Ausgabe 1/2008, 24. Jahrgang (pdf, 6.12 MB - Johannes Gutenberg ...

Auf der Suche nach den fundamentalen Gesetzen der Natur
Von Stefan Tapprogge
„Daß ich erkenne, was die Welt im Innersten zusammenhält.“
Auch Goethe formulierte in seinem
„Faust“, was immer noch viele Naturwissenschaftler
umtreibt. Das ATLAS-Experiment – ein
Großforschungsprojekt der Teilchenphysik –
versucht Antworten zu finden.
Die Frage nach dem Aufbau der Materie ist eine
Frage, die schon die griechischen Naturphilosophen
wie etwa Demokrit beschäftigte. Die Vorstellung,
dass es kleinste, unteilbare Bausteine gibt, wurde zu
dieser Zeit entwickelt und auch der Begriff „Atom“
(griechisch für unteilbar) geht darauf zurück. Der
Reduktionismus, also das Zurückführen von Phänomenen
auf wenige fundamentale Prinzipien, stellt
einen wesentlichen Ansatz der heutigen Naturwissenschaften
dar, insbesondere in der Physik. Seit dem
19. Jahrhundert ist bekannt, dass Atome eine Struktur
besitzen und somit nicht unteilbar sind. In der
zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts gewannen Teilchenphysiker
daraufhin einen deutlich tieferen Einblick
in die Struktur der Materie. Diese Erkenntnisse
bilden den Inhalt des so genannten Standard-
Modells der Teilchenphysik: Neben einer Anzahl von
fundamentalen Bausteinen (Fermionen: Quarks und
Leptonen) erklärt das Modell die zwischen diesen
Bausteinen wirkenden Kräfte durch den Austausch
von Kraftteilchen (Bosonen). Das Standard-Modell erlaubt
eine erfolgreiche Beschreibung vieler bekannter
Phänomene im Mikrokosmos und ist mit hoher
Präzision getestet worden. Es stellt allerdings keine
vollständige Theorie dar und beinhaltet mehrere offene
Fragen, die Gegenstand der aktuellen Forschung
der Teilchenphysik sind. Insbesondere ergibt sich die
Möglichkeit, durch weitere neue Erkenntnisse zum
Aufbau des Mikrokosmos, mehr über den Aufbau und
die Entwicklung unseres Universums (Makrokosmos)
zu lernen. Eine der aktuellen Fragestellungen betrifft
den Ursprung der Masse der fundamentalen Bausteine
(im Standard-Modell wird hierfür der so genannte
Higgs-Mechanismus angenommen). Ebenso
wird die Frage nach dem Vorhandensein einer Universalkraft
(als gemeinsamer Ursprung der vier bekannten
Kräfte: Gravitation, elektromagnetische, schwache
und starke Kraft) gestellt und auch die Möglichkeit,
dass es neue, bisher nicht entdeckte Teilchen
gibt, wird genauestens überprüft.
Ein wesentliches Werkzeug der Teilchenphysik
stellen Beschleuniger dar, die neben der reinen
Grundlagenforschung mittlerweile auch vielfältige
praktische Anwendungen finden, zum Beispiel in der
medizinischen Therapie und in der Materialüberprüfung.
Durch das Beschleunigen von Teilchen auf hohe
(kinetische) Energien wird es möglich, neue, schwere
Teilchen oder Bindungszustände zu erzeugen und
Strukturen bei kleinsten Abständen (< 10 -18 m) zu
untersuchen. Eines der weltweit Aufsehen erregendsten
Projekte in diesem Zusammenhang ist der Large
Hadron Collider (LHC) am europäischen Zentrum für
Teilchenphysik (CERN) nahe dem schweizerischen
Genf. Nach einer Planungs-, Entwicklungs- und Aufbauphase
von über zehn Jahren wird dieser Beschleuniger
im Sommer 2008 in Betrieb gehen. Er
wird dann der größte, komplexeste und höchstenergetische
Beschleuniger sein, in dem Protonen (Wasserstoffkerne)
miteinander zur Kollision gebracht
werden. Die Energien der Protonenstrahlen betragen
jeweils 7 Tera-Elektronenvolt (TeV). Ein TeV entspricht
10 12 eV bzw. der kinetischen Energie einer Fliege, die
sich mit einer Geschwindigkeit von 10 cm pro Sekunde
bewegt. Die hierbei erzeugten Bedingungen entsprechen
denjenigen, die etwa 10 -14 bis 10 -13 Sekunden
nach dem Urknall im Universum geherrscht
haben. Insgesamt beinhaltet der Beschleuniger rund
300 Billionen Protonen, die auf zweimal rund 2.800
Pakete aufgeteilt sind und fast Lichtgeschwindigkeit
erreichen. Der LHC-Speicherring hat einen Umfang
von fast 27 Kilometern und befindet sich 50 bis 100
Meter tief unter der Erde (Abb. 1). Um die Protonen
bei diesen Energien auf einer Kreisbahn zu halten,
sind über 1.200, je 14 Meter lange, supraleitende
Magnete notwendig, deren Magnetfeld mit 8,3 Tesla
rund 100.000 Mal stärker ist als das Erdmagnetfeld.
FORSCHUNGSMAGAZIN 1/2008
PHYSIK
Abb. 1: Luftaufnahme der Genfer
Region mit dem Verlauf des unterirdischen
Beschleunigertunnels für
den Large Hadron Collider (LHC).
61
Abb.: © CERN