Gigantisches Experiment: Auf den Spuren des Urknalls

Größte Maschine für kleinste Teilchen

von Katrin Schönfeld

Wissenschaftler des Europäischen Kernforschungszentrum (CERN) wollen mit der größten Forschungsmaschine der Welt endlich herausfinden, wie das Universum, die Erde und somit wir Menschen entstanden sind. Dafür sollen kleinste Teilchen mit unvorstellbarer Geschwindigkeit aufeinander prallen und die Trümmer dann analysiert werden. Einige Forscher sehen das Experiment jedoch kritisch und haben Angst, dass "Schwarze Löcher" entstehen und die Welt untergehen könnte. Anfang September wurde die Maschine in Betrieb genommen, dann trat ein Schaden im Kühlsystem auf. Nun kann das Experiment erst im Frühjahr 2009 fortgeführt werden.

Der Tunnel, in dem die Röhre liegt, in der die Teilchen beschleunigt werden, ist 27 Kilometer lang. Die Techniker benutzen Fahrräder, um zu sich fortzubewegen. (Quelle: CERN)

Vor mehr als 20 Jahren begannen die Planungen für diese riesige Maschine und Anfang September wurde sie zum ersten Mal in Betrieb genommen - allerdings nur für kurze Zeit, denn eine Panne sorgte dafür, dass die Maschine nun wieder gestoppt wurde. Sie heißt LHC (Large Hadron Collider) und bedeutet "Großer Hadronen-Kollidierer". Dieser Teilchenbeschleuniger ist die größte und teuerste Maschine, die Menschen je gebaut haben. Sie steht in der Nähe von Genf tief unter der Erde auf dem Grenzgebiet zwischen Frankreich und der Schweiz, so tief, dass wir die Experimente gar nicht hören und sehen können.

Mit dem LHC sollen "Hadronen" (dazu gehören zum Beispiel Protonen, also kleinste Teilchen der Materie) in einem 27 Kilometer langen Tunnel sehr lange und extrem hoch beschleunigt werden. Wenn sie fast so schnell wie das Licht geworden sind, lässt man sie zusammenstoßen, eben "kollidieren". Dadurch ist es für die Teilchen ganz kurze Zeit so, wie es direkt nach dem "Urknall" gewesen sein könnte - ein "Mini-Urknall" sozusagen. Der Urknall ist der Vorgang, wie ihn sich Wissenschaftler als Entstehung des Universums, von Raum und Zeit sowie aller Sterne und Planeten (also auch der Erde) vorstellen. Deshalb wird die Maschine von einigen Leuten auch "Weltmaschine" genannt. Die Forscher untersuchen dann im LHC, was bei diesen Bedingungen alles passiert, um zu verstehen, warum das Universum so geworden ist und funktioniert, wie wir es kennen.

Wie eine Murmelbahn

In der "Murmelbahn" werden kleine Teilchen auf Lichtgeschwindigkeit gebracht. (Quelle: CERN)

Die "Weltmaschine" kann man sich wie einen sehr langen, ringförmigen Murmelbahn-Tunnel vorstellen: zwei Murmeln werden aus entgegen gesetzten Richtungen in beinahe Lichtgeschwindigkeit über die Bahn geschickt. Im LHC sind das zwei Protonenstrahlen. Ein solcher Protonenstrahl zerrt dann mit einer solchen Kraft am LHC, als ob dort ein ganzer ICE (400 Tonnen schwer) mit 150 Kilometern pro Stunde im Kreis fahren würde. Dabei sorgen riesige Magneten dafür, dass die Murmeln auf der Bahn bleiben.

Wenn man die Murmeln (im LHC also die Protonen) aufeinander prallen lässt, entstehen viele kleine Trümmer, so genannte Elementarteilchen, die viel feiner als der feinste Staub sind. Diese Trümmer werden dann aufgefangen, und wie bei einem kaputten Auto können die Wissenschaftler daran dann erkennen, wie die Teilchen funktioniert haben. Denn nun haben sie Einzelteile, die vorher unter der Motorhaube versteckt waren. Bei der Kollision (Zusammenstoß) entstehen Temperaturen, die sehr viel heißer als die Sonne sein sollen. Um die riesigen Energiemengen überhaupt beherrschen zu können, muss die ganze Maschine unglaublich gut gekühlt werden - bis auf minus 271 Grad Celsius. Das ist nur noch etwa zwei Grad über dem "Absoluten Nullpunkt", der tiefsten Temperatur, die es überhaupt gibt.

