In einem neuen Strategiepapier stellt Europas Teilchenphysik Weichen für die Zukunft. Die Pläne sehen eine erhöhte Produktion der masseverleihenden Higgs-Bosonen vor. Eine Higgs-Fabrik soll helfen, grundlegende Rätsel des Universums zu lösen. Zudem ist ein Beschleuniger geplant, der die Superlative sprengt. In einem unterirdischen Ring von 100 Kilometer Umfang sollen Teilchen mit der siebenfachen Energie des derzeit größten Beschleunigers, des Large Hadron Collider (LHC) am Kernforschungszentrum Cern in Genf, aufeinanderprallen. Jochen Schieck, Direktor des Instituts für Hochenergiephysik (Hephy) in Wien, der an dem Strategiepapier beteiligt war, erklärt, in welchen Schritten der Ausbau erfolgen könnte, und warum die Kernphysik diese Pläne verfolgt.

Künstlerische Darstellung der Aktivität des Higgs-Boson, dessen präzise Vermessung bei der Lösung der Rätsel des Universums helfen soll. - © apa/öaw/Harald Ritsdch
Künstlerische Darstellung der Aktivität des Higgs-Boson, dessen präzise Vermessung bei der Lösung der Rätsel des Universums helfen soll. - © apa/öaw/Harald Ritsdch

"Wiener Zeitung": Derzeit sind Physiker den Ursprüngen des Universums mit dem Large Hadron Collider auf der Spur. Protonen, die neben Neutronen und Elektronen zu den Bausteinen der Atome zählen, aus denen wiederum Materie zusammengesetzt ist, werden auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und gegenläufig um den Ring gejagt. Die Hoffnung ist, dass sie zusammenprallen und in ihre Elementarteilchen zerfallen, wodurch eine Situation wie kurz nach dem Urknall entsteht. Auf diese Weise wurde 2012 das Higgs-Teilchen nachgewiesen - Vorhersage wie Nachweis wurden mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. Wie geht es weiter?

Jochen Schieck ist Chef des Instituts für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und Professor für Kern- und Teilchenphysik an der TU Wien. - © APA/OTS, Ludwig Schedl
Jochen Schieck ist Chef des Instituts für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und Professor für Kern- und Teilchenphysik an der TU Wien. - © APA/OTS, Ludwig Schedl

Jochen Schieck: Der Nachweis des Higgs-Teilchens, das die Erzeugung von Masse konsistent erklärt, war ein elementarer Baustein im Standardmodell der Teilchenphysik (das die bekannten Elementarteilchen und deren Wechselwirkungen beschreibt, Anm.). Doch er war nur der erste Schritt. Jetzt will man das Higgs-Boson besser verstehen, auch zumal es sich von seiner Konstruktion von anderen Teilchen unterscheidet. Dazu brauchen wir eine Higgs-Fabrik.

Wie soll diese Motivation der Physik umgesetzt werden?

Die Form der Umsetzung ist noch nicht ganz klar. Seit etlichen Jahren gibt es in Japan das Projekt International Linear Collider (ILC). Die Technik wurde in Europa mitentwickelt und der ILC ist Teil der europäischen Kern- und Teilchenphysik. Diese Maschinen sind nämlich so groß und teuer, dass kein Land sie alleine bauen könnte. Aber für den ILC gibt es derzeit weder eine Genehmigung noch die Finanzierung durch ein internationales Konsortium.

Welche Alternativen liegen vor?

Am Cern in Genf verfolgen wir die Idee, einen größeren Beschleuniger zu bauen als den LHC, der bis 2038 in Betrieb sein soll. Der Future Circular Collider (FCC) soll 100 Kilometer Umfang haben und ab 2040 als Higgs-Fabrik agieren. Zudem wäre er der erste Schritt, Teilchen mit 100 Terra-Elektronenvolt zu beschleunigen. Aber auch der FCC ist noch nicht genehmigt - er befindet sich im Stadium der Machbarkeitsstudie. Es handelt sich um eine Empfehlung der Strategiegruppe des Cern. Diese vereint Teilchenphysiker aus den europäischen Mitgliedsländern, darunter Österreich.

Bei einer vom Hephy und der Österreichischen Akademie der Wissenschaften organisierten Studienreise zum Cern vergangenen Oktober war zu erfahren, dass auch ein kleinerer Beschleuniger - der High Luminosity Collider, in Betrieb gehen soll. Wann startet er?

