Der Future Circular Collider soll mit 91 Kilometer Umfang in etwa 200 Meter Tiefe unter der Schweiz und Frankreich rund um die Stadt Genf verlaufen.
APA/AFP/European Organization for Nuclear Research
Im Rahmen der Feierlichkeiten zum 70-jährigen Jubiläum lässt man am europäischen Kernforschungszentrum Cern in Genf nicht nur
vergangene wissenschaftliche Leistungen Revue passieren, sondern richtet den Blick bereits auf kommende Pläne und Herausforderungen.
Den Anfang macht der Ausbau des Large Hadron Collider (LHC), des aktuell größten und leistungsfähigsten Teilchenbeschleunigers der Welt, zum High Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC), der kurz vor dem Jahr 2030 abgeschlossen werden soll. Doch auch am nächsten großen Beschleuniger wird schon gearbeitet: dem umstrittenen
Future Circular Collider (FCC). Dieser würde den gegenwärtigen Rekordhalter in Sachen Länge, den LHC, mit 91 Kilometer Umfang weit in den Schatten stellen. Jedoch ist seine Finanzierung noch ungewiss.
Mehr Daten
Sehr konkret ist bereits das gegenwärtige Flaggschiffprojekt des Cern, der Ausbau des vor 16 Jahren eingeweihten LHC. Das rund eine Milliarde Euro schwere Update zum High Luminosity LHC soll den Forschenden eine Vielfaches an Daten bringen.
Der Grund dafür ist – wie "High Luminosity", also "hohe Strahlkraft", schon andeutet –, dass der ausgebaute LHC viel mehr Teilchenkollisionen und damit auch Kollisionsprodukte erzeugen soll. Wenn die Zahl der durch die Kollisionen entstehenden Teilchen größer wird, steigt auch die Chance, sehr seltene Vorkommnisse zu beobachten. Insgesamt soll der Datenoutput damit verzehnfacht werden.
Kollision zweier Blei-Atome im Alice-Detektor des Cern. Dieses am Computer aus den Messdaten rekonstruierte Bild zeigt mit weißen Linien die Flugbahnen der Teilchen, die bei der Kollision in der Mitte des Detektors erzeugt wurden. Jede einzelne Kollision produziert eine Unzahl neuer Teilchen, die den Forschenden Details über die Vorgänge bei ihrer Entstehung verraten.
2023-2024 CERN
Fokussierte Kollisionen
Die Forschenden möchten die Strahlkraft der Experimente erhöhen, indem sie die beiden entgegengesetzten Teilchenstrahlen im Beschleunigerring am Punkt der Kollision dichter und fokussierter machen. Damit wird die Wahrscheinlichkeit für Kollisionen zweier einzelner Teilchen erhöht, wenn die beiden Strahlen aufeinandertreffen.
Um diese mit fast Lichtgeschwindigkeit umhersausenden Teilchen im Beschleuniger besser zu kontrollieren, werden noch stärkere Magnetfelder benötigt, welche die geladenen Teilchen lenken. Das Update zum HL-LHC umfasst den Austausch vieler der supraleitenden Magnete, welche die enormen Magnetfelder erzeugen. Dazu muss auch das Kühlsystem der Magnete erweitert werden, das diese auf etwa minus 270 Grad Celsius kühlt, damit sie funktionieren.
Neben den Magneten und Kühlsystemen muss noch eine Vielzahl anderer Komponenten umgebaut werden. Nach einer ausführlichen Testphase soll die neue Version des Beschleunigers frühestens im Jahr 2029 mit den Experimenten beginnen.
Wissenschaftliche Ziele
Die Forschenden am Cern möchten mit dem strahlkräftigeren HL-LHC die noch offenen Fragen der Teilchenphysik beantworten. Zentral dabei ist das Higgs-Teilchen, das anderen Teilchen ihre Masse gibt. Nachdem das
Higgs-Teilchen schon vor über einem Jahrzehnt nachgewiesen wurde, soll dessen Produktion am Cern mit dem Umbau weiter erhöht werden. Der HL-LHC soll in Zukunft mindestens 15 Millionen Higgs-Teilchen pro Jahr erzeugen – etwa fünfmal so viele wie der LHC im Jahr 2017.
Diese Teilchen werden in den verschiedenen Detektoren des Cern gemessen. Je mehr Daten dadurch produziert werden, desto genauer können Forschende die Eigenschaften des noch immer mysteriösen Higgs-Teilchens verstehen. Insbesondere geht es darum, wie dieses Teilchen bei den Kollisionen im Beschleuniger genau entsteht, wie es kurz danach wieder zerfällt und wie es mit anderen Teilchen interagiert.
Außerdem möchten die Forschenden mit dem HL-LHC Themen wie Supersymmetrie im Standardmodell der Teilchenphysik, Theorien über Extradimensionen und den Aufbau von Quarks untersuchen. Man erhofft sich damit auch Hinweise für die Erklärung von
Dunkler Materie, Dunkler Energie und dem
Ungleichgewicht von Materie und Antimaterie.