Viel schneller als erwartet

Computersimulation einer Protonkollision. (Kollision bedeutet Zusammenstoß) (Quelle: CERN)

Am vergangenen Mittwochvormittag wurde im LHC nun erstmals ein Protonenstrahl durch den Ring geschossen. Alle Wissenschaftler des CERN und auch Millionen Forscher auf der ganzen Welt haben über ihre Monitore den Moment des ersten Umlaufs miterlebt und bejubelt. Das Ganze passierte sogar schneller an als erwartet. Im Vorgänger-Modell "LEP" wurden für eine erste Runde zwölf Stunden benötigt. Der LHC brauchte dafür nur knapp eine Stunde.

Am Nachmittag wurde dann aus der entgegen gesetzten Richtung ein weiterer Protonenstrahl geschossen. Auch das verlief erfolgreich - damit war bestätigt, dass die Maschine funktioniert. Bis zum Beginn der eigentlichen Experimente, also zur Kollision zweier Protonenstrahlen, wird es jedoch noch dauern. Denn bis dahin müssen es die Forscher erst einmal schaffen, einen Strahl stabil und länger als eine Runde auf der Bahn zu halten. Dann wird er immer weiter beschleunigt, bis er fast Lichtgeschwindigkeit erreicht und die Experimente durchgeführt werden können.

Meilenstein für die Wissenschaft

Auf dem Bild sieht man links Dr. Robert Aymar, der derzeitige Leiter der Generaldirektion des CERN. In der Mitte steht Professor Torsten Åkesson, Präsident des CERN-Rats, rechts Professor Rolf-Dieter Heuer, der Nachfolger Aymars ab 2009. (Quelle: CERN)

Den Moment, in dem die Protonen zusammenstoßen, vergleichen Wissenschaftler mit dem Urknall und versprechen sich Antworten darauf, wie die Welt entstanden sein könnte. Sie wollen also das simulieren (wirklichkeitsgetreu "nachahmen"), was im Universum seit Milliarden von Jahren passiert. Jedoch wird die Wucht und Geschwindigkeit, mit der die Teilchen in der Erdatmosphäre tatsächlich zusammenstoßen, nie erreicht werden können.

Mithilfe des Experimentes ist es nun möglich, das zu simulieren und somit einen Meilenstein für die Wissenschaft - besonders für die Physik - zu schaffen. So wollen die Forscher vor allem herausfinden, wie das Universum aufgebaut und wie die Erde entstanden ist, denn das konnte bisher zwar theoretisch berechnet aber nie praktisch getestet oder gar bewiesen werden. Grund dafür ist, dass beim Urknall solch extreme Kräfte gewirkt haben müssen, die bisher nicht simuliert werden konnten.

Nach Meinung der Forscher ist das Universum entstanden, indem sich aus purer Energie Elementarteilchen bildeten, die sich wiederum zu Atomen verbunden haben. In Teilchenbeschleunigern wie dem LHC kann man diese Prozesse des frühen Universums nachbilden und so seine Entwicklung verstehen. Die Forscher erhoffen sich, offene Fragen über die einzelnen Schritte bei der Entstehung des Universums und über den Aufbau der Materie zu klären. Materie bedeutet "Stoff" - Stoff, aus dem alle Dinge sind, die uns umgeben, wie Wasser, Luft, Häuser, Pflanzen oder auch Tiere und Menschen. Die Materie ist aus verschiedenen Atomen aufgebaut, die wiederum aus kleineren Teilchen wie Protonen bestehen. Und auch Protonen selbst bestehen wieder aus kleineren Teilen, den so genannten Quarks und Gluonen.

Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass die bei der Kollision entstehenden kleinen Trümmerteilchen unbekannte Elementarteilchen enthalten. Eines dieser Teilchen könnte das "Higgs-Teilchen" sein. Dieses nach dem britischen Physiker Peter Higgs benannte Teilchen wird als bisher fehlender, aber enorm wichtiger Bestandteil der Physik bezeichnet, denn es soll für die Masse von einer Materie verantwortlich zu sein - also dafür sorgen, dass sie "schwer" ist.

Riesige Datenmengen

Die Vernetzung der Computer ist weltweit mit vielen verschiedenen Messstationen eingerichtet. Die Datenmengen eines Versuchs sind so umfassend, dass eine einzelne Station die Menge nicht bewältigen kann. (Quelle: CERN)

Was in der Maschine während der Teilchenkollision passiert und auch die entstehenden Trümmerteilchen sind mit bloßem Auge nicht sichtbar, weil sie zu klein sind und alles viel zu schnell geschieht. Um dieses zu erfassen, werden die Daten von riesengroßen Messgeräten aufgezeichnet. In verlangsamter Form werden die Bilder dann auf Monitoren abgespielt, und so können die Forscher sehen, was genau in der Maschine passiert.

