Naturgesetze auf dem Prüfstand Der Teilchenbeschleuniger in Genf legt wieder los

Nach drei Jahren Pause springt der Teilchenbeschleuniger im CERN bei Genf wieder an. Wissenschaftler*innen versprechen sich neue Einblicke in die Geheimnisse des Universums.

Vor fast zehn Jahren, im Juli 2012, gab es eine Sensation in Genf. Im Teilchenbeschleuniger Large Hadron Collider (LHC) des Kernforschungszentrum CERN wurde erstmal das seit den 60er-Jahren theoretisch beschriebene Elementarteilchen Higgs-Boson nachgewiesen. 

Seitdem wurde jedoch kein weiteres, neues Elementarteilchen nachgewiesen. Allerdings war der LHC auch lange im Winterschlaf und wird erst gerade wieder aufgeweckt. Voraussichtlich ab Juni wird es wieder die ersten Teilchenkollisionen zu beobachten geben und möglicherweise auch einige wissenschaftliche Überraschungen.

Bisher erst zwei Mal in Betrieb

Der zweite «Long Shutdown» begann im Dezember 2018 und dauerte coronabedingt etwas länger als geplant. Das Herunterfahren folgte auf den zweiten Lauf des LHC, denn dieser war seit Einweihung erst zwei Mal in Betrieb, nämlich von 2009 bis 2013 und von 2015 bis 2018.

Während des Shutdowns ruhte sich der LHC aber nicht einfach aus, sondern wurde mit zahlreichen Upgrades ausgestattet. 27 Kilometer lang ist der Ring, der in 175 Metern Tiefe viermal die französisch-schweizerische Landesgrenze unterquert. Insgesamt acht Detektoren sind im Ringtunnel verbaut, die jeweils unterschiedliche Arten von Beobachtungen der Teilchenkollisionen vornehmen.

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Quarks halten sich nicht an Naturgesetze

In den Run 3 werden grosse Erwartungen gesetzt. Eine offene Frage betrifft beispielsweise die Quarks, die die Bauteile von Protonen und Neutronen sind.

Speziell: Was ist bloss mit den Beauty oder Bottom-Quarks los? Anderes als vom Standardmodell der Teilchenphysik vorgesehen, zerfallen diese nicht zu gleichen Teile in Myonen und Elektronen, wie vorherige Beobachtungen am LHC zeigten. Stattdessen kam auf ein Elektron nur 0,846 Myon. Möglicherweise ist da eine bisher nicht gekannte Naturkraft am Werke.

Manche Forscher*innen glauben, das Ganze deute auf die Existenz von Leptoquarks hin. Diese würden sich sowohl an die Quarks als auch an die Leptonen (zu diesen gehören etwa Myonen und Elektronen) koppeln. Im LHC könnten Leptoquarks, sofern sie existieren, aber wohl nur indirekt nachgewiesen werden.

Wo ist die dunkle Materie?

Der Suche nach der dunklen Materie wird sich FASER widmen, ein neu installierter Detektor. Er soll Teilchen erkennen, die mit dunkler Materie interagieren. Dunkle Materie macht vermutlich 85 Prozent aller Materie des Universums aus, wurde allerdings noch nie direkt beobachtet.

FASER soll nun in der Lage sein, leichte und schwach interagierende Elementarteilchen zu beobachten. Dazu könnten die bislang ebenfalls rein hypothetischen dunklen Photonen zählen, von denen erwartet wird, dass sie mit dunkler Materie interagieren.

Ring länger als Gotthard-Basistunnel geplant

Am CERN gibt es bereits konkrete Pläne für die Zukunft. Mit dem High-Luminosity-Upgrade, das im nächsten Shutdown installiert werden soll, sollen im LHC ab 2029 knapp fünfmal mehr Kollisionen beobachtet werden können.

Um 2038 ist zudem die Inbetriebnahme eines ganz neuen Teilchenbeschleunigers, dem Future Circular Collider geplant. Dessen Ringtunnel soll fast 100 Kilometer lang sein und entsprechend leistungsfähiger sein. Allerdings wurden die Baukosten bereits 2019 mit über 20 Milliarden Franken beziffert, die Finanzierung ist alles andere als gesichert.

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