Das neue Projekt des CERN besteht darin, einen Mechanismus zu bauen, der fast viermal größer ist als das größte existierende Gerät. Aber wofür genau ist es?
Der Large Hadron Collider (LHC) ist wohl eines der mysteriösesten Geräte der Welt. Es befindet sich in einem 27 Kilometer langen kreisförmigen Tunnel an der Grenze zwischen Frankreich und der Schweiz. Seine Hauptaufgabe besteht darin, die kleinsten Teilchen des Universums zu kollidieren.
Dieser Mechanismus wurde 2012 weltweit bekannt, als das CERN (Europäische Organisation für Kernforschung) die Entdeckung des Higgs-Bosons ankündigte. Die Theorie der Existenz dieses Elementarteilchens erschien vor vielen Jahrzehnten. Die mathematischen Berechnungen hinter dem Standardmodell der Elementarteilchen gingen davon aus, dass es existiert, aber niemand konnte es vor dem Experiment am LHC reparieren.
Und jetzt spricht das CERN über Pläne für die Zukunft. Seit 2009 werden mit Hilfe des LHC Experimente mit Unterbrechungen zur Aktualisierung des Mechanismus durchgeführt. Jetzt, genau so eine Pause, und der LHC wird 2021 wieder eingeführt, danach wird er noch einige Jahrzehnte funktionieren.
Die bestehenden Projekte sind jedoch so ehrgeizig, dass das CERN seit mehreren Jahren einen Vorschlag zum Aufbau eines Nachfolgers des LHC diskutiert. Und jetzt sind die Mitarbeiter der Organisation bereit, über ihre Zukunftsvision zu berichten.
Jetzt als Future Circular Collider (FCC) bezeichnet, wurden im Januar 2019 Pläne für den Bau bekannt gegeben. Der BCC ist viel größer und leistungsstärker als der aktuelle Beschleuniger. Dies ist zwar nur ein Plan, wurde aber noch nicht akzeptiert. Wenn der Plan umgesetzt wird, werden die Experimente am BCC in den 2040er Jahren beginnen.
Laut CERN werden sich die Gesamtbaukosten auf etwas mehr als 200 Milliarden Kronen belaufen (über 1,5 Billionen Rubel - ca. Transl.). Die Mitgliedsländer der Organisation werden das Projekt für mehrere Jahrzehnte finanzieren. Norwegen ist eines von 22 Mitgliedsländern des CERN und wird 2019 rund 240 Millionen Kronen (über 1,8 Milliarden Rubel) beitragen.
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Aber warum brauchen wir einen neuen Teilchenbeschleuniger, was die Wissenschaftler damit erreichen wollen?
Langer langer Tunnel
Der LHC wird im selben Tunnel wie der vorherige Teilchenbeschleuniger verlegt, nur eine neue Füllung wurde dort platziert. Die Arbeit des vorherigen Geräts wurde im Jahr 2000 eingeschränkt.
Für das BCC wird jedoch ein völlig neuer Tunnel mit einer Länge von 100 Kilometern gebaut. Aufgrund der vergrößerten Länge des Teilchenbeschleunigers kollidieren die Teilchen mit viel mehr Kraft.
„Seit hundert Jahren ist die Kollision kleiner Materiestücke mit großer Kraft vielleicht die wichtigste experimentelle Methode zur Untersuchung der Struktur und Zusammensetzung von Materie“, sagt Anders Kvellestad, Teilchenphysiker am Imperial College London.
Tatsächlich sieht der CERN-Plan den Bau mehrerer Geräte im selben Tunnel vor, die nacheinander angeordnet werden. Der erste Mechanismus kollidiert mit Elektronen und Positronen und kann für genauere Messungen und Untersuchungen verwendet werden, beispielsweise für das Higgs-Boson, über das bisher nicht alles bekannt ist.
Es wird auch möglich sein, Quantenspuren völlig neuer unbekannter Teilchen zu erfassen, ohne direkte Beobachtungen zu machen.
Neue Physik?
Neben anderen Experimenten mit Kollisionen von Elektronen und Kernen von Bleiatomen ist später geplant, einen sehr leistungsfähigen Mechanismus aufzubauen, durch den Protonen mit Protonen im Tunnel kollidieren.
„In der Teilchenphysik ähnelt die Kollision eines Protons mit einem Proton einem Vorschlaghammer, während die Kollision eines Elektrons mit einem Positron mit einem kleinen geologischen Hammer verglichen werden kann. Ersteres gibt mehr Kraft, während Letzteres genauer ist."
Die Leistung des Teilchenstrahls selbst wird in Teraelektronvolt (TeV) gemessen. Der 27 Kilometer lange LHC kann 14 TeV verarbeiten, während das neue Gaspedal einer Leistung von bis zu 100 TeV standhält.
Höhere Energien ermöglichen es Ihnen, massereichere Teilchen herauszulocken, die zuvor möglicherweise nicht beobachtet wurden, und es ist möglich, dass die Ergebnisse solcher Experimente eine Vorstellung von einer völlig neuen Physik vermitteln, erklärt Kvellestad.
Weil das Universum immer noch voller Dinge ist, die Wissenschaftler nicht verstehen. Zum Beispiel gibt es keine Antwort auf die Frage, was dunkle Energie und dunkle Materie wirklich sind, obwohl sie zentrale Konzepte in unserem gegenwärtigen Verständnis des Universums sind.
Es gibt auch ein großes Problem in der modernen Physik. Die allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenfeldtheorie, die Elementarteilchen beschreibt, stimmen nicht überein. Derzeit gibt es keine Erklärung für die Schwerkraft selbst, die in beide Modelle passt.
