Der neueste Stand der Physik liegt in einem Strahl subatomarer Teilchen, der in einem unterirdischen Tunnel in Mitteleuropa nahezu mit Lichtgeschwindigkeit im Kreis rast. Dieser Strahl stürzt genauso schnell in die andere Richtung in ein anderes Rennen. Die daraus resultierende Kollision erzeugt eine Flut anderer Partikel, die von Detektoren erfasst werden, bevor sie verschwinden.
Dies ist ein Standardverfahren am Large Hadron Collider (LHC), der kürzlich erstmals seit 2018 wieder eingeschaltet wurde und seine Strahlen jetzt stärker als je zuvor hat. Der LHC, der sich bei der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN) in der Nähe von Genf befindet, ist der weltweit größte Teilchenbeschleuniger: eine Mammutmaschine, die subatomare Teilchen buchstäblich zusammenschmettert und Wissenschaftler die Fontäne aus Quantentrümmern beobachten lässt, die ausspuckt.
Das mag für ein Physikexperiment unnötig heftig erscheinen, aber Physiker haben einen guten Grund für die Zerstörung. Innerhalb dieser Kollisionen können Physiker die Schichten unseres Universums abschälen, um zu sehen, wie es auf den kleinsten Skalen tickt.
Die Physiker hinter der Maschine
Das „groß“ im Namen des LHC ist keine Übertreibung: Der Collider schneidet eine 17 Meilen lange Magnetschleife, vollständig unterirdisch, unterhalb der Genfer Vororte auf beiden Seiten der zerklüfteten französisch-schweizerischen Grenze (Heimat des CERN-Hauptquartiers). Schatten an den östlichen Hängen des französischen Juragebirges und wieder zurück.
Einen solchen Koloss zusammenzubauen brauchte Zeit. Der LHC wurde erstmals in den 1980er Jahren vorgeschlagen und Mitte der 1990er Jahre genehmigt. Der Bau des LHC dauerte über ein Jahrzehnt, bevor sein Strahl 2008 zum ersten Mal eingeschaltet wurde. Der Bau dauerte 4,75 Milliarden Dollarmeist aus den Kassen verschiedener europäischer Regierungen.
LHC verbraucht genug Strom um eine kleine Stadt mit Strom zu versorgen. Noch vor den aktuellen Upgrades, Experimente des LHC produziert ein Petabyte an Daten pro Tag, genug für über 10.000 4K-Filme – und das ist nach Das Computernetzwerk des CERN filterte den Überschuss heraus. Diese Daten durchlaufen die Computer von Tausenden von Wissenschaftlern aus allen Ecken der Welt, obwohl einige Teile der Welt sind besser vertreten als andere.
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Zeit, Geld und menschliche Macht fließen weiterhin in den Collider, während Physiker versuchen, die grundlegendsten Fragen des Universums zu beantworten.
Was zum Beispiel bewirkt, dass Masse existiert? Die Beantwortung dieser Frage war bisher einer der öffentlichsten Triumphe des LHC. Im Jahr 2012 LHC-Wissenschaftler angekündigt die Entdeckung eines lang gesuchten Teilchens, das als Higgs-Boson bekannt ist. Das Boson ist das Produkt eines Feldes, das, wenn Teilchen mit dem Feld interagieren, diesen Teilchen Masse verleiht.
Die Entdeckung des Higgs-Bosons war der letzte Stein in der Mauer, die als bekannt ist Standardmodell. Es ist das Herzstück der modernen Teilchenphysik, ein Schema, das etwa ein Dutzend subatomare Teilchen darstellt und zeigt, wie sie sauber zusammenpassen, um das Universum entstehen zu lassen, das wir sehen.
Aber mit jedem Jahr scheint das Standardmodell immer unzureichender zu sein, um grundlegende Fragen zu beantworten. Warum gibt es im Universum so viel mehr Materie als Antimaterie, ihr Gegenteil? Was macht die aus ein riesiger Teil unseres Universums das scheint ungesehen und unsichtbar zu sein? Und warum gibt es Schwerkraft? Die Antworten sind alles andere als einfach.
