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Saturday, July 11, 2020

Der Teilchenbeschleuniger der Zukunft

Es gibt wenig, was in der Welt der theoretischen Physik, aber auch in der Populärwissenschaft so kontrovers diskutiert wird wie der Bau von Teilchenbeschleunigern, höchstens die astronautische Raumfahrt kann dort mithalten. Dennoch wird nun der Bau eines gigantischen neuen Teilchenbeschleunigers als Nachfolger des LHC vorgeschlagen. Er könnte unsere kühnsten Theorien über den Aufbau der Welt bestätigten – oder aber widerlegen.

Was ist ein Teilchenbeschleuniger eigentlich?

Ich glaube, dass viele Menschen den Bau von Teilchenbeschleunigern kritisieren, weil sie nicht so ganz wissen, was Teilchenbeschleuniger eigentlich sind – dabei steckt es im Namen, Teilchenbeschleuniger beschleunigen verschiedenste Teilchen auf wirklich sehr hohe Geschwindigkeiten, etwa 99,99% der Lichtgeschwindigkeit oder noch mehr.

Dies funktioniert durch elektrische Felder, denn in der Regel sind die Teilchen elektrisch geladen und können durch ein gegensätzliches elektrisches Feld beschleunigt werden. Das funktioniert mit geladenen Atomen, Atomkernen, Molekülen oder aber den Elementarteilchen, aus denen die Atome selbst bestehen. Meist werden leistungsstarke Magnete im Beschleuniger installiert.

Je höher die Energie ist, mit der man diese Teilchen nun kollidieren lässt, desto höher ist auch die Auflösung des Teilchenbeschleunigers, desto kleinere Strukturen kann er also erkennen. Man hofft, dadurch neue und noch grundlegendere Bestandteile unserer Welt zu finden – vielleicht tatsächlich die kleinsten und unteilbaren Bausteine des Universums.

Nachfolger des LHC

Die Autorität in Sachen Teilchenbeschleunigern ist derzeit der Large Hadron Collider (LHC), er liegt in der Schweiz nahe der französischen Grenze und wird vom Europäischen Kernforschungszentrum CERN betrieben, Deutschland leistet sogar den größten Beitrag der 23 am CERN beteiligten europäischen Staaten.

Der LHC hat wirklich gewaltige Ausmaße, der kreisförmige Tunnel liegt unter der Erde, und zwar bis zu 175 Meter tief. Sein Umfang beträgt etwa 27 Kilometer, damit ist er nicht nur der größte Teilchenbeschleuniger, sondern auch die größte von Menschen gebaute Maschine überhaupt. Wie bereits um Wort steckt, beschleunigt der LHC Hadronen, also die Bestandteile der Atome – meist die positiv geladenen Protonen.

Dementsprechend leistungsstark ist der LHC auch, er erreicht eine Energie von 13 bis 14 Teraelektronenvolt, das entspricht einer Geschwindigkeit von 99,9999991% der Lichtgeschwindigkeit – also praktisch kaum zu unterscheiden von ihr. Mit dieser Energie kann er in Größenordnungen von 10-16, also 0,00000000000000001 Meter vordringen.

Das ist deutlich kleiner als ein Proton ist und damit lassen sich auch durchaus neue Teilchen entdecken, ein riesiger Erfolg des LHC war etwa der Nachweis des lange vorhergesagten Higgs-Bosons und einiger anderer Teilchen. Derzeit wird der Beschleuniger modernisiert und wird dann eine noch etwas höhere Energie haben, doch dabei befinden wir uns im Bereich von “nur” einem Teraelektronenvolt Verbesserung.

In dieser Größenordnung haben wir jedoch keine Hinweise auf eine Physik jenseits des Standardmodells gefunden, das ganz neue Teilchen beinhaltet und vielleicht den Urknall und das Innere Schwarzer Löcher erklären kann. Dafür müssen wir vermutlich noch genauer hinsehen und das geht mit dem LHC nicht.

Neue Möglichkeiten

Zudem wird die verbleibende Lebensdauer des LHC auf ungefähr 20 Jahre geschätzt, wenn es nach den Staaten des CERN geht, soll bis dahin ein neuer und viel größerer Teilchenbeschleuniger errichtet worden sein, der Arbeitstitel ist Future Circular Collider (FFC).