Der Hi Lumi LHC wird gebaut und ist das derzeit wichtigste Projekt des Cern. Er soll 2025 starten und bis Mitte oder Ende der 2030er Jahre laufen. Er ist ein Proton-Proton-Beschleuniger, in dem versucht wird, bei hohen Energien neue Phänomene zu entdecken, man aber nur eine beschränkte Präzision erreicht. Der Hi Lumi LHC ist keine Higgs-Fabrik. Diese Leistung könnten der ILC oder der FCC bieten, wo Elektronen und Positronen punktförmig aufeinander prallen, und man die masseverleihenden Higgs-Bosonen sehr präzise messen kann. Da alles relativ teuer ist, müssen wir eine Entscheidungsgrundlage schaffen. Es ist ein wichtiger Teil der Strategie, unterschiedliche Beschleunigungsformen zu untersuchen.

Das Hi Lumi LHC-Projekt ist mit einer Milliarde Euro budgetiert, der rekordartige FCC soll bei den 23 Mitgliedsstaaten des Cern mit 10,5 Milliarden Euro zu Buche schlagen. Welche Rätsel sind so viel wert?

Das Standardmodell ist eine in sich eine konsistente Theorie. Alle mikroskopischen Messungen, die wir machen, stimmen mit ihm überein. Aber es gibt Beobachtungen, die es nicht erklärt, wie Dunkle Materie. Wir inspizieren Bereiche, in denen das Standardmodell nicht funktioniert, um einen Hebel für Stellen zu finden, wo wir genauer hinschauen müssen. Wo wir Unbeständigkeiten sehen, muss es Prozesse geben, in die die neuen Phänomene mit hineinspielen. Wir gehen vor wie jemand, der an einer dunklen Wand Unebenheiten, hinter denen sich etwas verbergen könnte, zu erspüren sucht.

Grundlegend: Welche Rätsel beschäftigen die Teilchenphysik?

Wir beobachten im Universum vier bis fünf Mal mehr gravitativ anziehende Materie als es sichtbare Materie gibt. Die Anziehungskraft aufgrund der Schwerkraft ist viel größer als - plump gesagt - von den Sternen, die wir beobachten, zu erwarten wäre. Vielleicht gibt es Teilchen, die nicht leuchten, also nicht elektromagnetisch wechselwirken. Da das Standardmodell aber kein Teilchen mit solchen Eigenschaften vorhersagt, vermuten wir welche, die wir noch nicht kennen.

Und was treibt die Physik noch um?

Eine andere große Fragestellung ist der Überschuss von Materie gegenüber Antimaterie. Es muss Prozesse geben, die Antimaterie leichter in Materie umwandeln als umgekehrt. Wir kennen solche Prozesse ebenfalls aus dem Standardmodell, allerdings erklärt es die Asymmetrie nicht ausreichend. Also gibt es vielleicht noch weitere Prozesse, die die Diskrepanz verursachen. Zudem erklärt das Standardmodell nur fünf Prozent der Materie. Das Universum aber besteht zu 25 Prozent aus Dunkler Materie und zu 70 Prozent aus Dunkler Energie, die wir noch viel weniger kennen. Das heißt, 95 Prozent der Welt sind unbekannt.

Außerdem erklärt das Standardmodell nur drei der vier fundamentalen Kräfte: die elektromagnetische, die starke und die schwache Kraft. Aber die Gravitation, die über große Distanzen und kleine Energien wirkt, und die Einstein in der Allgemeinen Relativitätstheorie beschreibt, ist kein Teil des Standardmodells.

Wie könnte man in der Frage der Schwerkraft weiterkommen?

Es muss irgendetwas Unbekanntes passieren bei sehr hohen Energien. Die Entdeckung der Gravitationswellen war ein Beweis für die Allgemeinen Relativitätstheorie, aber noch bringen wir die Gravitation und die Quantenmechanik nicht zusammen. Wie die Schwerkraft übertragen wird, ist eine ungeklärte Frage. Wir stellen uns im Standardmodell vor, dass Kräfte über den Austausch von Teilchen übertragen werden. Aber zu einem ähnlichen, quantenbasiertem Bild, etwa zum Austausch von Gravitonen, gibt es keine konsistente Theorie.

Also beginnen Sie mit dem Bekannten und hoffen, dass das Higgs-Boson die Richtung weist?

Genau. Wir wollen ergründen, ob jenes Boson, das wir 2012 entdeckt haben, wirklich genau so ist, wie wir es uns vorgestellt hatten. Um diese Frage sicher zu beantworten, müssen wir möglichst viele der Teilchen ansehen.