Extreme Bedingungen herrschen vor, wenn im größten Teilchenbeschleuniger der Welt winzige Objekte zum Zusammenstoß gebracht werden. Die Partikelpakete kommen fast auf Lichtgeschwindigkeit, Forschende simulieren eine Situation, wie sie wohl kurze Zeit nach der Entstehung des Universums durch den Urknall bestand. So wollen die Fachleute der europäischen Organisation für Kernforschung Cern herausfinden, was damals, vor etwa 14 Milliarden Jahren, vor sich ging. Nun wurde der Beschleuniger – der Large Hadron Collider (LHC) – nach etwa drei Jahren Wartungs- und Verbesserungsarbeiten wieder in Betrieb genommen.

Am Freitag sollen die ersten beiden Protonenstrahlen in entgegengesetzter Richtung durch den unterirdischen Ring von 27 Kilometern Länge gejagt werden. Es dauert sechs bis acht Wochen, bis die Maschine auf Hochtouren läuft. Erst dann können wieder Protonenkollisionen stattfinden, die Erkenntnisse über die grundlegenden Gesetze des Universums preisgeben sollen.

Raketenstart in Genf

Die Vorbereitungen laufen seit einigen Wochen rund um die Uhr. Bis zur letzten Minute herrscht in den Cern-Kontrollräumen Hochspannung. "Das ist wie bei einem Raketenstart", sagt der deutsche Cern-Forschungsdirektor Joachim Mnich der Deutschen Presseagentur. Teilweise müsse Minuten vor dem Beginn abgebrochen werden, da noch spontan Probleme auftauchen und gelöst werden müssen. "Wir hoffen aber, dass alles glattgeht."

In dem Fall ist der per Knopfdruck gestartete Protonenstrahl, der durch den Ring zirkuliert, nach kurzer Zeit auf Computerbildschirmen zu sehen. "Bevor es so weit ist, muss der Protonenstrahl über elektronische Signale meist noch millimeterweise verschoben werden und er muss teils durch Nadelöhre gesteuert werden, das funktioniert nicht immer auf Anhieb", sagt Mnich.

Forscherinnen und Forscher beobachten bei den Kollisionen die Zerfallsprozesse und gewinnen Erkenntnisse über die kleinsten Bestandteile der Materie, die Elementarteilchen. Unter anderem wurde am Cern 2012 erstmals das 40 Jahre früher theoretisch beschriebene Higgs-Boson nachgewiesen. Es trägt dazu bei, dass Elementarteilchen eine Masse haben.

Mehr Kollisionen, mehr interessante Prozesse

Den Fachleuten geht es vor allem um eines: möglichst viele Kollisionen, möglichst viele Wechselwirkungen. Während der Pause ist die Leistungsfähigkeit des Beschleunigers und der angeschlossenen Detektoren deutlich erhöht worden. Damit sind noch mehr Kollisionen möglich, wie Mnich sagt – rund 1.000.000.000.000.000 im Jahr, eine Billiarde. Nur eine von vielleicht 100.000 Kollisionen bringe aber Prozesse zum Vorschein, die eine nähere Analyse lohnen. Die Daten werden zwar innerhalb von Millisekunden gespeichert, die Auswertung dauere oft aber Jahre.

So war es das US-Forschungszentrum für Teilchenphysik Fermilab, das Anfang April mit einer Sensation aufwartete: Aus mehr als zehn Jahre alten Daten hatte eine Forschungsgruppe das W-Boson neu berechnet, das eine der vier Grundkräfte übermittelt, die das Verhalten der Materie im Universum bestimmen. Sie stellte mit hoher Präzision fest, dass es schwerer ist, als das Standardmodell der Teilchenphysik es voraussagt. Dieses Modell beschreibt zwölf Materieteilchen und ihre Wechselwirkung.

Unerwartete Wendung der Beauty-Quarks

Das W-Boson war 1983 am Cern entdeckt worden. Dort, hofft Mnich, können die Ergebnisse des amerikanischen Teams in den nächsten Jahren bestätigt oder widerlegt werden. "Wenn das Ergebnis so stimmt, könnte dies ein Hinweis auf eine unbekannte Naturkraft sein, oder ein Hinweis auf zusätzliche Teilchen, die wir bislang nicht kennen", sagt Mnich.

Auch am Cern war im vergangenen Jahr in ganz anderem Zusammenhang eine Anomalie entdeckt worden, die vom Standardmodell der Teilchenphysik abweicht. Beauty-Quarks waren nicht wie erwartet mit gleicher Wahrscheinlichkeit in Elektronen und Myonen zerfallen. Mit viel höheren Datenmengen hoffen die Physiker nun auf neue Erkenntnisse, die noch mehr Fragen über die Gültigkeit des Standardmodells aufwerfen könnten. (APA, red, 22.4.2022)