Large Hadron ColliderFuture Circular Collider
Umfang27 km100 km
Schwerpunkts-energie14 TeV100 TeV
AufgabenSuche nach
Superpartnern,
Suche nach
dem Higgs-Boson,
Herstellung eines
Quark-Gluon-Plasmas,
Genauere Messung
der Teilcheneigenschaften,
Suche nach
weiteren Teilchen des Standardmodells
Bestimmung der
Neutrinomassen,
Suche nach
Dunkler Materie,
Suche nach
Extradimensionen,
Erzeugung
mikroskopischer
Schwarzer Löcher,
Beobachtung exotischer Teilchenzerfälle,
Erklärung der Baryonenasymmetrie
Kosten4 Mrd. Euro24 Mrd. Euro
Eröffnung20082030er
ObjekteProtonen
Blei-Kerne
Elektronen
Positronen
(evtl. später Protonen)

Er könnte durch seine viel höhere Energie erstmals Hinweise auf eine neue Physik liefern. Dabei wurde der Ansatz der sogenannten Supersymmetrie, die davon ausgeht, dass jedes Teilchen einen sogenannten Superpartner hat, mittlerweile wieder eher verworfen, denn diese hätte man eigentlich bereits im LHC finden müssen – hat man aber nicht.

Allerdings könnte der Future Circular Collider zusätzliche Dimensionen finden, sollten sie existieren und das wäre ein erheblicher Aufschwung für andere Modelle für eine neue Physik, etwa die Stringtheorie. Sie geht davon aus, dass es einen grundlegenden Baustein der Welt gibt, die Strings und diese durch ihre Schwingungsmuster unterschiedliche Teilchen erzeugen.

Das Problem ist aber, dass die möglichen Schwingungsmuster der Strings gar nicht in drei Dimensionen passen, sondern in elf. Dementsprechend wären elf Zahlen notwendig, um die Position eines Objektes eindeutig anzugeben, doch die neun Extradimensionen wären so klein, dass sie fast kaum einen Unterschied machen – so wie eine Stromleitung wie eine Linie aussieht, in Wahrheit aber ebenfalls drei Dimensionen hat.

Solche Extradimensionen könnten tatsächlich in einer Größenordnung liegen, in der man sie durch den FFC entdecken könnte – nämlich durch Schwarze Löcher. Komprimiert man extrem viel Energie auf einen sehr kleinen Raum, dann entsteht ein Schwarzes Loch. Man würde etwa eine Energie von 1,22*1016 TeV pro Quadratzentimeter, also viel mehr als in irgendeinem Teilchenbeschleuniger wohl jemals erreicht werden kann.

Doch sollte es zusätzliche Dimensionen geben, wie die Stringtheorie sie vorhersagt, verändert sich das Gravitationsgesetz auf allen Skalen, die kleiner sind als die Extradimensionen und das senkt die nötige Energie für die Erzeugung eines mikroskopischen Schwarzen Loches immens, sodass der FFC sie erzeugen könnte.

Bedrohen Teilchenbeschleuniger die Erde?

Schwarze Löcher in Teilchenbeschleunigern, das klingt irgendwie ein bisschen gefährlich. Tatsächlich war das auch schon beim Bau des LHC ein Bedenken und sehr viele Menschen haben sich viel zusammen gesponnen. Eine Frau zog etwa gegen das Europäische Kernforschungszentrum vor Gericht, um den Bau in einem Eilantrag zu stoppen und es gab sogar Morddrohungen gegen die Forscher.

Ganz zu schweigen, dass letzteres natürlich sowieso nie zu rechtfertigen ist, war auch die Klage aus wissenschaftlicher Perspektive Unsinn und wurde daher zu Recht vor allen Gerichten abgewiesen. Doch wieso eigentlich?

Wie bereits gesagt könnten bei den Kollisionen im LHC und erst recht im FCC, dessen Aufgabe dies ja sogar ist, Schwarze Löcher entstehen und zwar dann, wenn das Universum mehr als drei Dimensionen hat. Das ist nicht auszuschließen, sonst würde man den Teilchenbeschleuniger ja nicht bauen.

Doch die Erde bedrohen diese hypothetischen Schwarzen Löcher nicht, denn sollten Schwarze Löcher entstehen, dann handelt es sich um sogenannte Micro Black Holes, also sehr winzige Schwarze Löcher, vermutlich kleiner als Elementarteilchen. Nun könnte man meinen, selbst das kleinste Schwarze Loch könne ja Materie aufsaugen und wachsen und somit doch gefährlich werden.

Doch ein Schwarzes Loch ist kein Staubsauger, Objekte müssen den sogenannten Ereignishorizont übertreten um verschlungen zu werden. Wenn ein Objekt zum Schwarzen Loch wird, verändert sich seine Masse ja nicht, die Dichte ist jetzt lediglich höher. Viel wichtiger ist aber, dass diese Schwarzen Miniatur-Löcher nicht lange existieren, wenn sie überhaupt existieren.

Man vermutetet nämlich, dass Schwarze Löcher durch Quanteneffekte zerstrahlen, es handelt sich um die sogenannte Hawking-Strahlung. Man kann sich das in etwa so vorstellen, dass im Vakuum andauernd Paare aus Teilchen und Antiteilchen entstehen und sich gegenseitig auslöschen, sogenannte Vakuumfluktuationen.

