Die Vermessung des Universums: Wie die Physik von morgen den letzten Geheimnissen auf der Spur ist (German Edition)

Standardmodell äußerst detailliert zu untersuchen. Dieser Traum wurde in den 1990er Jahren verwirklicht, als der LEP durch seine äußerst genauen Messungen Millionen schwacher Eichbosonen untersuchte, was die Physiker eine Menge über die Wechselwirkungen des Standardmodells der Physik lehrte.
    Der LEP war ein ringförmiger Beschleuniger mit einem Umfang von 27 km. Elektronen und Positronen wurden bei ihrem Umlauf in diesem Ring wiederholt beschleunigt. Wie wir in Kapitel 6 gesehen haben, können ringförmige Beschleuniger ineffizient sein, wenn sie leichte Teilchen, wie Elektronen, beschleunigen, da solche Teilchen Energie abstrahlen, wenn sie auf einer kreisförmigen Bahn beschleunigt werden. Die Elektronenstrahlen, die am LEP eine Energie von 100 GeV aufwiesen, verloren bei jedem Umlauf etwa drei Prozent ihrer Energie. Dieser Verlust war zwar nicht besonders groß, aber wenn man Elektronen in diesem kreisförmigen Tunnel auf eine beliebige höhere Energie hätte beschleunigen wollen, hätte der Verlust bei jedem Umlauf das Vorhaben zunichte gemacht. Die Erhöhung der Energie um den Faktor Zehn hätte den Energieverlust um den Faktor Zehntausend erhöht, wodurch der Beschleuniger viel zu ineffizient gewesen wäre, um brauchbar zu sein.
    Aus diesem Grund dachte man bei der Planung des LEP schon über das nächste Vorzeige-Projekt nach – das voraussichtlich eine noch höhere Energie erreichen sollte. Wenn das CERN aufgrund der unannehmbaren Energieverluste der Elektronen jemals eine Maschine bauen sollte, die zu höheren Energien in der Lage wäre, würde man Protonenstrahlen brauchen, die viel schwerer sind und daher viel weniger Energie abstrahlen. Die Physiker und Ingenieure, die LEP entwickelten, waren sich dieser zukünftig erwünschten Möglichkeit bewusst und bauten den LEP-Tunnel weit genug, damit er in Zukunft einen möglichen Protonenbeschleuniger aufnehmen konnte, nachdem die Elektron-Positron-Maschine abgebaut sein würde.
    Ungefähr 25 Jahre später rasen jetzt Protonenstrahlen durch den Tunnel, der ursprünglich für den LEP gegraben wurde (siehe Abbildung 24). Der Large Hadron Collider wurde mit einigen Jahren Verspätung fertiggestellt und liegt etwa 20 Prozent über dem Budget. Das ist zwar schade, aber vielleicht doch nicht so unzumutbar, wenn man berücksichtigt, dass der LHC das größte, internationalste, teuerste, energiereichste und ehrgeizigste Experiment ist, das je durchgeführt wurde. Wie der Drehbuchautor und Regisseur James L. Brooks scherzhaft bemerkte, als er von den Rückschlägen und dem Wiederanlauf hörte: »Ich kenne Leute, die sich ungefähr genauso viel Zeit nehmen, um ihre Tapeten genau richtig hinzubekommen. Es könnte nur sein, dass die Erkenntnis des Universums aufregender ist. Außerdem gibt es dort draußen auch eine ziemlich große Tapete.«

Abb. 24: Anlage des Large Hadron Collider aus der Vogelperspektive mit dem Genfer See und Bergen im Hintergrund. Der unterirdische Tunnel ist weiß eingezeichnet. (Foto mit freundlicher Genehmigung des CERN)
    Die Gefährten der Ringe
    Protonen gibt es überall um uns herum und in uns. Im Allgemeinen sind sie jedoch in Kernen gebunden, die innerhalb der Atome von Elektronen umkreist werden. Sie sind von diesen Elektronen weder isoliert noch in Strahlen kollimiert (in Kolonnen ausgerichtet). Der LHC trennt und beschleunigt die Protonen zunächst und steuert sie dann ihrem endgültigen Schicksal zu. Dabei kommen die vielen Extreme des LHC zum Einsatz.
    Der erste Schritt bei der Herstellung von Protonenstrahlen besteht in der Erhitzung von Wasserstoffatomen, wobei ihre Elektronen abgestreift werden und die isolierten Protonen übrigbleiben, die deren Kerne sind. Magnetfelder lenken diese Protonen auf eine solche Weise ab, dass sie in Strahlen kanalisiert werden. Der LHC beschleunigt dann die Strahlen stufenweise in verschiedenen Bereichen, wobei die Protonen von einem Beschleuniger zum nächsten wandern und jedes Mal Energie gewinnen, bevor sie aus einem der zwei parallelen Strahlen auf solche Weise abgelenkt werden, dass sie kollidieren können.
    Die anfängliche Beschleunigungsphase findet im Linac (Linearbeschleuniger) des CERN statt, der ein linearer Tunnelabschnitt ist, in dem Radiowellen Protonen beschleunigen. Wenn die Radiowelle ihren Spitzenwert erreicht, beschleunigt das mit ihr verknüpfte elektrische Feld die Protonen. Die Protonen werden dann dazu gebracht, von diesem Feld wegzudriften, so dass sie nicht