Die Antworten könnten in Form von noch unentdeckten Partikeln kommen. Aber bisher sind sie selbst den stärksten Teilchenbeschleunigern entgangen. „Wir haben am LHC bisher keine Nicht-Standardmodell-Teilchen gefunden“, sagt Finn Rebassoo, Teilchenphysiker am Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien und LHC-Mitarbeiter.
Den Giganten aufrüsten
Obwohl die COVID-19-Pandemie die Wiedereröffnung des LHC störte (es war ursprünglich geplant für 2020) haben die Stewards des Colliders seit 2018 nicht untätig zugesehen. Als Teil einer Reihe technischer Upgrades haben sie den Strahl des Colliders aufgestockt und seine Energie um etwa 5 Prozent gesteigert.
Das mag wie ein Hungerlohn erscheinen (und es verblasst sicherlich im Vergleich zu den geplanten LHC mit hoher Leuchtkraft Upgrade später in diesem Jahrzehnt, das die Anzahl der Kollisionen erhöhen wird). Aber Wissenschaftler sagen, dass es immer noch einen Unterschied macht.
„Dies bedeutet eine erhöhte Wahrscheinlichkeit, interessante Physik zu produzieren“, sagt Elizabeth Brost, Teilchenphysikerin am Brookhaven National Laboratory auf Long Island und LHC-Mitarbeiterin. „Als persönliches Lieblingsbeispiel bekommen wir jetzt 10 Prozent mehr Ereignisse mit Paaren von Higgs-Bosonen.“
Das Standardmodell besagt, dass gepaarte Higgs-Bosonen extrem selten vorkommen sollten – und vielleicht ist es das auch. Aber wenn der LHC Paare im Überfluss produziert, ist das ein Zeichen dafür, dass etwas noch Unentdecktes im Spiel ist.
„Es ist eine Win-Win-Situation: Entweder wir beobachten bald die Produktion von Higgs-Paaren, was neue Physik impliziert“, sagt Brost, „oder wir werden schließlich in der Lage sein, die Vorhersage des Standardmodells anhand des vollständigen LHC-Datensatzes zu bestätigen.“
Die Verbesserungen bieten auch die Möglichkeit, Dinge zu beobachten, die noch nie zuvor gesehen wurden. „Jedes zusätzliche Bit bietet mehr Potenzial für die Entdeckung neuer Phänomene“, sagt Bo Jayatilaka, Teilchenphysiker am Fermilab in einem Vorort von Chicago und LHC-Mitarbeiter.
Es ist noch nicht lange her, dass ein potenzielles Beobachtungsmaterial aufgetaucht ist – nicht vom CERN, sondern von einem alten, jetzt geschlossenen Beschleuniger bei Fermilab außerhalb von Chicago. Forscher, die über alten Daten brüteten, fanden heraus, dass das W-Boson, ein Teilchen, das für den radioaktiven Zerfall im Inneren von Atomen verantwortlich ist, eine schwerere Masse zu haben schien als erwartet. Wenn das stimmt, könnte es das Standardmodell weit aufblasen.
Natürlich wollen die Teilchenphysiker sicherstellen, dass es wahr ist. Sie planen bereits, diese W-Boson-Messung am CERN zu wiederholen, sowohl mit Daten aus früheren Experimenten als auch mit neuen Daten aus noch kommenden Experimenten.
Es wird wahrscheinlich einige Zeit dauern, bis der LHC seine neu entdeckte volle Kapazität erreicht hat. „Normalerweise ist der Neustart des LHC ein langsamer Neustart, was bedeutet, dass die Datenmenge im ersten Jahr nicht ganz so groß ist wie in den folgenden Jahren“, sagt Rebassoo. Und selbst die Analyse der erzeugten Daten braucht Zeit, selbst für die große Masse von Wissenschaftlern, die am Collider arbeiten.
Aber schon 2023 könnten wir Ergebnisse sehen – indem wir den neu entdeckten Energieschub des Colliders nutzen, spekuliert Jayatilaka.