Befindet sich nun eine solche Fluktuation direkt an der Grenze des Schwarzen Loches, also am Ereignishorizont, dann kann es vorkommen, dass einer der Partner in das Schwarze Loch fällt, dann kann sich das andere Teilchen nicht mehr auslöschen, es wird also real und verlässt das Schwarze Loches und es enthält Energie. Das andere Teilchen im Schwarzen Loch hingegen wird als negative Energie verrechnet.

Durch diese Strahlung an Teilchen, die vermutlich von einem Schwarzen Loch ausgeht (aber noch nicht nachgewiesen wurde) zerstrahlt ein Schwarze Loch vermutlich und man kann sehr einfach berechnen, wann es das tut:

Man teilt also die dritte Potenz der Masse durch eine bestimmte Konstante und es lässt sich leicht sehen, dass ein Schwarzes Loch desto schneller zerfällt, je kleiner seine Masse ist – genauer gesagt ist seine Lebensdauer proportional zur dritten Potenz seiner Masse. Ein sehr kleines Schwarzes Loch zerstrahlt also sehr schnell.

Ein mikroskopisches Schwarzes Loch würde so schnell zerfallen, dass man vermutlich nur noch die Teilchen registrieren könnte, die es hinterlässt – also gar nicht genug Zeit, um stark anzuwachsen. Aus diesem Grund ist es vollkommen unmöglich, dass ein Teilchenbeschleuniger ein gefährliches Schwarzes Loch erzeugt.

Aber ein paar Verrückte wird es wohl auch beim FCC wieder geben, man kann jedoch davon ausgehen, dass ihre Einsprüche zurecht abgewiesen werden und es bleibt nur, sich zu informieren und den Zweiflern mit Fakten entgegenzutreten.

Size does matter!

Die Ausmaße des FCC sind noch deutlich gewaltiger als die des LHC, wie man bereits aus der Tabelle entnehmen kann. Der Tunnel des FCC wird wohl ebenfalls unter der Erde im Genfer Becken an der schweizerisch-französischen Grenze liegen, dafür eignet sich die Geographie dieses Gebiets gut. Sein Umfang wird etwa 100 Kilometer betragen, er wird also mit großem Abstand die größte Maschine der Welt sein.

Es ist sogar denkbar, das der LHC in den FCC eingebaut wird, etwa als Vorbeschleuniger, zunächst werden dann Energien von 100 TeV erreicht, damit könnte man eventuell in eine Größenordnung von 10-21 Metern vordringen, das ist 100.000-mal mehr als das, was der LHC erreicht und könnte klein genug sein, um Extradimensionen zu finden.

Für einen direkten Nachweis von Strings ist er natürlich viel zu klein und wir werden auch nie einen Beschleuniger bauen können, der dies kann: Er müsste so groß wie eine Galaxie sein und in einer Sekunde so viel Energie verbrauchen wie die Menschheit in ihrer gesamten Geschichte genutzt hat.

Aber sollte der FCC mikroskopische Schwarze Löcher erzeugen, dann wäre dies ein Beweis für Extradimensionen und zumindest ein starkes Indiz für viele Theorien jenseits des Standardmodells, zum Beispiel die Stringtheorie.

ObjektGröße
Vakuumfluktuationen< 1,61625518 * 10-35 m
Planck-Länge1,61625518 * 10-35 m
Geschätzte Auflösung des FCC10-21 m
Geschätzte Größe von Extradimensionen10-18 m
Auflösung des LHC10-16 m
Durchmesser eines Protons1,7 * 10-15 m
Radius eines Wasserstoffatoms5,3 * 10-11 m

Aber mit dieser Energie wären auch noch ganz andere Dinge möglich, man könnte etwa die Massen der bereits bekannten Teilchen genauer bestimmen und die Masse von sogenannten Neutrinos bestimmen, die noch kaum bekannt ist.

Natürlich könnte der FCC auch ganz neue Teilchen finden, die womöglich für die Dunkle Materie verantwortlich sind, dabei handelt es sich um zusätzliche Masse, die sich durch ihre Gravitation bemerkbar macht, aber unsichtbar ist – wir haben derzeit keine Erklärung dafür, obwohl sie etwa 23% der Masse des Universums ausmacht, unsere gewöhnlichen Atome machen nur 4,6% aus. Aber auch die Supersymmetrie ist noch nicht gänzlich vom Tisch.

Des weiteren könnte erstmals die Stabilität gewisser Teilchen des Standardmodells überprüft werden, denn bei zahlreichen exotischen Teilchen haben wir bisher noch keinen Zerfall beobachtet, wir wissen also nicht, ob und wie schnell sie zerfallen.