Bei den Experimenten im LHC werden natürlich nicht nur einzelne Teilchen kollidieren, sondern viele Millionen Teilchen pro Sekunde gleichzeitig - denn der Strahl besteht ja aus unvorstellbar vielen Teilchen. Das ergibt aber auch so viele Daten auf einmal, dass die Computer des LHC nur einen sehr kleinen Teil davon überhaupt weiterverarbeiten, um nicht in der Datenflut zu "ertrinken". Trotzdem sind es so viele Daten, dass man jeden Tag etwa 6.500 DVDs damit voll schreiben könnte - das wäre ein fast acht Meter hoher DVD-Stapel, so hoch wie ein Haus. Auch das CERN kann solche Datenberge gar nicht allein auswerten. Deshalb werden sie in ein weltweites Forschungsnetz aus Tausenden von Computern weitergeleitet. Aufgrund der Datenmenge und der dafür benötigten Zeit vermuten die Wissenschaftler, dass es bis zu zwei Jahre dauern wird, bis sie die ersten Ergebnisse haben.

Gefahr durch Schwarze Löcher?

Ein Schwarzes Loch ist eine Sammlung von Teilchen mit sehr hoher Dichte. Je dichter Teilchen sind, desto stärker ziehen sie andere an. Sogar Licht wird "verschluckt". (Quelle: NASA)

Nicht wenige Forscher sind der Meinung, dass durch dieses Experiment Schwarze Löcher entstehen können, die angeblich die Erde verschlucken sollen. Schwarze Löcher sind eine Sammlung von Teilchen mit extrem hoher Dichte. Hohe Dichte bedeutet, dass die einzelnen Teilchen sehr eng beisammen liegen. Normalerweise findet man Schwarze Löcher im Weltall, wo sie vermutlich entstehen, wenn Riesensterne, die noch viel größer als unsere Sonne sind, in sich zusammenfallen. Die eigene Anziehungskraft "knautscht" diese Sterne dann so unvorstellbar stark zusammen, dass ein Schwarzes Loch entsteht. Sogar Licht wird dann von ihnen angezogen - daher stammt auch der Begriff "Schwarzes Loch", weil das Licht sozusagen "verschluckt" wird und der Stern von außen völlig schwarz aussieht.

Im LHC werden die Teilchen ja auch enorm stark zusammen gedrückt, wenn sie aufeinander treffen. Daher vermutet man, dass auf diese Weise winzige Schwarze Löcher entstehen könnten. Die Theorie sagt allerdings auch, dass solche minimalen Schwarzen Löcher innerhalb von Sekundenbruchteilen wieder zerfallen würden. Einige befürchten jedoch, dass diese sich vergrößern und zur Gefahr werden könnten. Die Wissenschaftler vom CERN dagegen versichern, dass das Experiment keine Risiken birgt. Kollisionen, wie sie durch die Maschine erzeugt werden, finden schließlich überall im Weltraum statt - auch in unserer Atmosphäre. Um Schwarze Löcher streitet sich die Physik seit Jahrzehnten. Zwei Theorien sind hierbei wegweisend: die Quantentheorie und die Relativitätstheorie. Bisher ist es jedoch nicht gelungen, beide zusammenzuführen, um die Entstehung von Schwarzen Löchern umfassend zu erklären.

Rückschlag für die Wissenschaftler des CERN

Anfang September wurde die Maschine in Betrieb genommen, dann trat ein Schaden im Kühlsystem auf. Nun kann das Experiment erst im Frühjahr 2009 fortgeführt werden. (Quelle: CERN)

Wie erst kurze Zeit später bekannt wurde, gelang es Computer-Hackern, in eine interne Webseite des LHC einzudringen. Es handelt sich um die Webseite des so genannten CMS-Detektors, der die Kollision der Protonen messen soll. Die Hacker nannten sich selbst "Griechisches Sicherheits-Team". Sie hinterließen eine Nachricht und erklärten, dass dies eine Warnung sei und sie damit nur zeigen wollten, dass es Sicherheitslücken im Netzwerk gibt. Nach Aussage der Sicherheitstechniker des CERN entstand jedoch kein Schaden. Sie erklärten auch, dass die Hacker keine Möglichkeiten hatten, die Steuerung des LHC zu übernehmen.

Kurz nachdem die Maschine allerdings in Gang gesetzt wurde, kam es zu einem Rückschlag für die Wissenschaftler des CERN: Der Teilchenbeschleuniger, der erst Anfang September in Betrieb genommen wurde, musste gestoppt werden. Es kam zu einem Schaden im Kühlsystem, der nicht so bald behoben werden kann. Deshalb wird die Maschine voraussichtlich erst im Frühjahr 2009 wieder gestartet. Auf erste Ergebnisse muss man noch länger warten: Es wird wohl bis zu zwei Jahren dauern, bis die Maschine das hervorbringt, was die Forscher sich erhoffen.

Bilder: CERN
letzte Aktualisierung: 02.03.2010

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