Unabhängig davon, wie Sie es betrachten, fehlt etwas, um das Universum zu verstehen. Es werden viele Erklärungen angeboten, aber Forscher brauchen Beweise.
Und die Physiker hofften, dass der derzeitige Teilchenbeschleuniger des LHC einen Hinweis auf neue Physik geben würde. Dies ist noch nicht geschehen, aber der LHC wird noch viele Jahre funktionieren.
„Wir wissen jetzt alles über einige kleine, aber interessante Diskrepanzen zwischen Theorie und Praxis in den vorhandenen Daten. Daher erwarte ich, dass die Ergebnisse der nächsten Runde der Arbeit des LHC uns zeigen, ob diese Diskrepanzen auf die "neue Physik" zurückzuführen sind oder nur statistische Abweichungen ", sagt Kvellestad.
Es gibt aber auch einige Zweifel an den Plänen, neue Teilchenbeschleuniger zu bauen.
Wird es wirklich etwas tun?
Die deutsche Physikerin Sabine Hossenfelder ist eine der Kritikerinnen des MCC-Vorschlags. Sie schrieb ein Buch darüber, wie die Physik sich zu sehr mit der "Schönheit" von Gleichungen befasst.
In einer Kolumne in der New York Times kritisiert sie das Projekt insbesondere dafür, dass das CERN es mit denselben Versprechungen anbietet, die vor dem Bau des LHC gemacht wurden: Dunkle Materie zu finden und den Ursprung des Universums zu klären.
Das Problem ist, dass ein solches Ergebnis in keiner Weise garantiert werden kann, sagt Hossenfelder. Die Physiker waren sich fast sicher, dass sie das Higgs-Boson mit Hilfe des LHC finden würden, aber jetzt haben sie keine so vielversprechenden Ziele.
Supersymmetrie ist eine Theorie, die die Existenz mehrerer verschiedener Partikel vorhersagte, die die Lücken im Standardmodell füllen könnten, aber diese Partikel wurden in Experimenten noch nicht berührt.
Hossenfelder argumentiert, dass die Physik vorerst andere Möglichkeiten ausloten sollte, und es ist besser, mit dem Bau eines großen Beschleunigers zu warten und sich auf die Frage zu konzentrieren, warum die angeblichen Teilchen nicht im LHC erschienen sind.
Wenn Sie interessiert sind, können Sie mehr über die Kritik am Projekt in ihrem Blog lesen. Sie sagt auch, dass sich das Bild ändern könnte, wenn es mit Hilfe des LHC in den kommenden Jahren wirklich möglich ist, etwas zu finden.
Grundlagenforschung
„Nach der Entdeckung des Higss-Bosons haben wir keine theoretischen‚ Garantien 'mehr, dass wir in Experimenten der nächsten Generation neue Teilchen finden werden “, sagt Anders Kvellestad Forschungsstand - wenn niemand weiß, was im nächsten Experiment enthüllt werden kann."
"Es gibt mehrere Beispiele für Entdeckungen in der Geschichte der Physik, die niemand vorausgesehen hat."
Kvellestad ist der Ansicht, dass selbst wenn sich die Physiker nicht darüber einig sind, was sie von diesen Experimenten erwarten sollen, dies kein Argument gegen die Durchführung großer neuer Experimente sein sollte.
Dank der neuen Teilchenbeschleuniger können Wissenschaftler bereits bekannte Teilchen besser untersuchen und messen, sagte Kvellestad.
Müssen Sie einen größeren Mechanismus bauen, aber nicht jetzt?
„Es besteht kein Zweifel, dass die Zukunft der Teilchenphysikforschung einen größeren Mechanismus durchlaufen wird“, sagt Bjørn Samset, Forscher am Cicero-Zentrum für internationale Umwelt- und Klimaforschung. Er ist ausgebildeter Elementarteilchenphysiker und arbeitete am CERN.
"Die Frage ist nur, ob es Zeit ist, es zu bauen oder ob es besser ist, sich vorerst auf andere Dinge zu konzentrieren."
Er glaubt auch, dass die Physik wahrscheinlich mehr davon profitieren würde, wenn andere Projekte zuerst detaillierter evaluiert würden, was dazu beitragen könnte, besser zu verstehen, was genau das neue Gerät finden könnte.
Samset nennt als Beispiel dunkle Materie.
"Viele hofften, dass der LHC genug Energie haben würde, um die Partikel zu erzeugen, aus denen dunkle Materie bestehen könnte."
Viele Theorien wurden aufgestellt und einige widerlegt, aber viele müssen noch überprüft werden. Die Frage ist, ob es möglicherweise nicht besser ist, sich auf andere Methoden wie spezielle Sensoren zu konzentrieren, mit denen Sie dunkle Materie direkt erfassen können.
Wenn das BCC erstellt wird, wird dies nicht bald geschehen, aber Samset betont, dass es sehr wichtig ist, solche Projekte im Voraus zu besprechen.
„Die Gefahr des Wartens ist der Verlust von Erfahrung. Die Techniker am CERN sind echte Zauberer, sie bringen den Beschleuniger dazu, unglaubliche Dinge zu tun. Wenn wir jetzt nicht mit der Planung des nächsten Projekts beginnen, könnte ein Großteil dieser Erfahrung verloren gehen."
Gleichzeitig glaubt er, dass Erfahrungen im Rahmen anderer Projekte übertragen werden können. Er ist jedoch zuversichtlich, dass noch riesige Beschleuniger gebaut werden.
"Ein solcher Mechanismus sollte gebaut werden, und er wird gebaut, aber vielleicht ist es noch zu früh?"
Lasse Biørnstad