Der Umbau zum HL-LHC schließt auch an das geplante Ende vieler Komponenten des ursprünglichen LHC im Jahr 2025 an. Unzählige Bauteile des Beschleunigers sind während des Betriebs hoher Strahlenbelastung ausgesetzt, die sie langsam beschädigt. Deshalb werden diese Komponenten bei der Aufrüstung ausgetauscht.
Zukunftsbeschleuniger
Der HL-LHC soll um das Jahr 2040 in Betrieb gehen. Der darauffolgende Schritt in Sachen Superlative der Teilchenbeschleuniger ist am Cern im Moment auch schon in Arbeit.
Mit einem geplanten Umfang von 91 Kilometern soll der Future Circular Collider (FCC) mehr als dreimal so lang werden wie der LHC. Die vom FCC in einem Tunnel ungefähr 200 Meter unter der Erde umschlossene Fläche wäre damit mehr als eineinhalbmal so groß wie Wien.
Damit soll der FCC pro beschleunigtes Teilchen mehr als siebenmal so viel Energie wie der HL-LHC erreichen und es den Forschenden ermöglichen, die Grundlagen der Teilchenphysik besser zu verstehen. Mehr noch als beim HL-LHC erhofft man sich hier Antworten auf die noch ungelösten Fragen der Physik.
Machbare Pläne
Der Zwischenstand der umfangreichen
Machbarkeitsstudie zum FCC unter Leitung des Österreichers Michael Benedikt wurde im Februar veröffentlicht. Dabei werden auch ökologische Fragen bedacht. So soll die Abwärme der enormen Kühlsysteme des FCC für regionale Fernwärme genutzt und der gesamte Energiebedarf gesenkt werden.
Der Plan ist, dass der neue Riesenbeschleuniger nach Ende der Laufzeit des HL-LHC in den 2040er-Jahren seinen Betrieb aufnimmt. Der FCC soll dann bis in die 2070er-Jaher weiter ausgebaut werden, um auch Experimente mit schwereren Teilchen zu ermöglichen.
Die Ergebnisse der Studie zeigen keine groben Hindernisse bei der Umsetzung des FCC, jedoch regt sich innerhalb und außerhalb der Forschungsgemeinschaft Kritik an diesem nächsten Großprojekt, das an die 20 Milliarden Euro kosten soll.
Kritik an Visionen
Die eine Gruppe von Kritikerinnen und Kritikern wirft Fragen zur ökologischen Nachhaltigkeit des Mammutprojekts auf. Neben Bedenken über den enormen Energieverbrauch des neuen Beschleunigers –
jener des LHC machte bei den Energiepreisen der letzten Jahre schon Probleme – stehen auch
Probleme mit dem Aushubmaterial des Baus an.
Die andere Gruppe sind Physikerinnen und Physiker, die in den letzten Jahren Zweifel am grundsätzlichen Zugang der Vision des FCC kundtaten. Zum Beispiel äußerte sich der ehemalige Chief Scientific Adviser der britischen Regierung, Sir David King, gegenüber der BBC sehr kritisch über den FCC und nannte die geplanten Milliarden für das Cern angesichts der Bedrohung durch den Klimawandel eine "rücksichtslose" Investition.
Des weiteren kritisierten Forschende wie
Sabine Hossenfelder, Physikerin am Frankfurt Institute for Advanced Studies und Wissenschaftskommunikatorin, dass selbst mit den noch höheren Energien eines FCC wahrscheinlich keine Antworten auf die offenen Fragen der Physik zu erwarten seien.
In einem
Interview mit Vox argumentiert Jared Kaplan, theoretischer Physiker an der Johns Hopkins University in den USA, dass dieses Geld in eine Vielzahl kleinerer Experimente besser investiert wäre. Dort könnte man mehr wissenschaftliche Ergebnisse und auch mehr technologische Entwicklungen erwarten, die der Gesellschaft und Wirtschaft zugutekämen.
Naturgemäß stellt sich Fabiola Gianotti, seit 2016 Generaldirektorin des Cern, gegen solche Vorwürfe. Schon in einem
Artikel im Fachjournal Nature im Februar bestätigte sie zwar, dass die theoretischen Anhaltspunkte gegenwärtig fehlten, die den Forschenden bei der Suche nach Antworten helfen würden. Jedoch würden neue Instrumente es ihnen ermöglichen, vorwärts zu kommen und die richtigen Fragen an die Natur zu stellen.
Startschwierigkeiten und Konkurrenz
Neben Kritik verschiedener Seiten kamen im Mai weitere Schwierigkeiten hinzu. Bei einem Treffen von Forschenden in Bonn kritisierte ein Vertreter des deutschen Bildungs- und Forschungsministeriums die Finanzierungspläne für den FCC. Diese seien vage und erforderten hohes finanzielles Engagement von Partnern, das unter den gegenwärtigen wirtschaftlichen Bedingungen in Deutschland nicht aufzubringen sei. Deutschland trägt im Moment schon etwa 20 Prozent des Jahresbudgets des Cern bei, das insgesamt etwa 1,3 Milliarden Euro umfasst.
