Ursache eintreten) — es wurde nie nachgewiesen und gehört nicht zum Standardmodell.