14:08 14 Dezember 2019
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    CERN-Anlage (Archivbild)

    „Gottesteilchen“ bereits entdeckt: Wie die Weltmaschine funktioniert und was geplant ist

    © CC BY-SA 3.0 / CERN Document Server / Maximilien Brice
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    Um die Arbeit der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN) gibt es jede Menge Legenden und Gerüchte. Welche Technologien wurden mit ihrer Hilfe entwickelt? Wozu hat die Entdeckung des so genannten „Gottesteilchens“ geführt?

    Könnte vielleicht die Kollision von Teilchen im Großen Hadronen-Speicherring (Large Hadron Collider – LHC) die Erde vernichten? Darüber schreibt Sputnik in diesem Beitrag.

    Zur neuen Physik – beinahe mit Lichtgeschwindigkeit

    Nach der Erfindung der Relativitätstheorie begann in der Physik die Ära der Vielfalt von fundamentalen Modellen, die sich immer noch nicht in ein einheitliches System vereinigen lassen. Die genauesten Daten zur Struktur der Materie liefert heutzutage die Hochenergien-Physik, die sich mit der Erforschung der Entstehungsprozesse von fundamentalen Partikeln bei Kollisionen von Protonen und Kernen befasst, die nahezu bis zur Lichtgeschwindigkeit beschleunigt wurden. Das erlaubt, theoretische Prognosen zu prüfen und neue Aggregatzustände von Partikeln zu finden.

    Bei dem Standardmodell, das sich in den 1960er Jahren etabliert hatte, handelte es sich um einen Komplex von Theorien der Partikelphysik, die die meisten, aber nicht alle fundamentalen Erscheinungen vereinigten (beispielsweise können sie die Gravitation nicht erklären). Um dieses Modell zu präzisieren, wurde der Große Hadronen-Speicherring gebaut.

    Der LHC ist im Grunde ein ringartiger Tunnel 100 Meter unter der Erde. Seine Länge beträgt 27 Kilometer, und in diesem Tunnel gibt es mehr als 1200 supraleitende Magnete, die Partikel bis zu 0,99999999 der Lichtgeschwindigkeit beschleunigen. Darüber hinaus verfügt die CERN über sechs weitere Beschleuniger und mehrere Detektoren, die die Ergebnisse der Partikelkollisionen registrieren.

    Die Informationen, die die Detektoren liefern, belaufen sich auf Petabytes (Dutzende Millionen Gigabytes) pro Monat, und für ihre Zusammenfassung brauchen die Mitarbeiter manchmal mehrere Jahre. An der Bearbeitung der Angaben, die die CERN-Laboratorien zur Verfügung stellen, beteiligen sich Universitäten und Forschungszentren in 40 Ländern der Welt, auch in Russland.

    Mit der Entdeckung des Higgs-Bosons im Jahr 2012 wurde die grandiose Arbeit zur Bestätigung des Standardmodells gekrönt. Heutzutage wird auf CERN-Basis eine ganze Reihe von parallelen Testprogrammen umgesetzt, die sowohl der Überprüfung der Genauigkeit der Prognosen des Standardmodells als auch der Suche nach Erscheinungen der „neuen Physik“ gewidmet sind.

    Die weitere Erforschung des Higgs-Bosons wird die Möglichkeit geben, Phänomene außerhalb des Standardmodells zu analysieren. Besonders interessant finden Experten solche Erscheinungen wie dunkle Materie und dunkle Energie sowie die Asymmetrie von Materie und Antimaterie.

    Hier werden neue Technologien entwickelt

    „Man kann nicht ganz genau die Richtung der Forschungssuche angeben, die uns zu neuen Technologien führen wird, und deshalb kann nur die Erforschung von fundamentalen Problemen, die die Überwindung von Grenzen des Möglichen im jeweiligen Moment vorsieht, die Entwicklung der angewandten Wissenschaft garantieren“, sagte dazu Professor Anatoli Romanjuk von der russischen Nationalen Nuklearforschungsuniversität (MEPhi), der sich an der Kollaboration ATLAS beteiligt.

    Da die CERN gigantische Informationsmengen bearbeiten musste (und muss), etablierte sie sich mit der Zeit als eines der wichtigsten Zentren für die Entwicklung von Computertechnologien. Neben der Entwicklung des Internets im Jahr 1989, das ursprünglich den Interessen von Forschungsarbeiten dienen sollte, hat das Zentrum die Network-Computing-Technologie maßgeblich beeinflusst.

