Der Large Hadron Collider (LHC) ist ein Wunderwerk der modernen Teilchenphysik, das es Forschern ermöglicht hat, die Tiefen der Realität auszuloten. Seine Ursprünge reichen bis ins Jahr 1977 zurück, als Sir John Adams, der damalige Direktor der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN), den Bau eines unterirdischen Tunnels vorschlug, in dem ein Teilchenbeschleuniger untergebracht werden könnte, der in der Lage ist, außerordentlich hohe Energien zu erreichen, wie der Physiker Thomas Schörner-Sadenius 2015 in einer historischen Abhandlung schreibt.
Zwanzig Jahre später, im Jahr 1997, wurde das Projekt offiziell genehmigt, und der Bau eines 27 Kilometer langen Rings unter der französisch-schweizerischen Grenze begann, der Teilchen auf bis zu 99,99 Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigen und sie zusammenstoßen kann. Innerhalb des Rings leiten 9.300 Magnete Pakete geladener Teilchen 11.245 Mal pro Sekunde in zwei entgegengesetzte Richtungen, um sie schließlich für einen Frontalzusammenstoß zusammenzubringen. Die Anlage ist in der Lage, rund 600 Millionen Kollisionen pro Sekunde zu erzeugen und dabei unglaubliche Energiemengen und hin und wieder ein exotisches, noch nie zuvor gesehenes schweres Teilchen auszuspucken. Der LHC arbeitet mit einer 6,5-mal höheren Energie als der bisherige Rekord-Teilchenbeschleuniger, das stillgelegte Tevatron des Fermilab in den USA.
Der Bau des LHC kostete insgesamt 8 Milliarden Dollar, wovon 531 Millionen Dollar aus den Vereinigten Staaten kamen. Mehr als 8.000 Wissenschaftler aus 60 Ländern arbeiten an seinen Experimenten mit. Der Beschleuniger schaltete seine Strahlen erstmals am 10. September 2008 ein und ließ Teilchen mit nur einem Zehnmillionstel seiner ursprünglichen Intensität kollidieren.
Vor der Inbetriebnahme befürchteten einige, dass der neue Atomzerstörer die Erde zerstören würde, indem er vielleicht ein alles verschlingendes schwarzes Loch erzeugt. Aber jeder seriöse Physiker würde sagen, dass solche Befürchtungen unbegründet sind.
„Der LHC ist sicher, und jede Andeutung, dass er ein Risiko darstellen könnte, ist reine Fiktion“, hat CERN-Generaldirektor Robert Aymar in der Vergangenheit gegenüber LiveScience gesagt.
Das heißt nicht, dass die Anlage bei unsachgemäßem Gebrauch nicht potenziell schädlich sein könnte. Wenn man seine Hand in den Strahl stecken würde, der die Energie eines Flugzeugträgers in Bewegung auf eine Breite von weniger als einem Millimeter bündelt, würde er ein Loch durch sie hindurch machen, und die Strahlung im Tunnel würde einen töten.
Bahnbrechende Forschung
In den letzten zehn Jahren hat der LHC Atome für seine beiden Hauptexperimente ATLAS und CMS zertrümmert, die getrennt voneinander arbeiten und ihre Daten auswerten. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass keine der beiden Kollaborationen die andere beeinflusst und dass beide ihr Schwesterexperiment überprüfen. Die Instrumente haben mehr als 2.000 wissenschaftliche Arbeiten zu vielen Bereichen der fundamentalen Teilchenphysik hervorgebracht.
Am 4. Juli 2012 verfolgte die wissenschaftliche Welt mit angehaltenem Atem, wie die Forscher am LHC die Entdeckung des Higgs-Bosons bekannt gaben, das letzte Puzzlestück in einer fünf Jahrzehnte alten Theorie, dem Standardmodell der Physik. Das Standardmodell versucht, alle bekannten Teilchen und Kräfte (außer der Schwerkraft) und ihre Wechselwirkungen zu erklären. Bereits 1964 schrieb der britische Physiker Peter Higgs eine Abhandlung über das Teilchen, das heute seinen Namen trägt, und erklärte, wie die Masse im Universum entsteht.
Das Higgs ist eigentlich ein Feld, das den gesamten Raum durchdringt und jedes Teilchen anzieht, das sich durch es bewegt. Manche Teilchen stapfen langsamer durch das Feld, was ihrer größeren Masse entspricht. Das Higgs-Boson ist eine Erscheinungsform dieses Feldes, dem die Physiker seit einem halben Jahrhundert hinterherjagen. Der LHC wurde ausdrücklich gebaut, um diese schwer fassbare Beute endlich zu fangen. Als man schließlich herausfand, dass das Higgs die 125-fache Masse eines Protons hat, erhielten sowohl Peter Higgs als auch der belgische theoretische Physiker Francois Englert 2013 den Nobelpreis für die Vorhersage seiner Existenz.
Auch mit dem Higgs in der Hand können die Physiker nicht ruhen, denn das Standardmodell hat immer noch einige Lücken. Zum einen befasst es sich nicht mit der Schwerkraft, die größtenteils durch Einsteins Relativitätstheorien abgedeckt ist. Es erklärt auch nicht, warum das Universum aus Materie und nicht aus Antimaterie besteht, die zu Beginn der Zeit in etwa gleichen Mengen entstanden sein müsste. Und sie sagt nichts über dunkle Materie und dunkle Energie, die bei ihrer Entstehung noch nicht entdeckt worden waren.
Vor der Inbetriebnahme des LHC hätten viele Forscher gesagt, dass die nächste große Theorie die so genannte Supersymmetrie ist, die allen bekannten Teilchen ähnliche, aber viel massivere Zwillingspartner hinzufügt. Einer oder mehrere dieser schweren Partner könnten ein perfekter Kandidat für die Teilchen sein, aus denen die dunkle Materie besteht. Außerdem beginnt die Supersymmetrie, die Schwerkraft in den Griff zu bekommen und zu erklären, warum sie so viel schwächer ist als die anderen drei Grundkräfte. Vor der Entdeckung des Higgs hatten einige Wissenschaftler gehofft, dass das Boson am Ende etwas anders sein würde, als das Standardmodell vorhersagte, was auf eine neue Physik hindeuten würde.
Aber als das Higgs auftauchte, war es unglaublich normal, genau in dem Massenbereich, in dem es nach dem Standardmodell sein sollte. Das ist zwar ein großer Erfolg für das Standardmodell, aber es hat die Physiker ohne gute Anhaltspunkte zurückgelassen. Einige haben begonnen, über die verlorenen Jahrzehnte der Jagd nach Theorien zu sprechen, die auf dem Papier gut klangen, aber anscheinend nicht mit den tatsächlichen Beobachtungen übereinstimmen. Viele hoffen, dass die nächsten Datenerfassungsläufe des LHC dazu beitragen werden, dieses Chaos zu beseitigen.
Der LHC wurde im Dezember 2018 abgeschaltet, um zwei Jahre lang modernisiert und repariert zu werden. Wenn er wieder in Betrieb geht, wird er in der Lage sein, Atome mit einer geringfügig höheren Energie, aber mit der doppelten Anzahl von Kollisionen pro Sekunde zusammenzuschmettern. Was sie dann finden wird, ist noch ungewiss. Es gibt bereits Überlegungen, ihn durch einen noch leistungsfähigeren Teilchenbeschleuniger zu ersetzen, der sich auf demselben Gelände befindet, aber viermal so groß ist wie der LHC. Der Bau dieses gewaltigen Ersatzes könnte 20 Jahre und 27 Milliarden Dollar kosten.