Ein noch größeres Rätsel ist die sogenannte Bayronenasymmetrie, man geht davon aus, dass beim Urknall riesige Mengen Materie und Antimaterie entstanden sind, diese löschen sich erfahrungsgemäß aus und werden zu Strahlung. Hätte es also gleich viel Materie und Antimaterie gegeben, hätten sie sich gegenseitig ausradiert und es hätte nie Atome gegeben, unser ganzes Universum wäre ein Meer aus Strahlung.

Doch aus irgendeinem Grund gibt es heute noch Materie, irgendetwas ist also schief gelaufen und das, was damals schief lief nennen wir heute Universum. Es muss ein bisschen mehr Materie als Antimaterie gegeben haben und die Differenz war wirklich gering – auf eine Milliarde Antiteilchen kamen eine Milliarde und ein Teilchen.

Doch weshalb das so war und weshalb es heute Materie gibt, das vermag das Standardmodell nicht zu erklären und daher ist es eines der größten Rätsel überhaupt, welches der FCC angehen könnte. Letztlich könnte man aber auch Sachen entdecken, die wir uns heute noch nicht einmal vorstellen können, nicht jede Entdeckung ist vorhersehbar.

Kritik am Teilchenbeschleuniger

Jenseits von irgendwelchen Schwarze-Löcher-Unsinn gibt es aber natürlich auch legitime Kritik am FCC, etwa der Preis, denn der ist selbst für wissenschaftliche Großprojekte wirklich außergewöhnlich hoch und kann nur gemeinsam von der europäischen Staatengemeinschaft getragen werden.

Es gibt zudem keinerlei Anzeichen darauf, dass die verborgenen Teilchen und die neue Physik in Reichweite des FCC liegen, sie könnten auch noch viel kleiner sein und bei den Extradimensionen ist noch nicht einmal sicher, ob sie existieren. Der LHC etwa wurde primär zum Beweis der Supersymmetrie gebaut und in der Hinsicht wurden wir bisher enttäuscht.

Vielleicht verfolgen wir also einfach die falschen Modelle und die neue Physik liegt wo ganz anders, das kann man nicht wissen. Doch klar ist, dass der FCC uns neue Erkenntnisse bringen wird, denn erfahrungsgemäß gibt es eigentlich keine Größenordnung im Universum, in der nichts Interessantes passiert – und da ist noch ordentlich Luft nach unten.

Es ist in den uns noch unzugänglichen Gebieten noch sehr viel Raum für Extradimensionen, Strings und neue Teilchen, die kleinste derzeit sinnvolle Längeneinheit ist die Planck-Länge. Stellt euch vor, man würde den Raum mit Punkten versehen, zwischen denen je eine Planck-Länge Abstand liegt, dann würde ein Kubikzentimeter 1099 solcher Punkte enthalten.

Das sichtbare Universum hingegen enthält “nur” 1085 Kubikzentimeter, in einem Kubikzentimeter könnte man mit der Auflösung der Planck-Länge also 100 Billionen Mal mehr Ereignisse sehen als im beobachtbaren Universum mit der Auflösung eines Kubikzentimeters – viel Platz für sensationelle Entdeckungen.

Ambitionierter Zeitplan

Aber diese werden wir natürlich nur aufspüren, wenn der gigantische Teilchenbeschleuniger auch gebaut wird. Das werden die CERN-Mitgliedstaaten wohl im Laufe des Jahres 2020 entscheiden, fällt die Entscheidung zum Bau, dann könnten die ersten Elementarteilchen in den 30ern durch den Tunnel des FCC rasen.

Ob dieses Konzept bei den enormen Kosten nun umgesetzt wird, ist keineswegs sicher, doch klar ist, dass es in Zukunft deutlich stärkere Teilchenbeschleuniger geben wird. Es gibt nämlich auch einige konkurrierende Modelle zum FCC, etwa den Very Large Hadron Collider (VLHC), der wie der LHC auf Hadronen ausgelegt ist.

Auch in anderen Teilen der Welt plant man riesige Teilchenbeschleuniger, etwa den chinesischen Circular Electron Positron Collider (CEPC) mit einer Länge von 70 Kilometern, er soll einen Schwerpunkt auf die nähere Erforschung des Higgs-Bosons legen. Die USA hingegen haben ihren großen Teilchenbeschleuniger, den Superconducting Super Collider (SSC) inzwischen aufgegeben.

Irgendwas ist dort draußen noch, unser Weltbild hat noch eine fundamentale Lücke und wir haben nur wenige Möglichkeiten, in diese Welten vorzustoßen – dort werden wir sicherlich noch viele Dinge entdecken, die sich heute niemand vorstellen kann und das mit einem großen neuen Teilchenbeschleuniger.

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