    Besonders stolz sind die Forscher auf ihre Entwicklungen zwecks Verringerung der Beschleunigergröße. Kleine Beschleuniger werden schon jetzt beim Scannen der inneren Struktur von Objekten intensiv verwendet – beispielsweise in der Medizin und bei der Untersuchung von Kunstgegenständen.

    Auch die damit verbundenen Visualisierungstechnologien werden ebenfalls auf CERN-Basis entwickelt. Die Kollaboration Medipix befasst sich mit der Anpassung der Technologie zwecks Diagnostizierung, die zur Beobachtung der Partikelkollisionen diente. Es wird inzwischen bereits die vierte Generation von Chips entwickelt, die das 3D-Scanning des menschlichen Körpers sowie diverse Beobachtungen ermöglichen, unter anderem im Weltraum.

    Darüber hinaus kann dadurch der Einfluss der Weltraumstrahlung auf das Klima erforscht werden. Dementsprechend werden Methoden zum Schutz von elektronischen Anlagen entwickelt, damit diese im Weltall eingesetzt werden können.

    Die CERN verfügt über einmalige Möglichkeiten sowohl zur Anlagenproduktion als auch zur Verwaltung diverser Prozesse, so dass sie zum führenden Hub der „Industrie 4.0“ wird, der das gesamte High-Tech-Business in der ganzen Welt beeinflusst.

    An der Schwelle der Zukunft

    Im Rahmen der CERN gibt es Dutzende experimentelle Kollaborationen, die ganz verschiedene Bereiche der Wissenschaft betreffen. Die größten von ihnen sind ATLAS und CMS, die sich auf die Suche nach neuen Elementarteilchen, nach der dunklen Materie und anderen neuen Erscheinungen spezialisieren. LHCb beschäftigt sich mit der Antimaterie, und ALICE erforscht den Zustand des Stoffes in den ersten Mikrosekunden nach dem Urknall.

    Um die LHC-Betriebe gibt es immer viele Gerüchte und beunruhigende Theorien, die aber zum Glück alle widerlegt wurden: Die Erde kann weder durch mikroskopische „schwarze Löcher“ vernichtet werden, die im LHC tatsächlich für Millisekunden entstehen können, noch durch das geheimnisvolle Magnet-Monofeld. Dafür besteht eine gewisse Wahrscheinlichkeit, dass eine völlig neue Entdeckung gemacht wird, die das Leben auf der Erde verbessern wird.

    Um die Effizienz der LHC-Beobachtungen zu erhöhen, wird der LHC gerade modernisiert, so dass er in den „Speicherring mit großer Helligkeit“ (High Luminosity-LHC – HL-LHC) verwandelt wird. Dadurch könnten die Forscher zusätzliche Informationen bekommen, die sie etwa bis 2035 analysieren müssten.

    In der Perspektive könnte der LHC Experten zufolge entweder durch den Future Circular Collider mit einer Tunnellänge von 100 Kilometern oder durch einen Beschleuniger des prinzipiell neuen Typs – Linear Collider – abgelöst werden. Das Ziel dieser Projekte ist die möglichst ausführliche Erforschung des Higgs-Bosons.

    „Die größte Errungenschaft der CERN besteht meines Erachtens darin, dass eine Gemeinschaft gebildet wurde, die die klügsten Köpfe aus aller Welt vereinigt, die auf verschiedenen Gebieten der Physik und der Technologien arbeiten“, sagte Experte Romanjuk. „Ein solches Niveau der beruflichen Kontakte und des Erfahrungsaustauschs gibt es nirgendwo sonst.“

    Aktuell arbeiten in der CERN permanent etwa 2000 Forscher und Ingenieure. An CERN-Experimenten beteiligen sich mehr als 12.000 Physiker aus 85 Ländern, darunter mehr als 1000 russische Forscher. Seitdem das Zentrum besteht, ist sich die Zahl der an seiner Arbeit beteiligten Länder von elf auf 23 gestiegen.

    Dieser Beitrag wurde auf Basis der Vorlesung „LHC: Geschichte und Zukunft der CERN-Forschungen“ in den Räumlichkeiten der Internationalen Nachrichtenagentur „Rossiya Segodnya“ und unter Mitwirkung von Forschern der russischen Nationalen Nuklearforschungsuniversität (MEPhi) vorbereitet.

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    Tags:
    Nationale Universität für Nuklearforschung (MEPhi), Kernphysik, Higgs-Boson, CERN