Des weiteren könnte China in den nächsten Jahren schon den Bau eines eigenen Riesenbeschleunigers beginnen. Mit 100 Kilometern Umfang wäre der
Circular Electron Positron Collider noch größer als der geplante FCC. Das Projekt könnte bei einem positiven Entscheid der chinesischen Regierung schon 2027 starten, soll rund ein Jahrzehnt dauern und nur etwa fünf Milliarden Euro kosten.
(Thomas Zauner, 29.9.2024)
Eine kurze Chronologie des Cern
29. September 1954 Eine europäische Organisation für Nuklearforschung wird offiziell gegründet. Für sie etabliert sich der Name ihres Gründungsrats: Cern. Vorarbeiten dazu gehen bis Ende 1949 zurück.
1957 Der erste Teilchenbeschleuniger, der Synchrocyclotron (SC), geht am Sitz des Cern in Genf in Betrieb.
1959 Österreich wird Cern-Mitglied.
1965 Erste Beobachtungen von Antiteilchen.
1971 Der Österreicher Willibald Jentschke wird Cern-Generaldirektor. Zehn Jahre zuvor gab es mit dem Austroamerikaner Viktor Weisskopf einen anderen Physiker aus WIen, der an der Cern-Spitze stand.
1973 Die Entdeckung sogenannter neutraler Ströme mit dem Gargamelle-Detektor wird verkündet.
Jänner 1983 Das W- und das Z-Boson, die Vermittler Schwacher Wechselwirkung, werden entdeckt. Dafür gibt es 1984 den Physiknobelpreis.
1988 Der 27 Kilometer lange, ringförmige Tunnel für den LEP-Beschleuniger wird fertiggestellt. Es ist das größte nichtmilitärische Ingenieursprojekt in Europa vor dem Tunnel durch den Ärmelkanal.
März 1989 Tim Berners-Lee schlägt eine radikal neue Möglichkeit vor, Informationen über globale Datennetzwerke zu teilen. 1990 tauft er das Konzept "World Wide Web". Im selben Jahr geht die erste Cern-Webseite online.
Juli 1989 Der Large Electron-Positron Collider, kurz LEP, nimmt seinen Betrieb auf. Elf Jahre wird die Maschine im Einsatz sein.
Dezember 1994 Der Bau eines neuen Großbeschleunigers wird abgesegnet. Er soll Protonen, die zu den Hadronen zählen, zur Kollision bringen. Sein Name: Large Hadron Collider, kurz LHC. Seinen Platz soll er im Tunnel des LEP-Beschleunigers finden.
September 1995 Am Cern wird erstmals ein Atom aus Antimaterie hergestellt. Damit wird das Cern zum internationalen Zentrum der Antimaterieforschung.
Juni 1986 Erstmals werden am Cern nicht leichte Elementarteilchen, sondern schwere Atomkerne zur Kollision gebracht. Das dabei entstehende Quark-Gluon-Plasma erlaubt einen Blick auf die Bedingungen kurz nach dem Urknall.
November 2006 Der Bau des LHC und seiner Detektoren schreitet voran, erstmals wird der größte Magnet des Atlas-Detektors eingeschaltet, der als größter je gebauter supraleitender Magnet in die Geschichte eingeht.
September 2008 Der Large Hadron Collider (LHC), der leistungsfähigste Teilchenbeschleuniger der Welt, der als komplexeste je von Menschen gebaute Maschine gilt, geht erstmals in Betrieb. Neun Tage später verursacht ein fehlerhafter Kontakt zwischen zwei Magnetspulen des LHC einen schweren Zwischenfall, der zum Austritt von sechs Tonnen Helium und erheblichen Schäden führt. Die Reparaturarbeiten dauern über ein Jahr.
Mai 2009 Der damalige österreichische Wissenschaftsminister Johannes Hahn (ÖVP) verkündet den Cern-Ausstieg Österreichs aus finanziellen Gründen. Der damalige Bundeskanzler Werner Faymann (SPÖ) kippt die Entscheidung.
Juni 2011 Der Alpha-Kollaboration gelingt es, Antimaterie in einer Falle über eine Viertelstunde lang einzusperren.
Juli 2012 Entdeckung eines neuen Teilchens, das bald als das lange gesuchte, theoretisch vorhergesagte Higgs-Boson identifiziert werden konnte. Ein Jahr später erhalten Peter Higgs und François Englert dafür den Physiknobelpreis.
Juli 2015 Das sogenannte Pentaquark wird entdeckt. Es besteht, anders als Neutronen und Protonen, aus fünf statt aus drei Quarks.
Juni 2016 Ein Upgrade des LHC zum High-Luminosity LHC wird abgesegnet. Er soll für deutlich mehr Teilchenkollisionen sorgen als sein Vorgänger und damit seltenere Effekte sichtbar machen.
Oktober 2023 Das 50 Millionen Euro teure Besucherzentrum "Science Gateway" wird eingeweiht.
Dezember 2024 Russische Forschende müssen das Cern verlassen und erhalten keinen Zutritt mehr.
