Das Kernforschungszentrum Cern erhöht die Zahl der Teilchen-Kollisionen.
Genf/Wien. Verstehen wir die Naturgesetze unserer Welt? Derzeit nur teilweise. Zwar wissen wir, aus welchen Elementarteilchen der Kosmos besteht und welchen Kräften er gehorcht. Doch die Antworten auf andere fundamentale Fragen fehlen.
Am Kernforschungszentrum Cern in Genf will man die Lücken schließen. Es gilt die Formel: Mehr ist mehr. Am Montag gab das Cern bekannt, den weltgrößten Teilchenbeschleuniger Large Hadron Collider (LHC) so aufrüsten zu wollen, dass künftig mehr Teilchen-Kollisionen stattfinden können. Von einer größeren Anzahl an hochenergetischen Zusammenstößen erhoffen sich die Forscher mehr Zerfallsprodukte, in denen sie seltene Teilchen suchen, die Hinweise auf eine neue Physik und idealerweise auf eine Weltformel geben könnten.
Warum fällt ein Gegenstand nach unten? Laut dem Standardmodell der Teilchenphysik ist das Universum nach dem Urknall aus zwei Sorten von Elementarteilchen mit je sechs Vertretern entstanden und wird von vier Kräften beherrscht: Quarks und Leptonen, regiert von starker und schwacher Wechselwirkung, elektromagnetischer Kraft und Gravitation. Das Higgs-Boson wurde 2012 am Cern nachgewiesen. Das Elementarteilchen ist einer der wichtigsten Bausteine des Standardmodells. Der Higgs-Mechanismus erklärt, wie die Grundbausteine der Materie ihre Masse erhalten.
Doch die ansonsten erstaunlich genaue Theorie hat Lücken in anderen fundamentalen Fragen. Denn sie erklärt weder die mysteriöse Dunkle Materie, die zwar Gravitation ausübt, jedoch unsichtbar ist, noch die rätselhafte Dunkle Energie, die das Universum auseinandertreibt, noch die Schwerkraft, der alle Lebewesen, Dinge und Planeten ausgesetzt sind. Mit verschiedenen Ansätzen suchen die Physiker daher nach Hinweisen für ein komplexere, über das Standardmodell hinaus reichende "Theorie für alles".
Ein Weg, den sie dabei beschreiten, ist eine höhere Luminosität. Der Fachbegriff bezeichnet die Intensität - oder Anzahl von - Teilchen-Kollisionen. Dazu intensivieren die Cern-Physiker das magnetische Feld im 27 Kilometer langen, unterirdisch verlaufenden LHC. "Im High Luminosity-LHC" (High-Lumi-LHC) sollen ab 2024 hochenergetische Teilchen noch öfter aufeinanderprallen. "Der Bau beginnt am Donnerstag und die Experimente starten 2024 und sind für einen Zeitraum von zehn Jahren geplant", sagt Projektverantwortlicher Paolo Ferracin.
Teilchen-Beschleuniger wie der LHC haben zwei Kennzahlen. Die eine ist die Kollisionsenergie., mit der neue, schwere Teilchen erzeugt werden. Die nun geplante Erhöhung der Kollisionsintensität ermöglicht es hingegen, seltene Vorgänge zu beobachten. "Je seltener die Zerfallsprodukte von Kollisionen sind, desto größer ist der Heuhaufen, in dem wir Nadeln suchen. Das heißt, man muss intensiver, also öfter suchen, um die Chance, diese Prozesse beobachten zu können, zu erhöhen", erklärt Wolfgang Adam, Gruppenleiter des CMS-Experiments am Cern. Gewisse Prozesse lassen sich durch außerdem zunehmend präziser charakterisieren, je öfter sie beobachtet werden. Zu ihnen zählen die Eigenschaften des masseverleihenden Higgs-Boson. "Umso mehr Higgs-Bosone wir erzeugen können, desto besser kennen wir das Teilchen und sein Verhalten", sagt Adam.
Hinweise auf neue Kraft
Bisher wurde das "Gottesteilchen" nur einige 100 bis 1000 Mal beobachtet Die Theorie sagt jedoch seltene Verhaltensweisen des Higgs voraus, die das Standardmodell nicht beinhaltet. Würden die Forschenden also ein von dieser Theorie abweichendes Higgs-Boson finden, könnte dieses die Richtung für eine neue Weltformel weisen.
Einen anderen Ansatz verfolgen Adam und sein Team im CMS-Experiment. Sie versuchen, bei Kollisionen neuartige Teilchen herzustellen, die nicht im Standardmodell nicht enthalten sind. Bei Messungen an bekannten Teilchen wurden nämlich Unstimmigkeiten entdeckt, die auf eine neue Kraft hindeuten könnten, die auf die drei geladenen Leptonen - Elektron, Myon und Tau - unterschiedlich einwirkt. Einer anderen Theorie zufolge handelt es sich bei den Signaturen um ein neues Teilchen, genannt Leptoquark, das gleichzeitig im Quarks und Leptonen wechselwirken kann und erstmals 1974 postuliert wurde. "Wie einst das Higgs sind Leptoquarks derzeit reine Theorie, aber wir versuchen, sie herzustellen", sagt Adam.